基于LPC2138的紅外攝像機系統(tǒng)

現(xiàn)行普通攝像機在得到視頻信號后，經(jīng)LM1881提取水平和同步信號并送入字符疊加芯片UPD6453GT。UPD6453GT產(chǎn)生的字符信號與視頻信號一起送到NJM2264D疊加，就可以形成疊加了字符的視頻信號。根據(jù)需求，只可以實現(xiàn)中文字符和英文字符的疊加。本文介紹的是一種基于LPC2138 ARM7作為MCU 來實現(xiàn)一款紅外攝像機的方案，能實現(xiàn)視頻信號的水平/垂直分離、字符疊加，還介紹了各芯片的功能及云臺等方面的內(nèi)容。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
基于LPC2138 ARM7實現(xiàn)的紅外攝像機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1，其主要硬件包括LPC2138 LM1881、UPD6453、JNM2266、A3967等。

LPC2138是PHILIPS公司的一款32/16位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并帶有512 KB的嵌入高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行；多個串行接口，包括2個標準UART、2個高速I2C接口；9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳，通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率。CPU操作電壓范圍為3.0~3.6 V(3.3 V±10%)，I/O口可承受5 V的最大電壓。
LPC2138電路圖如圖2所示，主要實現(xiàn)以下功能：

(1)使用LPC2138的兩個串口，可以用一個串口與上位機通信，另一個與攝像機通信。所有上位機發(fā)送的協(xié)議命令先經(jīng)LPC2138解析后，控制云臺或直接發(fā)往攝像機。
(2)利用兩個I2C口擴展兩片EEPROM，一片用于存儲漢字的點陣碼，用于疊加漢字字符；另一片用于存儲用戶的設(shè)置信息，如看守位、預(yù)置位、巡視組數(shù)據(jù)等。
(3)利用LPC2138一個外部中斷，檢測步進電機的過零點，用于初始化時的自學習和運行時的位置顯示校正。
(4)利用LPC2138的PWM功能發(fā)送脈沖，驅(qū)動A3967/A3977等步進電機的驅(qū)動芯片。LPC2138的PWM容易控制，可以根據(jù)速度設(shè)定編寫PWM的發(fā)出脈沖。
(5)利用LPC2138的實時時鐘實現(xiàn)日歷功能，并將時間顯示在CRT上。還可以利用LPC2138的時鐘中斷功能控制攝像機的運行。
(6)需要使用一個光偶檢測攝像機是否過零點，此信號還需經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后作為LPC2138的外部中斷。
LM1881可以將復(fù)合視頻信號中的垂直同步信號和水平同步信號分離出來。分離出來的信號輸入到UPD6453GT，作為字符信號的同步信號。具體電路如圖3所示。

UPD6453是NEC公司推出的專用字符疊加芯片，它的主要特點是顯示編輯功能強，可以在屏幕上顯示12行24列的字符，每個字符為12×18點陣，字符的大小、閃爍頻率可以根據(jù)需要進行調(diào)整，同時為了達到顯示的多樣性，屏幕的背景色、字符的邊緣色以及字符本身的顏色也可以進行修改。UPD6453內(nèi)部不但提供240 B的字模，而且還提供16 B的RAM空間以供用戶填入自定義字符，這就為漢字顯示提供了可能。UPD6453字節(jié)的背景色、邊緣色以及字符本身的背景色均有7種，在顏色控制上，為用戶提供了更多的選擇。圖4為UPD6453電路圖。控制命令主要有：

(1)顯示控制:確定是否允許顯示字符、字符的閃爍頻率，及控制LC振蕩的停振和起振。
(2)背景控制：確定背景的類型(無背景、字符邊緣背景、字符塊背景、全屏幕背景)。
(3)背景顏色控制：確定背景的顏色(有7種顏色選擇)。
(4)視頻 RAM復(fù)位：此時晶振起振，視頻RAM寫模式，字符的顏色、大小等為默認設(shè)置。
(5)顯示塊位置控制：用來確定12行24列的字符顯示塊離屏幕最上端、最左端的距離。
(6)顯示字符行、列地址控制：確定字符在12行24列的顯示塊中的行列位置。
(7)字符大小、平滑控制：確定每一行字符的顯示大小，以及用多倍顯示時是否采用字符的平滑措施。
(8)字符RAM寫地址控制：UPD6453內(nèi)部提供16個字符的RAM空間，每個字符為12×18點陣。該命令用來確定將點陣數(shù)據(jù)寫入RAM空間中第幾個字的第幾行(一共18行)，寫完一行，行地址自動加1，寫完一個字，字地址自動加1。
(9)字符RAM寫數(shù)據(jù)控制：確定需要寫入RAM空間的一行12個點的點陣數(shù)據(jù)。
(10)顯示字符控制：確定芯片UPD6453的256個字符(包括固化的240個字符以及16個自定義字符)中哪個字符送出顯示，以及該字符的顯示顏色和是否閃爍。
NJC2266是使用4.75~13 V電壓的高性能視頻開關(guān)；內(nèi)部6 dB放大器電路；3輸入，1輸出；內(nèi)部灌入芯片箝位功能(VIN1)，可以輸入視頻信號；內(nèi)部亮度信號控制功能(VIN2，VIN3)，用來連接兩個電位器控制，分別控制字符邊框和字符的亮度。具體的電路圖如圖5所示。

A3967采用Allegro公司的A3967SLB芯片。該芯片驅(qū)動能力可達30 V、±750 mA，它適合雙極步進電機使用，與需要L298拖動的L297芯片相比，實現(xiàn)更方便。若負載更大，則可選用3977，其驅(qū)動能力為30 V、±2.5 A。A3967/A3977電路圖如圖6所示。A3967SLB驅(qū)動步進電機可以達到8細分驅(qū)動，這款24引線的SOIC，采用該公司EasyStepper接口，將8條控制線路減少為2條(步長和方向)，其內(nèi)嵌的轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)對步進電機的控制，只要簡單地輸入控制電機的脈沖即可，不需要環(huán)形分配器、復(fù)雜的相變編程和高頻控制。A3967SLB的內(nèi)部電路保護，包括利用磁滯的過熱停止保護、低電壓鎖定和過流保護，也不需外接功率驅(qū)動部分。A3967SLB還具有混合、快速和慢速電流衰減模式選擇，內(nèi)置PWM電流控制，同步整流，低輸出阻抗的 DMOS電源輸出。這種驅(qū)動方式設(shè)計簡單，調(diào)試方便，運行可靠，對硬件要求較低。A3967內(nèi)部的PWM電流控制：每一個H橋都有一個固定截止時間的PWM電流控制電路，從而將負載電流限制在一個最高值之內(nèi)。開始進行工作時，對角線上的一對源接受DMOS處于輸出狀態(tài)，電流流經(jīng)電機繞組和SENCE腳所接的電流取樣電阻。當取樣電阻上的壓降等于D/A的輸出電壓時，電流取樣比較器將PWM鎖存器復(fù)位，從而關(guān)閉源驅(qū)動器(上橋)進入慢衰減模式；或同時關(guān)閉源接受驅(qū)動器(下橋)進入快衰減模式；或者混合模式，使之產(chǎn)生環(huán)流或電流回流至源端。該環(huán)流(回流)將持續(xù)衰減到截止時間為止，然后，產(chǎn)生下一次的PWM循環(huán)。另外，在給A3967/3977布線時，必須考慮地平面和電阻Rs的布線。

恒流大功率紅外燈的驅(qū)動設(shè)計OCP2030是一款BUCK型DC-DC；具有2％的反饋電壓精度；輸入電壓較寬，最高可達20 V；最大3 A的電流，很容易實現(xiàn)5 W的LED驅(qū)動。SOP8封裝；圖7中R的選擇原則是：要求是大功率電阻，如0.5 W或1 W，封裝形式是2012或更大。

如果不能滿足要求，還可以采用多個小功率的LED并聯(lián)。為滿足紅外攝像機黑白轉(zhuǎn)換，可以用OCP2030的4腳即FB來控制整個芯片的運行。LED中流過的電流為：
Iled=0.5 V/R(A)
如R選0.68 Ω，Iled=0.7 A
2 軟件設(shè)計
軟件的設(shè)計應(yīng)該基于模塊式設(shè)計，以便以后擴充功能，增加攝像機的控制協(xié)議。同時應(yīng)該考慮CPU的時鐘頻率。步進電機的驅(qū)動以及顯示，通信控制等都需要及時處理。
本文介紹了一款紅外攝像機的方案和電路圖，在此基礎(chǔ)上可以擴充其功能，添加不同的模塊，如更換MCU實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機等。