無(wú)觸點(diǎn)云臺(tái)鏡頭通訊控制電路的設(shè)計(jì)

http://butianyuan.cn/article/201612/333175.htm

電視監(jiān)控系統(tǒng)是一種典型的分布式計(jì)算機(jī)信號(hào)采集系統(tǒng)。每個(gè)攝像機(jī)由中央控制室控制，為簡(jiǎn)化布線，中央控制器與各攝像機(jī)間由RS485總線連接，鏡頭和云臺(tái)的控制由前端的解碼器實(shí)現(xiàn)。解碼器將主控系統(tǒng)送來(lái)的串行碼控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同功能電壓以驅(qū)動(dòng)前端設(shè)備，其原理圖如圖1所示。

為了降低系統(tǒng)成本，傳統(tǒng)的解碼器一般用簡(jiǎn)單邏輯去控制電磁電器或固體繼電器而輸出控制電壓。本文設(shè)計(jì)的控制電路采用分立元件如MOSFET、TRIAC等，具有體積小、重量輕、低功耗、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

1 單片機(jī)接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的MSP430F149單片機(jī)屬于德州儀器公司MSP430FLASH系列。MSP430系列是一組超低功耗的微控制器，針對(duì)不同應(yīng)用目標(biāo)、以不同模塊組成，微控制器的設(shè)計(jì)可使電池長(zhǎng)期工作，電源電壓范圍1.8～3.6V。由于具有16位RISC結(jié)構(gòu)、16位寄存器和常數(shù)寄存器，MSP430達(dá)到了最大的代碼效率。數(shù)字控制的振蕩器提供所有低功耗模式從快速蘇醒到活動(dòng)模式的能力時(shí)間少于6μs。MSP430F149帶有兩個(gè)16位定時(shí)器（帶看門(mén)狗功能）、速率很高的8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器（帶內(nèi)部參考電壓、采樣保持和自動(dòng)掃描功能）、一個(gè)內(nèi)部比較器和兩個(gè)通用同步/異步發(fā)射接收器、48個(gè)I/O口的微處理器結(jié)構(gòu)。MSP430F149擦寫(xiě)次數(shù)高達(dá)10萬(wàn)次，強(qiáng)力抗干擾，具有工業(yè)級(jí)的品質(zhì)。

MSP430F149有60KB的FLASH ROM和2KB的RAM。其中FLASH又分為120段，每段512字節(jié)的主存儲(chǔ)器和兩段信息存儲(chǔ)器，每段128B.FLASH可以整個(gè)擦除也可以分段擦除，這給系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)都帶來(lái)了極大的便利和靈活性。鑒于單片機(jī)存儲(chǔ)器的容量和特點(diǎn)，外部不用擴(kuò)展存儲(chǔ)器和I/O口，外圍設(shè)備得到了簡(jiǎn)化。

MSP430F149的工作電壓是3.3V，因此其I/O電平也是3.3V邏輯電平，并且與5V TTL電平兼容。但與5V CMOS的標(biāo)準(zhǔn)電平是不一樣的，所以不能直接與5V的CMOS標(biāo)準(zhǔn)器件相接。在這種情況下，可以采用雙電壓（一邊是3V供電，一邊是5V供電）供電的驅(qū)動(dòng)器，如TI的SN74ALVC164245、SN74LVC4245，或選用74HCT、74ACT系列的CMOS器件。

本設(shè)計(jì)為了降低成本和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，由單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)均由MC1413來(lái)驅(qū)動(dòng)放大，輸出直接驅(qū)動(dòng)光耦和繼電器。MC1413輸入低電平時(shí)斷路，輸入高電平時(shí)為達(dá)林頓輸出，電流較大，而電平為低，相當(dāng)于反向隔離驅(qū)動(dòng)放大器。RS485通訊電路則采用74HCT244（+5V供電）驅(qū)動(dòng)I/O口輸出。

2 云臺(tái)控制電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)云臺(tái)有俯仰、旋轉(zhuǎn)兩個(gè)單相交流電機(jī)，每個(gè)電機(jī)有兩個(gè)繞組，兩個(gè)繞組有一個(gè)公共端，兩個(gè)非公共端接移相電容。當(dāng)交流電壓從一個(gè)繞組接入時(shí)，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)交流電壓從另一個(gè)繞組接入時(shí)，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。單片機(jī)發(fā)出的云臺(tái)左右、上下運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)實(shí)際上是對(duì)云臺(tái)的交流電機(jī)的正以向控制。

圖2是用雙向可控硅的云臺(tái)控制單路電路圖。圖中的光耦MOC3041是用來(lái)隔離可控硅上的交流高壓和直流低壓控制信號(hào)的。其輸出用來(lái)觸發(fā)雙向可控硅，選用ST Microelectronics公司的T4系列，內(nèi)部集成有緩沖續(xù)流電路，不用在雙向可控硅兩端并聯(lián)RC吸收電路，可以直接觸發(fā)，電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。

3 鏡頭控制電路設(shè)計(jì)

變焦鏡頭有光圈、聚焦、變倍三個(gè)直流電機(jī)，三個(gè)電機(jī)有一個(gè)公共接地端，在非公共端加正、負(fù)電壓時(shí)電機(jī)正、反向旋轉(zhuǎn)。單片機(jī)發(fā)出的鏡頭控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)上是對(duì)鏡頭的直流電機(jī)的正向電壓控制。

直流伺服電機(jī)的正反向控制電路一般有H型（橋式）互補(bǔ)對(duì)稱式和T型互補(bǔ)對(duì)稱式兩種。其中，H型（橋式）互補(bǔ)對(duì)稱式兩路的集成芯片很多，例如UDN2952B，MB3863，L298等?？紤]到這類(lèi)芯片一般較貴，而且鏡頭的控制路數(shù)較多，為了降低成本，采用T型互補(bǔ)對(duì)稱式驅(qū)動(dòng)電路。

圖3為對(duì)針對(duì)單個(gè)電機(jī)的鏡頭控制電路。為了防止上下兩個(gè)FET功率管同時(shí)導(dǎo)通，采用4555雙四選一構(gòu)成硬件互鎖，值得注意的是4555由3.3V供電。鏡頭的電機(jī)電源與數(shù)字電路之間通過(guò)光耦隔離，以避免電機(jī)接通和斷開(kāi)時(shí)所造成的毛刺影響數(shù)字電路的工作。光耦隔離器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)FET功率管，后者直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。兩個(gè)FET管一個(gè)是P型溝道，另一個(gè)是N型溝道，形成互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。為了避免FET管因電壓尖峰而損壞，電路中采用了金屬氧化物壓敏電阻8作為瞬時(shí)吸收保護(hù)器。

4 通訊解碼電路軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路

解碼器與主控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送經(jīng)過(guò)RS485收發(fā)器MAX485，由單片機(jī)的TXD和RXD串行口發(fā)送和接收。解碼器的單片機(jī)有一個(gè)規(guī)定的地址碼，CPU不斷查尋RXD口數(shù)據(jù)，當(dāng)判別地址數(shù)據(jù)為本解碼對(duì)應(yīng)地址時(shí)，讀入操作數(shù)據(jù)，再判別是何種控制功能，發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。

圖4為RS485通訊接口電路。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性，MAX485為+5V單獨(dú)供電，采用高速光耦6N137與其他的電源完全隔離，不共地。由于傳輸線較長(zhǎng)且現(xiàn)場(chǎng)可能有電磁干擾，所以在傳輸線上并聯(lián)瞬變電壓抑制器TVSC，串聯(lián)熔斷器，傳輸線有屏蔽層的電纜。

4.2 通訊協(xié)議與指令結(jié)構(gòu)

監(jiān)控指令可以簡(jiǎn)單地分：視頻切換、音頻切換、電話會(huì)議、報(bào)警輸入、報(bào)警布撤防、緊急報(bào)警輸入、模擬采集、采集設(shè)置、請(qǐng)求讀入采集量、行動(dòng)輸出、遙控等11種指令類(lèi)型。這里僅介紹與云臺(tái)鏡頭控制有關(guān)的指令。

指令類(lèi)型5：（解碼器使用）

說(shuō)明：遙控指令，有2個(gè)字節(jié)參數(shù)

前1個(gè)字節(jié)表示狀態(tài)字；第99狀態(tài)表示遙控云臺(tái)、鏡頭。

其它狀態(tài)用戶自定義。

后一個(gè)字節(jié)，當(dāng)?shù)?9狀態(tài)（前1字節(jié)為99）時(shí)，高4位代表云臺(tái)動(dòng)作，低4位代表鏡頭動(dòng)作。

具體描述如下：

云臺(tái)動(dòng)作：

0不動(dòng)作 1向上運(yùn)動(dòng) 2向下運(yùn)動(dòng) 3向左運(yùn)動(dòng)

4向右運(yùn)動(dòng) 5左上方向 6左下運(yùn)動(dòng) 7右上方向

8右下方向 9自動(dòng)掃描

鏡頭狀態(tài)：

0鏡頭不動(dòng) 3光圈變大 6光圈變小

3景深不動(dòng) 2景深遠(yuǎn) 5景深變近

6焦距不變 1焦距變遠(yuǎn) 4焦距變近

發(fā)送中指令格式如下：aa,參數(shù)長(zhǎng)度，源，宿，類(lèi)型，參數(shù)……，校驗(yàn)和

除參數(shù)一部分可以是0～n個(gè)字節(jié)外，其它都為1個(gè)字節(jié)。aa為指令頭。參數(shù)長(zhǎng)度為參數(shù)部分的字節(jié)數(shù)（0～99），源為信源的地址編號(hào)，宿為信宿的地址編號(hào)。類(lèi)型為1個(gè)字節(jié)，分高4位與低4位兩部分，高4位表示傳遞雙方方式。

定義為：高4位為0是下行指令（計(jì)算機(jī)發(fā)給解碼器），高4位不為0是上行6指令（解碼器發(fā)給計(jì)算機(jī)），低4位就是前面介紹的指令類(lèi)型號(hào)。校驗(yàn)和為除幀頭以外的其余各字節(jié)之和與256的余數(shù)。

例：如主機(jī)發(fā)送控制命令給3#解碼器，命令格式如下：

云臺(tái)上 aa 02 00 03 05 99 10 xx

鏡頭焦距遠(yuǎn) aa 02 00 03 05 99 01 xx

其余類(lèi)推。

要解決總線上的沖突，保證指令的正確傳輸，需要一個(gè)好的通信協(xié)議。通信協(xié)議分兩個(gè)部分：一是發(fā)送前解決沖突問(wèn)題，二是發(fā)送時(shí)要保證發(fā)送的正確性。

（1）當(dāng)一方需要發(fā)送指令時(shí)，判斷信道上有沒(méi)有人在發(fā)指令。如果有，直到指令發(fā)送完再等待10ms；

（2）發(fā)一隨機(jī)數(shù)（一般為自己的帳號(hào)），再接收這個(gè)數(shù)，判斷是否正確。正確則表示無(wú)沖突發(fā)生，進(jìn)行下一步操作；不正確表示沖突發(fā)生，等待一隨機(jī)時(shí)間，轉(zhuǎn)到（1）。

（3）當(dāng)發(fā)送指令時(shí)為保證指令的正確性，須遵從以下協(xié)議；

發(fā)送方：發(fā)送后須等到確認(rèn)指令后才能把此指令從發(fā)送隊(duì)列里刪除。如果未收到確認(rèn)，則隔一段時(shí)間重發(fā)一次（時(shí)間間隔設(shè)定為10ms）；重發(fā)三次后，仍未收到確認(rèn)，則把此指令從隊(duì)列里刪除；同時(shí)，給出出錯(cuò)信息，當(dāng)發(fā)送方收到重發(fā)指令后，應(yīng)立即重發(fā)。但重發(fā)次數(shù)不能超過(guò)三次，超過(guò)三次后，也把指令刪除，同時(shí)給出信息。

接收方：當(dāng)收到正確指令時(shí)，應(yīng)馬上發(fā)回確認(rèn)指令；若接收錯(cuò)誤，應(yīng)馬上發(fā)回重發(fā)指令。

注意：凡是應(yīng)答指令，不應(yīng)放在發(fā)送隊(duì)列中，而是即時(shí)產(chǎn)生馬上發(fā)送出去，且不用遵循發(fā)送前的信道爭(zhēng)用協(xié)議，因?yàn)閰f(xié)議本身保證此時(shí)馬上發(fā)回會(huì)有任何沖突。

在設(shè)計(jì)無(wú)觸點(diǎn)云臺(tái)鏡頭通訊控制電路的過(guò)程中，充分考慮了電路的簡(jiǎn)易實(shí)用性，力求達(dá)到較高的性價(jià)比。目前該設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用到電視監(jiān)控系統(tǒng)中，取得了較好的實(shí)用效果。