動力試驗車圖像無線傳輸控制系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用

0 引 言

長期以來，我國鐵路各大機務(wù)段對電力機車進行動力學(xué)實驗時，一般是將被測試機車上的視頻信號以及狀態(tài)信號通過有線電纜傳輸?shù)絼恿υ囼炣嚿??？紤]到機車現(xiàn)場環(huán)境的特殊性，有線電纜傳輸方式使用不便且易損壞，本系統(tǒng)就是針對這種情況而開發(fā)的，采用無線傳輸方式實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能，其使用方便、性能可靠，在很大程度上提高了牽引實驗的工作效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)通過無線圖像音頻傳輸模塊將機車司機室攝像機拍攝的圖像信息傳送到試驗車端顯示器，以及實現(xiàn)兩端語音傳輸。通過開關(guān)量采集模塊采集試驗車端云臺控制器發(fā)出的控制指令，采用點對點的無線通信方式，將采集來的數(shù)據(jù)按GFSK調(diào)制方式通過無線數(shù)傳模塊調(diào)制成微波信號發(fā)送；接收端無線數(shù)傳模塊接收到數(shù)據(jù)后，由開關(guān)量接收與驅(qū)動模塊給出攝像機與云臺控制指令，以對司機室攝像機和云臺進行遠程無線操作，讓試驗車上工作人員觀察到機車司機室和機車前方路況的清晰圖像。

硬件系統(tǒng)由無線圖像音頻傳輸系統(tǒng)、攝像頭與云臺無線控制系統(tǒng)組成，包括無線圖像音頻發(fā)射模塊、無線圖像音頻接收模塊、云臺控制器無線發(fā)射模塊、云臺控制器無線接收與驅(qū)動模塊、攝像機與云臺、顯示器以及相關(guān)電源模塊，如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 無線圖像音頻傳輸系統(tǒng)

采用2.4 GHz無線圖像音頻傳送器，該傳送器利用微波無線電傳輸技術(shù)，可靠傳輸距離可達1 000 m。具有良好的微波抗干擾性能，載波頻率達2.4 GHz，有效地避免了900 MHz等頻段擁擠不堪的無線電話信號和其他電磁干擾信號，也避免了本系統(tǒng)對其他無線通信設(shè)備的干擾。同時具有優(yōu)良的視／音頻接收品質(zhì)，采用性能優(yōu)越的調(diào)頻方式，具有寬頻特性，且信噪比高。

2.2 攝像機與顯示器

采用具有22X光學(xué)變焦鏡頭和數(shù)碼變焦IC，以及多達220X的變焦監(jiān)視能力。具有低光監(jiān)視、白平衡、背光補償以及自動聚焦等功能，可拍攝到高清晰遠距離的視頻圖像，滿足機車現(xiàn)場環(huán)境的需要。顯示器采用普通彩色電視機。

2.3 攝像頭與云臺無線控制系統(tǒng)

2.3.1 開關(guān)量采集模塊

由位于試驗車的云臺控制器產(chǎn)生11路開關(guān)量控制信號，分別為：攝像機變焦小、變焦大，聚焦近、聚焦遠，光圈開、光圈關(guān)，云臺上、下、左、右，自動掃描。微處理器采用ATMEL公司的AT89C52，AT89C52與MCS-51系列單片機完全兼容，采用靜態(tài)時鐘方式，耗電量低。內(nèi)部含有8KB Flash存貯器，可以方便地利用編程器對其進行編程和擦除操作。

AT89C52的資源分配為：P0口采集攝像機控制信號，P1口用于看門狗電路和指示燈控制，P2口采集云臺控制信號。串口TXD和RXD通過MAX485芯片與無線數(shù)傳模塊相連。P0口和P2口分別通過2個9腳1 kΩ排電阻將其電平可靠上拉。系統(tǒng)時鐘頻率為11.059 2 MHz。按鍵按下時低電平“0”有效，無按鍵按下時P0口和P2口的狀態(tài)都為"0xFF”，如圖2所示。

2.3.2 開關(guān)量接收與驅(qū)動模塊

本模塊微處理器同樣采用AT89C52，通過AT89C52的串口接收無線數(shù)傳模塊發(fā)來的控制指令數(shù)據(jù)，將其解碼后輸出到P0口和P2口，再通過74LS04反向輸出到繼電器驅(qū)動芯片ULN2803，ULN2803將數(shù)據(jù)再反向后輸出到DC5V繼電器線圈，如圖3所示。圖3中只畫出前4路信號，D10到D13為AT89C52輸出數(shù)據(jù)，通過DO0到DO3控制繼電器線圈得失電，以接通或關(guān)斷AC24V云臺控制電源和DC±5 V攝像機控制電源。將ULN2803的輸入輸出腳兩兩并聯(lián)起來，以提高負載驅(qū)動能力。

為防止攝像機與云臺的控制電機同時施加反向電壓而造成電機損壞的事故，對于相關(guān)繼電器進行了互鎖處理。

2.4 無線通信模塊

采用STR-15低功率無線數(shù)傳模塊，最大發(fā)射功率為500 mW，載波頻率433 MHz，基于GFSK調(diào)制方式。采用高效前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾能力，在信道誤碼率為10-3時，可得到實際誤碼率10-5～10-6。提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標準或非標準的用戶協(xié)議。提供2個串口、3種接口方式，COM1為TTL電平UART接口，COM2由用戶自定義為標準RS232／RS485口。STR-15的結(jié)構(gòu)組成原理如圖4所示。

STR-15可靠傳輸距離達200 m，完全滿足試驗車與機車之間的距離要求。

2.5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

電力機車上各種電磁干擾十分嚴重，必須著重考慮系統(tǒng)的抗干擾性能。

2.5.1 看門狗電路的設(shè)計

采用Xicor公司X25045芯片，它將EEPROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控3種功能組合在單個芯片內(nèi)，簡化了硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾，程序“跑飛”時，看門狗定時器在預(yù)置時間內(nèi)沒有總線活動，則X25045從RESET輸出一個高電平信號，使AT89C52復(fù)位。看門狗電路原理圖如圖5所示。

2.5.2 無線通信可靠性設(shè)計

RS485是一種平衡差分驅(qū)動，半雙工的串行通信接口標準，具有傳輸距離遠、抗干擾性強等優(yōu)點。系統(tǒng)中配置了MAX485進行TTL電平和RS485電平的轉(zhuǎn)換，使AT89C52與STR-15之間進行可靠的通信?？紤]到車內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，采用阻抗匹配的外置天線，將其安裝在車廂外，確保無線傳輸?shù)目煽坑行А?/P>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用查詢式算法，采集發(fā)送程序和接收驅(qū)動程序都是循環(huán)執(zhí)行的?？刂浦噶顢?shù)據(jù)幀格式如表1所示，將鏡頭控制數(shù)據(jù)，云臺控制數(shù)據(jù)以及校驗和3個字節(jié)作為1幀數(shù)據(jù)進行發(fā)送。

AT89C52串口波特率初始化為19 200 bps，與STR-15波特率相匹配，選用較快的波特率可以保證操縱鏡頭和云臺動作的時效性，操作時不會產(chǎn)生較明顯的延遲感。系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。程序中包括了對開關(guān)量的消抖處理、通信握手、數(shù)據(jù)校驗等環(huán)節(jié)。

4 結(jié) 論

本文從硬件和軟件2個方面對該系統(tǒng)進行了介紹，對于系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)進行了詳細論述。由于采用了切實有效的抗干擾措施，在該系統(tǒng)投入成都鐵路局現(xiàn)場運行之后，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)運行狀況良好。該系統(tǒng)也具有一定的推廣性，可用于其他無線監(jiān)控場合，如銀行、社區(qū)監(jiān)控等。