??? 摘? 要: 傳統(tǒng)的電視監(jiān)控譯碼器通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)來(lái)控制云臺(tái)和鏡頭,設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F149單片機(jī)的無(wú)觸點(diǎn)云臺(tái)鏡頭通訊控制電路,具有低功耗、可靠性高等特點(diǎn)。?
??? 關(guān)鍵詞: 閉路監(jiān)控? 云臺(tái)鏡頭控制? MSP430微控制器
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??? 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。?
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??? 為了降低系統(tǒng)成本,傳統(tǒng)的解碼器一般用簡(jiǎn)單邏輯去控制電磁繼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(帶看門狗功能)、速度很高的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)的正反向控制。?
??? 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。?
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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)際上是對(duì)鏡頭的直流電機(jī)的正反電壓控制。?
??? 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)稱式電路的集成芯片很多,例如UDN-2952B,MB3863,L298等。考慮到這類芯片一般較貴,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。?
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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)為本解碼器對(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,傳輸線用有屏蔽層的電纜。?
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4.2 通信協(xié)議與指令結(jié)構(gòu)?
??? 監(jiān)控指令可以簡(jiǎn)單地分為: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種指令類型。這里僅介紹與云臺(tái)鏡頭控制有關(guān)的指令。?
??? 指令類型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;若仍無(wú)發(fā)送者,則進(jìn)行下一步判斷,否則轉(zhuǎn)(1)。?
??? (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)回不會(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。?
參考文獻(xiàn)?
1 MSP430X14X Data Sheet Texas Instruments Incorporated.2000;6修訂版?
2 孫涵芳. Intel 16位單片機(jī).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1995;11?
3 中國(guó)廣播電視設(shè)備工業(yè)協(xié)會(huì)應(yīng)用電視專業(yè)協(xié)會(huì).應(yīng)用電視——設(shè)備原理與工程實(shí)踐.北京:電子工業(yè)出版社,1992;1