趙金龍

(蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校 電子技術(shù)中心，江蘇 蘇州 215123)

引言

中國(guó)的安防行業(yè)起步較晚，上世紀(jì)70年代末在改革開(kāi)放初期出現(xiàn)"萌芽"。到上世紀(jì)90年代，隨著世界科技水平的不斷提高和我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速騰飛，中國(guó)安防行業(yè)以百米沖刺的速度跑步前進(jìn)。高速球攝像機(jī)俗稱(chēng)"快球"是安防視頻監(jiān)控"家族"中的一位新成員，要求擁有反應(yīng)快、預(yù)置跟蹤、報(bào)警聯(lián)動(dòng)等特點(diǎn),用原MCS51系列單片機(jī)已無(wú)法滿(mǎn)足其要求。本文旨在提出一種以ATmega128L為MCU,L6219DS為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的智能高速球攝像機(jī)的設(shè)計(jì)方案。該方案系統(tǒng)穩(wěn)定快速，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)精確，完全滿(mǎn)足行業(yè)要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega128L作為主控MCU。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如1所示。

圖1

監(jiān)控外設(shè)通過(guò)RS485接口實(shí)現(xiàn)對(duì)高速球攝像機(jī)的X方向360°轉(zhuǎn)動(dòng)、Y方向90°轉(zhuǎn)動(dòng)和攝像機(jī)變倍變焦等操作。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)高速球攝像機(jī)進(jìn)行自檢包括驅(qū)動(dòng)X方向電機(jī)通過(guò)同步輪帶動(dòng)高速球轉(zhuǎn)動(dòng)一周、Y方向電機(jī)俯仰一次以及攝像機(jī)變倍從近到遠(yuǎn)，自檢完成后等待RS485通訊命令，根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖2

系統(tǒng)包括主控MCU、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、RS485通訊、一體化攝像機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制協(xié)議選擇等幾部分。

2 ATmega128L的主要特點(diǎn)

ATmega128L內(nèi)核為AVR，具有以下特點(diǎn)：

*先進(jìn)的RISC架構(gòu)，內(nèi)部具有133條功能強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，而且大部分指令是單周期；32個(gè)8位通用工作寄存器+外圍接口控制寄存器。

*內(nèi)部有128KB在線(xiàn)可重復(fù)編程Flash、4KBEEPROM和4KB SRAM。

*有53個(gè)I/O引腳，每個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器，使功能口和I/O口可以復(fù)用，大大增強(qiáng)了端口功能和靈活性，提高了對(duì)外圍的開(kāi)發(fā)能力。

*內(nèi)部有2個(gè)8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和2個(gè)具有比較/捕捉寄存器的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；1個(gè)具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器；1個(gè)可編程看門(mén)狗定時(shí)器；2通道8位PWM通道；8路10位A/D轉(zhuǎn)換器；雙向I2C串行總線(xiàn)接口；主/從SPI串行接口；2個(gè)可編程串行通信接口；片內(nèi)精確的模擬比較器等。

*功耗低。CPU可工作在IDLE、POWERSAVE、POWERDOWN、STANDYBY等幾種省電模式下；可軟件編程選擇時(shí)鐘頻率。AT－mega128L的軟件結(jié)構(gòu)也是針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)的，具有內(nèi)外多種中斷模式。豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中查詢(xún)的需要，可以方便地設(shè)計(jì)出中斷程序結(jié)構(gòu)的控制程序、上電復(fù)位和可編程的低電壓檢測(cè)。

*帶JTAG接口。通過(guò)該口利用JTAG仿真器，可以很方便地實(shí)現(xiàn)程序的在線(xiàn)調(diào)試和仿真，編譯調(diào)試正確的代碼，通過(guò)JTAG口直接寫(xiě)入ATmega128的Flash代碼區(qū)中。另外，支持Bootloader功能，即MCU上電后，首先通過(guò)駐留在Flash中的BootLoader程序，將存儲(chǔ)在外部媒介中的應(yīng)用程序搬移到ATmega128L的Flash代碼區(qū)搬移成功后自動(dòng)去執(zhí)行代碼，完成自啟動(dòng)。這對(duì)于產(chǎn)品化后程序的升級(jí)和維護(hù)提供了極大的方便。

*電源電壓為2.7～5.5V。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的各個(gè)接口模塊

3.1 MCU與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的接口設(shè)計(jì)

圖3

圖4

圖5

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇L6219DS驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。L6219DS是雙全橋PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以持續(xù)輸出750mA電流，具有內(nèi)部嵌位二極管、內(nèi)部PWM電流控制、低輸出飽和電壓、內(nèi)部熱關(guān)斷電路等特性。在本系統(tǒng)中用兩個(gè)L6219DS驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極步進(jìn)電機(jī)繞組。MCU與L6219DS的接口電路如圖2所示。MCU的四個(gè)I/O口線(xiàn)控制一個(gè)L6219DS，通過(guò)編程控制輸出電流大小和電流流過(guò)電機(jī)繞組的方向，達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的。

3.2 RS485通訊接口

智能高速球型攝像機(jī)安裝地一般離控制室比較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的RS232通訊傳輸距離只能達(dá)到30米左右不能遠(yuǎn)距離傳輸。RS485與RS232不一樣，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，也稱(chēng)作平衡傳輸，它使用一對(duì)雙絞線(xiàn)，將其中一線(xiàn)定義為A，另一線(xiàn)定義為B，傳輸距離可達(dá)1千米以上。RS485通訊與MCU接口如圖3。

系統(tǒng)采用7LB184芯片作為RS485通訊解碼芯片，RO、DI引腳分別與 MCU的 RXD1、TXD1相連，接收發(fā)送使能引腳都和MCU的PG1腳連接。在本系統(tǒng)中將PG1置低即可進(jìn)入通訊接收狀態(tài)。

3.3 其他模塊接口

一體化攝像機(jī)與本系統(tǒng)是通過(guò)UART串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的，將MCU的TXD0、RXD0和一體化攝像機(jī)接口相連即可。通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)的改變即可選擇不同的RS485通訊協(xié)議。他們與MCU的接口如圖4。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中主要通過(guò)RS485通訊接收監(jiān)控外設(shè)發(fā)來(lái)的命令，命令類(lèi)型主要有控制智能高速球攝像機(jī)向左、向右、向上、向下運(yùn)動(dòng)以及攝像機(jī)的焦距的改變等。軟件設(shè)計(jì)中采用中斷方式接收串口數(shù)據(jù)，且設(shè)置該中斷的優(yōu)先級(jí)最高，保證接收的數(shù)據(jù)不會(huì)丟碼。系統(tǒng)采用細(xì)分的方式驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，定位精確。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了基于A(yíng)Tmega128L的智能高速球攝像機(jī)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊接口作了簡(jiǎn)要的描述，并提出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體思想。以上軟硬件設(shè)計(jì)思想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。該產(chǎn)品功能強(qiáng)，性能穩(wěn)定可靠，已經(jīng)得到用戶(hù)的認(rèn)可。

[1]劉蘭香、張秋生著.Atmega128單片機(jī)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)實(shí)例[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006.6.1

[2]王鴻鈺著.步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)入門(mén) [M].同濟(jì)大學(xué)出版社,1990