課題的研究背景及意義

1、- - TOC o 1-5 h z 【摘要】 2 HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 【關(guān)鍵字】 2【ABSTRACT 】 3【KEY WORDS 】 3 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 項(xiàng)目的研究背景及意義 4 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 項(xiàng)目主要研究技術(shù)內(nèi)容的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 7 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 系統(tǒng)簡介 8系統(tǒng)組成 8系統(tǒng)工作原理 8轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的電機(jī)調(diào)速 9系統(tǒng)方案的制定

2、9 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 硬件設(shè)計(jì) 10 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 軟件設(shè)計(jì) 12 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 程序調(diào)試 15上位機(jī) 3D 仿真及圖像信號(hào)發(fā)生系統(tǒng) 15系統(tǒng)方案制定 15 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 軟件設(shè)計(jì) 16程序調(diào)試 17 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和水平 17結(jié)束語 錯(cuò)誤

3、！未定義書簽?；?Volumetric 3D 顯示原理與WPF平臺(tái)的3D旋轉(zhuǎn)三角錐的真實(shí)立體影像投射系統(tǒng)是采用Volumetric 3D 顯示原理，將上位機(jī)所處理的Volumetric 3D數(shù)字圖像信號(hào)通過三角錐投影系統(tǒng)投射成真實(shí)影像，實(shí)現(xiàn) Volumetric 3D顯示效果。 與傳統(tǒng)3D顯示相比，本系統(tǒng)具有裸眼3D顯示效果，使觀看者無需通過佩戴3D眼鏡就能達(dá)到3D顯示目的。同時(shí)，本系統(tǒng)具有360度全息圖像顯示效果，使觀看者可以360 度全方向觀看圖像。本系統(tǒng)采用WPF設(shè)計(jì)3D圖像，使系統(tǒng)可以方便的產(chǎn)生3D圖像， 經(jīng)過簡單學(xué)習(xí)，便可以自己設(shè)計(jì)3D模型， 降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)成本【關(guān)鍵字】體三維

4、、3D影像、3D處理、三角錐影像投影、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、直流電機(jī)相位Abstract】The real projection system image of 3D Rotating cones based on the Volumetric 3D revelation principle and WPF platform is the true image protected by using Volumetric 3D revelation principle and combined with Volumetric 3D digital image signal which the host

5、computer dealing with to achieve Volumetric 3D revelation principles.Compared with conventional 3D display, this system has the naked eye 3D display, so the viewer is no need to wear 3D glasses and 3D display can be achieved.At the same time, this system has a 360-degree holographic image display, w

6、ith which the viewer can watch an Omni-directional image of 360-degree. The system is designed by using WPF3 D image, which makes it easy to produce 3D images. Through a simple learning one can design their own 3D model,that reducing the cost of the system software design.【Key words】Volumetric 3D ，

7、3D image,3D Processing, Triangul cone 3D image ， DC Motor Speed， Phase DC motor1 項(xiàng)目的研究背景及意義3D 是英文“ Three Dimensions ”的簡稱，中文是指三維、三個(gè)維度、三個(gè)坐標(biāo)，即有長、有寬、有高，換句話說，就是立體的，是相對(duì)于只有長和寬的平面(2D)而言。我們本來就生活在三維的立體空間中，我們的眼睛和身體感知到的這個(gè)世界都是三維立體的，并且具有豐富的色彩、光澤、表面、材質(zhì)等等外觀質(zhì)感，以及巧妙而錯(cuò)綜復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和時(shí)空動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；我們對(duì)這世界的任何發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造的原始沖動(dòng)都是三維的。雖然迄今為止

8、還沒有哪一種顯示技術(shù)能夠沒有任何限制地提供所有的深度暗示， 但一般而言，三維顯示技術(shù)既能提供反映視覺系統(tǒng)本身特點(diǎn)和感知特性的生理深度暗示，又能提供來源于日常積累的感知經(jīng)驗(yàn)和視覺記憶的心理深度暗示； 二維顯示技術(shù)只提供單眼就能觀察的心理深度暗示。認(rèn)知學(xué)方面的研究結(jié)果表明，視覺系統(tǒng)傾向于首先利用生理深度暗示，只有當(dāng)這些深度暗示被移除時(shí)，心理深度暗示才會(huì)起主要作用。因此， 三維顯示技術(shù)能提供更客觀、更自然的交流模式，有助于人們?cè)诰C合運(yùn)用各種深度暗示之后，獲得真實(shí)、豐富、可靠的感知體驗(yàn)，是顯示技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)。三維顯示大致分為四類：體視三維顯示(stereoscopic 3D display) 、全

9、息三維顯示(holographic 3D display) 、透視三維顯示(Perspective 3D display)和體三維顯示(volumetric 3D display) 15。體視三維顯示：雙眼水平視差的產(chǎn)生是由于人的左、右眼有一定的空間間隔，總是從左、右兩個(gè)稍有不同的角度來觀察物體，從而導(dǎo)致視網(wǎng)膜上的光學(xué)影像略有差異。 體視三維顯示將模擬人的左、右眼看到的兩個(gè)略有不同的二維圖像，稱之為 “體視對(duì) (stereopair) ”， 顯示在同一個(gè)平面上，然后通過某種分離方式使左、右視圖分別只提供給左、右眼觀察。這樣，利用體視對(duì)所提供的視差信息，人腦會(huì)自動(dòng)地將對(duì)應(yīng)的兩幅二維平面圖像融合成

10、一幅三維立體圖像，經(jīng) “雙像單視” 效應(yīng)而獲得立體感。不同的體視對(duì)產(chǎn)生和分離方式構(gòu)成了不同的體視三維顯示技術(shù)，其觀察方式和成像特點(diǎn)也有所不同。全息三維顯示：按照物理學(xué)的近距作用觀點(diǎn)，人眼之所以能看見外界物體，其直接原因并不是因?yàn)槲矬w的客觀存在，而是由于物體散射或發(fā)射的光波到達(dá)了人眼的視網(wǎng)膜，視神經(jīng)細(xì)胞在接收物光波之后，會(huì)根據(jù)光的強(qiáng)弱、距離和顏色等進(jìn)行處理，從而識(shí)別物體的特征以便形成三維感知。光波的特征主要取決于它的振幅 （ 強(qiáng)弱 ） 、 位相（ 同相面形狀） 和波長 （ 顏色） ， 只要能得到物體的光波，即便物體不在原處也能看到該物的逼真像。全息術(shù)根據(jù)上述成像理論，先利用光的干涉原理， 將物體

11、散射或發(fā)射出的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來，然后利用光的衍射原理，在一定條件下進(jìn)行再現(xiàn)。透視三維顯示：透視三維顯示利用光線追跡、投影轉(zhuǎn)換和多邊形生成等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)來對(duì)深度信息進(jìn)行編碼，并添加陰影和遮擋等多種心理深度暗示，將三維場景以透視形式顯示在二維屏幕上。此時(shí)， 三維圖像實(shí)際上是只有長寬兩個(gè)維度的平面顯示器上的二維圖像，但它能夠提供深度錯(cuò)覺。由于術(shù)語“三維”指的是被描述或顯示的對(duì)象具有三個(gè)可測(cè)量維度：寬度、 高度和深度，因此透視三維顯示的圖像也被稱為2.5 維圖像。體三維顯示：即本系統(tǒng)所設(shè)及技術(shù)。它通過適當(dāng)方式來激勵(lì)位于透明顯示體積內(nèi)的物質(zhì)，利用可見輻射的產(chǎn)生、吸收或散射而形成體素

12、（voxel-volumepixel） 。當(dāng)體積內(nèi)許多方位的物質(zhì)都被激勵(lì)之后，便能形成由許多分散的體素構(gòu)成的三維圖像。它浮在真實(shí)三維空間即觀察者所在的物質(zhì)世界中， 就像是一個(gè)現(xiàn)實(shí)三維物體一樣，能自動(dòng)滿足幾乎所有的生理和心理深度暗示，可多人、多角度、同時(shí)、裸眼觀察，無需任何助視儀器，符合人類在視覺觀察及深度感知方面的自然生理習(xí)慣。體三維顯示在提供洞察力方面具有顯著優(yōu)越性。這可以用深度感知理論進(jìn)行解釋：1）雙眼視差包括雙眼水平視差和雙眼垂直視差，前者使眼睛會(huì)聚以獲得相對(duì)于注視點(diǎn)的距離信息，后者能修改或補(bǔ)充由前者引起的立體感知，以便判定絕對(duì)距離和形成整體知覺。透視三維顯示不能提供雙眼視差，其準(zhǔn)確性要

13、比能提供雙眼水平視差的體視三維顯示低些。2） 在觀察體視三維顯示場景時(shí)，會(huì)聚和調(diào)節(jié)不能匹配，因而響應(yīng)時(shí)間最長。3）體三維顯示包含所有視圖，能提供包括運(yùn)動(dòng)視差、雙眼水平視差和垂直視差在內(nèi)的全視差信息，會(huì)聚和調(diào)節(jié)匹配，由此產(chǎn)生的深度感能夠有效消除不確定性， 更好地傳達(dá)有關(guān)物體的相對(duì)位置和相互空間關(guān)系的信息，進(jìn)而降低發(fā)生誤判或錯(cuò)判的可能性，協(xié)助用戶更快速地做出判斷，所以其準(zhǔn)確性和響應(yīng)時(shí)間都是最好的。與上述的面三維顯示不同，體三維顯示是在真實(shí)的物質(zhì)空間內(nèi)表達(dá)三維信息， 不再需要將三維數(shù)據(jù)映射到二維表面上，可同時(shí)從幾乎所有角度來再現(xiàn)空間信息， 由此得到的三維圖像同時(shí)具有水平視差和垂直視差，直接觀看即可獲

14、得三維效果， 并且在各個(gè)方向上都具有連續(xù)視場，可從寬廣的角度觀察，多數(shù)體三維顯示配置滿足360環(huán)視要求。觀察者在運(yùn)動(dòng)過程中，仍能接收到維持該圖像三維外觀所需的視覺暗示，可在離開圖像任意可視距離處觀看而不會(huì)丟失三維感知。 圖像的真實(shí)三維性和視點(diǎn)的幾乎不受限制性是體三維顯示比面三維顯示優(yōu)越的最主要表現(xiàn)。綜上所述，體三維顯示技術(shù)能滿足“直接可視、全角度可視及群視”等一系列要求。 可以預(yù)見，其逐步完善將為那些需要多用戶同時(shí)觀看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的任務(wù)提供有效的可視化方案。根據(jù)成像空間構(gòu)成方式的不同，可以把真三維立體顯示技術(shù)分為靜態(tài)成像技術(shù)和動(dòng)態(tài)體掃描技術(shù)兩種，靜態(tài)體成像技術(shù)的成像空間是一個(gè)靜止不動(dòng)的立體空間，而

15、動(dòng)態(tài)體掃描技術(shù)的成像空間是一個(gè)依靠顯示設(shè)備的周期性運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的。靜態(tài)成像技術(shù)：在一個(gè)由特殊材料制造的透明立體空間里，一個(gè)激勵(lì)源把兩束激光照到成像空間上，經(jīng)過折射，兩束光相交到一點(diǎn)，便形成了組成立體圖像的具有自身物理景深的最小單位體素，每個(gè)體素點(diǎn)對(duì)應(yīng)構(gòu)成真實(shí)物體的一個(gè)實(shí)際的點(diǎn)， 當(dāng)這兩束激光束快速移動(dòng)時(shí)，在成像空間中就形成了無數(shù)交叉點(diǎn)，這樣，無數(shù)個(gè)體素點(diǎn)就構(gòu)成了具有真正物理景深的真三維立體圖像。這就是真三維立體顯示的靜態(tài)成像技術(shù)原理。動(dòng)態(tài)體掃描技術(shù)：動(dòng)態(tài)體掃描技術(shù)是依靠顯示設(shè)備的周期性運(yùn)動(dòng)構(gòu)成成像空間，例如屏幕的平移、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)來形成立體的成像空間。在該技術(shù)中，通過一定方式把顯示的立體圖像用二維切

16、片的方式投影到一個(gè)屏幕上，該屏幕同時(shí)做高速的平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于人眼的視覺暫留，從而在人眼觀察到的不是離散的二維圖片， 而是由它們組成的三位立體圖像。因此， 使用這種技術(shù)的立體系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)圖像的體三維顯示。根據(jù)屏幕的運(yùn)動(dòng)方式可以將動(dòng)態(tài)掃描顯示分為平移體掃描顯示技術(shù)和旋轉(zhuǎn)體掃描顯示技術(shù)。近幾年來，國外的一些國家如美國、德國和俄羅斯都有此相關(guān)方面的研究。美國和德國在體三維顯示技術(shù)特別是球狀顯示技術(shù)上取得了相當(dāng)?shù)某晒?。美國的耶魯?麻省理工學(xué)院等大學(xué)一直在進(jìn)行相關(guān)研究，其國內(nèi)的幾家公司也提出了自己的原型化的系統(tǒng)。美國的Johns Hopkins Hospital 和 Georgetown Unive

17、rsity也開展了利用體三維顯示技術(shù)進(jìn)行癌癥診斷方面的研究工作, 德國的 TechnicalUniversity of Braunschweig 的飛行器導(dǎo)航和控制研究所也開發(fā)了相應(yīng)的原型化系統(tǒng)，可見西方國家對(duì)三維顯示研究的重視程度。體三維立體顯示技術(shù)是一種全新的三維顯示技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)立體顯示技術(shù)需要借助輔助設(shè)備的缺陷，更具真實(shí)性，該技術(shù)的突破，將在虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響，并能在很大程度上促進(jìn)一些學(xué)科或研究的發(fā)展。項(xiàng)目主要研究技術(shù)內(nèi)容的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)虛擬 3D立體顯示器對(duì)于大多數(shù)的人或許很陌生，但是早在100多年前就產(chǎn)生了立體的動(dòng)畫，Sir Charles Wheatsto

18、ne 在 1833年就利用雙眼視差法在兩張手繪的草圖上創(chuàng)造出了世界上的第一組立體圖像，Wheatstone 也是第一個(gè)利用像差原理做出立體鏡的人，后來Sir David Brewster ( 1781-1868)也用兩個(gè)透鏡做了一個(gè)立體鏡(Prism stereoscope ) 。日本的SONY公司于1994年開始在市場上試售3D-TV， 而同一時(shí)期在NHK也試圖推出立體的電視服務(wù)。日本NHK科技研究所等公司用兩架液晶或CRT背投機(jī)同時(shí)向多透鏡平面分別投射左右眼立體重疊圖像，制成了大屏幕的立體顯示器。德國See Real Technologies 公司另辟蹊徑，通過采用跟蹤視角技術(shù)和亞全息圖技

19、術(shù)研制出20 英寸單色三維全息立體顯示器。該技術(shù)采用較大的像素間距，這樣就可以利用現(xiàn)有的LCD工藝技術(shù)。通過該公司的三維全息成像顯示器顯示的三維圖像，在尺寸和形狀方面上所對(duì)應(yīng)的全息圖的數(shù)據(jù)量較小，不過現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)就能勝任全息圖的數(shù)據(jù)處理。丹麥RAMBOL公司于L2006年開發(fā)了大型立體影像投影系統(tǒng)“Cheoptics360XL”。通過嵌入在倒金字塔型框架上的玻璃屏幕和投影儀構(gòu)成的系統(tǒng)，能夠使觀眾用裸眼觀看立體影像。并在2006 年巴黎秋冬時(shí)裝周新品發(fā)布會(huì)上，采用“ Cheoptics360 XL ” 立體影像投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)名模Kate Moss 的 3D立體影像服裝展示，這種特別的表現(xiàn)形式引

20、起了當(dāng)時(shí)不小的轟動(dòng)。我國對(duì)立體顯示技術(shù)的研究也已有20 年的歷史，1999 年在深圳高新技術(shù)交 TOC o 1-5 h z 易會(huì)上， 國內(nèi)有 4 家單位進(jìn)行視頻立體顯示技術(shù)的展示：天津三維技術(shù)公司、天津長城電視機(jī)廠、中國科技開發(fā)院威海分院、深圳萬歷投資公司。這些廠家產(chǎn)品的主要技術(shù)原理是把兩架攝像機(jī)在不同視角拍攝的圖像，存成上下兩幅顯示，再佩戴左右切換的液晶眼鏡觀看，會(huì)形成有立體效果的影像。目前國內(nèi)有十幾家地方電視臺(tái)播出使用這種技術(shù)的立體電視節(jié)目，北京電視臺(tái)幾年前也曾播出過，國內(nèi)還有不少地方將這種技術(shù)用于影視廳。從以往國內(nèi)幾家從事立體顯示技術(shù)研究的公司看，一直存在著市場推廣困難的問題，還沒有產(chǎn)生

21、任何市場效應(yīng)，這些因素在客觀上限制了立體電視技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)在國內(nèi)外的主流3D 立體成像技術(shù)大部分采用顯微透鏡光柵屏幕或透鏡屏技術(shù)， 通過摩爾紋干涉測(cè)量法精確對(duì)位，利用一組傾斜排列的凸透鏡陣列，僅在水平方向上發(fā)生的折射來為雙眼提供不同的透視圖像，來實(shí)現(xiàn)立體效果。在這個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)和研制的過程中，有許多的公司采用了很高的設(shè)計(jì)成本，并且耗時(shí)很長，直接導(dǎo)致產(chǎn)品的使用價(jià)格過高，限制了產(chǎn)品推廣和普及，隨著全球經(jīng)濟(jì)的增長，3D立體顯示系統(tǒng)的市場空間將更加廣闊。系統(tǒng)簡介系統(tǒng)組成以直流電機(jī)為核心的機(jī)械旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上與平臺(tái)成45傾角的平面反射鏡，位于平臺(tái)上方垂直向下放置的高速視頻投影機(jī)，以及投影機(jī)連接用

22、于生成與處理影像的計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)工作原理在系統(tǒng)顯示3D 影像前，需要對(duì)計(jì)算機(jī)中生成的影像來進(jìn)行分析。分析過程如下：將計(jì)算機(jī)中的3D影像選取一個(gè)垂直方向上的旋轉(zhuǎn)軸，依據(jù)旋轉(zhuǎn)軸作為垂直坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)軸與底部交點(diǎn)為頂點(diǎn)，將3D影像在水平面上以每一度為一個(gè)角分辨率分割為360 個(gè)部分。 對(duì)每一個(gè)部分，用全景攝像機(jī)拍攝下其0到90的外形。 通過計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件，將所拍攝到的360 個(gè)圖像進(jìn)行合成，可以控制每一張圖像的投影時(shí)間和投影角度。對(duì)于相鄰的兩個(gè)圖像而言，其夾角應(yīng)恰好為1。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，需要先啟動(dòng)機(jī)械旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)速，使其達(dá)到600RPM的恒定轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定之后，投影機(jī)需要獲得平臺(tái)的相位

23、信號(hào)，來保證投影的第一個(gè)圖像與反射鏡的相位一致，才能正確投影和反射出3D影像。當(dāng)投影機(jī)正確投影出第一個(gè)圖像后，投影機(jī)接下來投影的圖像將與轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)保持相同的方向相同的速率轉(zhuǎn)動(dòng)，即當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)了一周360后，投影機(jī)中的360個(gè)圖像恰好投影完一次。利用人眼的視覺殘留效果，產(chǎn)生投影圖像連續(xù)的感官效應(yīng)。這種方法的缺點(diǎn)在于轉(zhuǎn)速低時(shí)，視覺殘留效果不明顯，而且分辨率會(huì)比較低；當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，對(duì)電機(jī)的負(fù)荷過大，計(jì)算機(jī)處理投影圖像時(shí)的運(yùn)算量也會(huì)過大。因此我們對(duì)此方法進(jìn)行了改進(jìn)，將轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上的平面反射鏡更改為透光性能高的三棱錐。根據(jù)三棱錐的成像原理，當(dāng)投影機(jī)從上方進(jìn)行投影時(shí)，影像是從三棱錐的三條棱向外投影出，這樣，

24、 當(dāng)三棱錐高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其產(chǎn)生的影像更新率是平面反射鏡的三倍，即較低轉(zhuǎn)速時(shí)依舊能達(dá)到高轉(zhuǎn)速時(shí)的效果。轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的電機(jī)調(diào)速一般的采用模擬電路來進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方法都比較復(fù)雜，而且測(cè)量范圍與精度不能兼顧，采樣時(shí)間較長，難以測(cè)得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。因此我們采用PWM控制原理， 同時(shí)結(jié)合霍爾傳感器來采集電機(jī)轉(zhuǎn)速，并經(jīng)單片機(jī)檢測(cè)后在顯示器上顯示出轉(zhuǎn)速值，而單片機(jī)則根據(jù)傳感器輸出的脈沖信號(hào)來分析轉(zhuǎn)速的過程量，并超限自動(dòng)報(bào)警。系統(tǒng)方案的制定直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要是以C8051單片機(jī)為核心組成的控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此， 由 MCU內(nèi)部的可編程計(jì)數(shù)器

25、陣列輸出PWM波，以調(diào)整電機(jī)兩端電壓與控制波形的占空比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。本系統(tǒng)通過霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件設(shè)計(jì)包括方案選定、電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB繪制、線路調(diào)試；軟件設(shè)計(jì)包括內(nèi)存空間的分配，直流電機(jī)控制應(yīng)用程序模塊的設(shè)計(jì)，程序調(diào)試、軟件仿真等。硬件設(shè)計(jì)C8051是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O 引腳， 片內(nèi)含有VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器，是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)， 并能快捷準(zhǔn)確地完成信號(hào)采集和調(diào)節(jié)。同時(shí)也方便軟件編程、干擾防制、以及前向通道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。本單片機(jī)控制系統(tǒng)與外部連接可實(shí)時(shí)接收到外部

26、信號(hào)，以進(jìn)行對(duì)外部設(shè)備的控制，這種閉環(huán)系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，從而制定出一個(gè)合理的方案， 圖 1所示是電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)框圖。鍵盤輸入單元傳感器單元單片機(jī)控制單元顯示單元電源單元圖 1 電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)框圖。本系統(tǒng)先由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)通過傳感器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)并傳送給單片機(jī)，單片機(jī)再通過軟件將測(cè)速信號(hào)與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，從而決定電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)將當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速值送LED顯示。此外， 也可以通過設(shè)置鍵盤來設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置由霍爾傳感器組成，并通過 A/D轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再以脈沖形式傳給單片機(jī)。這種設(shè)計(jì)方法具有頻率響應(yīng)高（響應(yīng)頻率達(dá)20 kHz以上）、輸出幅值

27、不變、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。十分容易與微處理器相連接，也便于實(shí)現(xiàn)信T0口可對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，可通過單片機(jī)的P0.1 P0.5 五個(gè)接口來完成鍵盤的輸入，P1.6P2.0 接電機(jī)，P2.1 P2.4接顯示器的位選，P0口為顯其硬件連接電路如圖2所示。圖 2 硬件連接電路圖。本系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation) 原理是：脈沖寬度調(diào)制其占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。該Ts 的鋸齒波發(fā)生器組成。脈沖信號(hào)如果大于鋸A，否則輸出0。圖3所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)圖 3 脈寬調(diào)制過程。設(shè)樣本 k 為均勻脈沖信號(hào)，它的第 k 個(gè)矩形脈沖可以表示為：其中， xt

28、是離散化信號(hào)；Ts 是采樣周期， 0是未調(diào)制寬度，m是調(diào)制指數(shù)?，F(xiàn)假設(shè)脈沖幅度為A，中心在t=kTs 處， k 在相鄰脈沖間變化緩慢，那么，其其中， 號(hào)可由信號(hào)Xp(t) 可表示為：為電機(jī)角速度，結(jié)合式(2) 可見， 脈沖寬度信x (t) 加上一個(gè)直流成分以及相位調(diào)制波構(gòu)成。脈沖寬度調(diào)制波可以直接通過低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。C8051單片機(jī)有2個(gè) 12位的電壓方式DAC， 每個(gè)DAC的輸出擺幅為0 VVREF， 對(duì)應(yīng)的輸入碼范0 x0000 xFFF。通過交叉開關(guān)配置可將CEX0CEX4配置到P2 端口， 這樣，改變PWM的占空比就可以調(diào)整電機(jī)速度。LED顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式，并用單片機(jī)I/O 接

29、口擴(kuò)展輸出，再由三極管驅(qū)動(dòng)各顯示器的位選端并放大電流。獨(dú)立式按鍵采用查詢方式，按鍵輸入均采用低有效，上拉電阻可用于保證在按鍵斷開使其I/O 口為高電平。單片機(jī)的I/O(P0.10.5) 引腳所擴(kuò)展的5個(gè)按鍵分別定義為：設(shè)置、啟動(dòng)、移位、開始、1功能。硬件電路確定以后，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的主要功能將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件程序的設(shè)計(jì)可分為5個(gè)步驟：分別是綜合分析并確定算法；設(shè)計(jì)程序流程圖；合理選擇和分配內(nèi)存單元以及工作寄存器；編寫程序；上機(jī)調(diào)試運(yùn)行程序。應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)可采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)模塊的程序結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，且任務(wù)明確，易于編寫、調(diào)試和修改；其次是程序可讀性好，對(duì)程序的修

30、改可局部進(jìn)行，而其他部分可以保持不變，這樣便于功能擴(kuò)充和版本升級(jí)； 另外， 對(duì)于使用頻繁的子程序，可以建立子程序庫，以便于多個(gè)模塊調(diào)用； 最后是便于分工合作，多個(gè)程序員可同時(shí)進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試工作，故可加快軟件研制進(jìn)度。本程序采用8051單片機(jī)的C語言編程來實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，可采用模塊化編程實(shí)現(xiàn)。整個(gè)軟件由主程序模塊、轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、動(dòng)態(tài)顯示模塊等組成。各模塊均采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)，因而具有較強(qiáng)的通用性； 而采用模塊化程序結(jié)構(gòu)則可使軟件易于調(diào)試、維護(hù)和移植。系統(tǒng)軟件可根據(jù)硬件電路的功能與AT89C51各管腳的連接情況對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。以便明確各引腳所要完成的

31、功能，從而方便進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和內(nèi)存地址的分配， 最終完成程序模塊化設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)為直流電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)性能要求，除復(fù)位電路外，還應(yīng)該設(shè)置一些功能鍵：包括啟動(dòng)鍵、設(shè)置鍵、確定鍵、移位鍵、加1鍵等。由于本系統(tǒng)中的單片機(jī)還有閑置的I/O 口線， 而系統(tǒng)要求所設(shè)置的按鍵數(shù)量也不多，因此， 可以采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。根據(jù)直流電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，該電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為一簡單的應(yīng)用系統(tǒng)，可以采用順序的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)由主程序和若干個(gè)中斷服務(wù)程序構(gòu)成，整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)可分成六大模塊，每個(gè)模塊完成一定的功能。圖 4所示是根據(jù)電路圖確定的程序設(shè)計(jì)模塊圖。- -圖 5 主程序流程圖- -主程序模塊圖 4 直流電

32、機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)模塊圖其中主程序模塊主要設(shè)置主程序的起始地址、中斷服務(wù)程序的起始地址、有5所開始對(duì)于定時(shí)器T1 (1s) 子程序的設(shè)計(jì)，其實(shí)在單片機(jī)中，定時(shí)功能既可以由硬件 ( 定時(shí)/計(jì)數(shù)器) 實(shí)現(xiàn)， 也可以通過軟件定時(shí)程序來實(shí)現(xiàn)。軟件延時(shí)程序要占用CPU的時(shí)間， 因而會(huì)降低CPU的利用率。而硬件定時(shí)則通過單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器來定時(shí)，而且， 定時(shí)器啟動(dòng)以后可與CPU并行工作，故不占用CPU的時(shí)間，從而可使CPU具有較高的工作效率。本系統(tǒng)采用硬件定時(shí)和軟件定時(shí)并用的方式，即用T1溢出中斷功能來實(shí)現(xiàn)10 ms定時(shí)， 而通過軟件延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)1 ms定時(shí)。其中T1定時(shí)器中斷服務(wù)程序的功能主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速值的讀入

33、、檢測(cè)與緩存處理。對(duì)于定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)初值計(jì)算，由于本系統(tǒng)采用的是6 MHz的時(shí)鐘頻率，所以， 一個(gè)機(jī)器周期時(shí)間是2 s。 這樣， 根據(jù)T1定時(shí)器產(chǎn)生500 s 的定時(shí)，便可以計(jì)算出計(jì)數(shù)初值。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)控系統(tǒng)的工作方式寄存器TMOD=00010000， B T1 定時(shí)器以工作方式2來完成定時(shí)。程序調(diào)試程序調(diào)試可在偉福仿真軟件上進(jìn)行編制，該軟件支持脫機(jī)運(yùn)行，純軟件環(huán)境可模擬單步、跟蹤、全速、斷點(diǎn)；源文件仿真、匯編等，并可支持多文件混合編程。仿真調(diào)試后的目標(biāo)程序可以固化到EPRO， M 然后用專門的程序燒寫器對(duì) 89C51單片機(jī)進(jìn)行程序燒寫。在使用系統(tǒng)時(shí)，我們需要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)到720RPM

34、并保持在恒速，以保證投影的圖像與電機(jī)的相位一致。上位機(jī) 3D 仿真及圖像信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)系統(tǒng)方案制定上位機(jī) 3D 仿真及圖像信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)用于在上位機(jī)中對(duì)3D 圖形進(jìn)行虛擬仿真， 并由三角錐失真變換，產(chǎn)生可用于投影的數(shù)字圖像信號(hào)，通過顯卡輸出至投影系統(tǒng)，產(chǎn)生3D圖像。 6本系統(tǒng)采用Microsoft 公司的 .NET平臺(tái)作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，編寫及調(diào)試程序?yàn)?Microsoft 公司為.NET平臺(tái)量身定做的IDE： Visual Studio 2010。為達(dá)到更好的 3D效果，本系統(tǒng)所采用的3D平臺(tái)為DirectX ，所采用的技術(shù)為WPF技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)3D圖像的生成、處理與輸出。軟件設(shè)計(jì).NET 平臺(tái).NET 平臺(tái)為 Microsoft 公司全力打造的基于Web Service 的平臺(tái)。 本系統(tǒng)采用圖 6.NET 平臺(tái)框架本系統(tǒng)首先通過WPF 建立一個(gè)3D 虛擬環(huán)境，通過 Xaml 標(biāo)記語言產(chǎn)生一個(gè)可編輯的離散點(diǎn)陣 3D 點(diǎn)陣圖像，通過離散點(diǎn)分析，進(jìn)行三角錐變換，隨后將變換好的數(shù)字圖像信號(hào)通過顯卡發(fā)送至投影系統(tǒng)。圖 7 軟件 UML 流程圖圖 8 3DModel 展示程序調(diào)試本系統(tǒng)使用Visual Studio 2010 進(jìn)行調(diào)試。Visual Studio 2010 具有友好的工作界面，方便圖 9 使用 Visual Studio 2010進(jìn)