莊志紅，伍 峰

ZHUANG Zhi-hong1, WU Feng2

（1. 常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，常州 213002；2. 常州神采電子有限公司，常州 213002）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，安防監(jiān)控市場(chǎng)逐年旺盛，巨大的應(yīng)用市場(chǎng)、產(chǎn)品豐厚的利潤(rùn)，吸引著許多企業(yè)涉足這一領(lǐng)域，隨之競(jìng)爭(zhēng)也更激烈。球機(jī)作為安防監(jiān)控系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，不但要求性能可靠性、功能完善，更要求使用方便、靈活，成本低廉。

1 球機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以LPC2132作為控制核心，通過(guò)485總線接收上位機(jī)（如：硬盤錄像機(jī)、鍵盤等）所發(fā)出的操作命令，根據(jù)協(xié)議（如PelcoD協(xié)議、P協(xié)議等）對(duì)此進(jìn)行解碼分析，主要實(shí)現(xiàn)兩大類功能：一是控制兩只步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)球機(jī)實(shí)現(xiàn)左右360°無(wú)限位旋轉(zhuǎn)和上下90°轉(zhuǎn)動(dòng)；通過(guò)協(xié)動(dòng)兩只電機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行全方位監(jiān)控；另一是視頻信號(hào)和鏡頭動(dòng)作控制，根據(jù)要求疊加適當(dāng)?shù)淖址?、?dòng)態(tài)反映現(xiàn)場(chǎng)信息，鏡頭的FAR/NEAR、OPEN/CLOSE、WIDE/TELE等功能控制。

系統(tǒng)中鐵電存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)協(xié)議信息(包括通信協(xié)議、攝像機(jī)控制協(xié)議)、預(yù)置點(diǎn)信息、軌跡信息等等，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的軌跡巡航、自學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)等。為了使得系統(tǒng)夏天冬季、室內(nèi)室外都能正常工作，系統(tǒng)中采用溫度傳感器感知攝像機(jī)工作環(huán)境溫度，通示控制風(fēng)扇、加熱器實(shí)現(xiàn)恒溫控制，使球機(jī)更具適應(yīng)性、可靠性。此外，系統(tǒng)接受雙鑒探頭所發(fā)出的報(bào)警信號(hào)，控制聲光機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)運(yùn)功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ARM7微控器LPC2132

LPC2132是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，片內(nèi)Boot裝載軟件可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)/在應(yīng)用中編程（ISP/IAP）[1]；借助EasyJTAG仿真器，在ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，可實(shí)現(xiàn)程序固化、仿真等功能，研發(fā)成本非常低廉。

LPC2132帶有64KB高速Flash存儲(chǔ)器、16KB的靜態(tài)RAM、1個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)10位D/A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的UART、2個(gè)高速I2C 接口及SPITM和SSP串行接口、2個(gè)32 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、通過(guò)片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最高達(dá)60MHz的CPU操作頻率，這些優(yōu)異性能對(duì)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，鋪墊了良好條件。

由于球機(jī)一方面通過(guò)串行口與上位機(jī)通信，接受上位機(jī)所發(fā)出的各種命令、實(shí)現(xiàn)相關(guān)動(dòng)作；另一方面借助串行口，完成對(duì)攝像機(jī)的鏡頭、圖像等控制；所以LPC2132雙串口性能正好滿足系統(tǒng)控制要求。

2.2 字符疊加芯片MB90092

安防監(jiān)控場(chǎng)合一般是由一個(gè)主機(jī) (監(jiān)控室)和眾多球機(jī) (監(jiān)視點(diǎn))構(gòu)成的分布式系統(tǒng)，球機(jī)參數(shù)經(jīng)常要根據(jù)控制場(chǎng)合、對(duì)象等要求進(jìn)行修改，而球機(jī)一般安裝在高處或隱蔽處，參數(shù)修改只能通過(guò)遠(yuǎn)程操作來(lái)完成。在視頻信號(hào)中疊加菜單、通過(guò)菜單修改參數(shù)是工程中最方便、最實(shí)用的方案。

MB90092是日本富士通公司推出的一款字符疊加芯片，內(nèi)部集成了顯示內(nèi)存（VRAM）、外掛字庫(kù)接口和視頻信號(hào)發(fā)生器，外部只需連接少量的元件就可以顯示漢字和圖形[3]，其主要性能有：雙屏顯示功能，主屏和子屏可單獨(dú)或重疊顯示；顯示容量：24字符×12行、多種模式字符，三線接口實(shí)現(xiàn)與外部控制系統(tǒng)通信，等等。

利用MB90092最多可實(shí)現(xiàn)顯示288個(gè)字符，可設(shè)計(jì)出顯示信息量較豐富的菜單，利用此菜單完成球機(jī)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置，具體參數(shù)包括：1）攝像機(jī)參數(shù)：圖像色彩、凍結(jié)、鏡像，幀累積功能、背光補(bǔ)償、低照度，光圈、變倍、對(duì)焦，亮度、銳度、白平衡等等；2）預(yù)置點(diǎn)參數(shù)：監(jiān)控點(diǎn)位置（左右、上下）、攝像機(jī)ZOOM值、位置點(diǎn)特征標(biāo)題等；3）隱私遮蔽參數(shù)：區(qū)域、大小、色彩、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等；4）軌跡參數(shù)：預(yù)置點(diǎn)號(hào)、速度、停留時(shí)間等；5）巡航參數(shù)：起點(diǎn)、終點(diǎn)、速度、時(shí)間等；6）報(bào)警參數(shù)；7）溫控參數(shù)；8）其他參數(shù)：口令、制式、顯示語(yǔ)言、ID等等。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片A3980

高速球系統(tǒng)中所選用的攝像機(jī)一般是性能較強(qiáng)的一體化攝像機(jī)，不僅有光學(xué)變焦還有數(shù)碼變焦能力，如一款SONY FCB-EX480CP機(jī)芯，其18倍光學(xué)和12倍數(shù)碼變焦，可實(shí)現(xiàn)將監(jiān)控對(duì)象放大216倍(即18*12),所以球機(jī)系統(tǒng)實(shí)際上是定位要求非常高的系統(tǒng)，定位稍有偏差，圖像就會(huì)“跑出”監(jiān)視器。

A3980是Allegro公司推出的一款內(nèi)置功率驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,它可以整步、半步、1/8步和1/16步等四種工作模式來(lái)控制雙極性步進(jìn)電機(jī)，且具有帶遲滯作用的熱關(guān)斷、過(guò)壓關(guān)斷、低電壓關(guān)斷和交叉電流保護(hù)等內(nèi)部保護(hù)電路，芯片最高可達(dá)1A/35V驅(qū)動(dòng)能力[6]。

A3980四個(gè)輸出腳可直接接到步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)電極，設(shè)置MS1、MS2二引腳狀態(tài)，最高可實(shí)現(xiàn)16細(xì)分；只要控制方向腳DIR和脈沖腳STEP，就可實(shí)現(xiàn)利用A3980完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，使用非常方便, 如圖2所示。借助細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式，并結(jié)合系統(tǒng)齒輪和同步帶減速，可以實(shí)現(xiàn)非常高的定位精度。

圖2 電機(jī)控制原理圖

2.4 其他電路

FM24CL64是一引腳與AT24C64完全兼容的鐵電存儲(chǔ)器，其不但具有一般E2PROM的優(yōu)點(diǎn)，更主要是寫入后無(wú)需延時(shí)等待（一般E2PROM寫入后要延時(shí)幾ms才能繼續(xù)寫入下一頁(yè)），可大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性。

數(shù)字溫度傳感器、風(fēng)扇、加熱器組成一套恒溫控制系統(tǒng)，使得球機(jī)無(wú)論夏天在室外，還是北方的冬天，攝像機(jī)都可工作在較合適的溫度環(huán)境，這樣不但提高系統(tǒng)的可靠性，還延長(zhǎng)了使用壽命。

3 控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、Windows CE、uC/OS-II等，其中uC/OS-II是一個(gè)可移植、可固化、可裁剪的占先式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[5]，相對(duì)其它操作系統(tǒng)而言，uC/OS-II正常運(yùn)行只需十幾或幾十KB的Flash空間和SRAM空間，并且其所需的授權(quán)費(fèi)用也相對(duì)較低。

ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是ARM公司推出的ARM核控制器集成開(kāi)發(fā)工具，ADS1.2是目前公認(rèn)較成熟的版本，它支持軟件調(diào)試和JTAG硬件仿真，支持C和C++源程序。

3.2 MB90092控制

MB90092共有13種指令和2種保留指令，每條指令都由兩個(gè)字節(jié)組成，其中第一個(gè)字節(jié)的高5位是命令碼，其余位和第二字節(jié)是數(shù)據(jù)。圖3所示是MB90092的接口時(shí)序圖。當(dāng) 引腳為低電平時(shí)，MB90092在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿從最低位開(kāi)始由SIN引腳一位一位讀取數(shù)據(jù)；讀完一個(gè)字節(jié)后， 和SCLK引腳置為高電平， 然后 引腳變?yōu)榈碗娖?并開(kāi)始讀取下一個(gè)字節(jié)；為了保持字節(jié)同步，在開(kāi)始傳輸串行數(shù)據(jù)之前， 引腳應(yīng)先置為高電平，然后再置為低電平。另外，除剛上電時(shí)外，在串行數(shù)據(jù)傳輸之前，SCLK引腳應(yīng)強(qiáng)制設(shè)為高電平。

圖3 MB90092接口時(shí)序圖

3.3 電機(jī)控制

為了提高控制精度，本系統(tǒng)選用的是16細(xì)分工作模式，即將A3980 的MS1、MS2引腳接高電平。步進(jìn)電機(jī)最大相電流Imax由基準(zhǔn)電壓Vref和取樣電阻Rs決定：Imax=Vref/(8×Rs)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)實(shí)際相電流波形和每拍時(shí)電流值（占最大值Imax的百分比）如圖4所示。

步進(jìn)電機(jī)的位置由CPU向A3980 的STEP腳發(fā)出的脈沖總數(shù)決定；進(jìn)退通過(guò)DIR控制；轉(zhuǎn)速由LPC2132中的定時(shí)器控制。通過(guò)對(duì)三個(gè)參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確定位。

圖4 相電流波紋形及百分比

3.4 uC/OS-II在LPC2132的移植

系統(tǒng)移植建立在廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司所提供的專用工程模板[4]：ARM Image for uC/OS-II for ARM2131基礎(chǔ)上,該模板包括以下幾個(gè)文件組：scf文件組、*.h文件組、arm文件組、target文件組、uC/OS文件組和用戶文件組：

scf文件組包含：mem_a.scf、mem_b.scf和mem_c.scf，為分散加載描述文件，實(shí)現(xiàn)ADS的分散加載機(jī)制。

*.h文件組包含：OS_CFG.H、INCLUDES.H、uCOS_II.H、config.h、target.h、os_cpu.h、LPC2294等頭文件,用于定制操作系統(tǒng)、宏定義、文件包含操作等。

arm文件組包含：os_cpu_a.s、os_cpu_c.c，為uC/OS-II在LPC2132上的移植代碼，包括任務(wù)堆棧初始化代碼、鉤子函數(shù)、軟中斷服務(wù)函數(shù)。

target文件組包含：target.c、IRQ.s、Startup.s文件，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)代碼、中斷句柄、啟動(dòng)代碼定義。

uC/OS文件組包含uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的全部文件，用戶可以據(jù)實(shí)進(jìn)行剪裁。

用戶文件組為包含主函數(shù)文件main.c在內(nèi)的用戶所編寫的源文件。

“任務(wù)劃分”是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響軟件設(shè)計(jì)的質(zhì)量[2]。本系統(tǒng)任務(wù)包括：與上位通信和解碼任務(wù)void TaskCPU(void*pdata)、攝像機(jī)控制任務(wù)void TaskCamera(void*pdata)、定時(shí)器速度和電機(jī)位置控制任務(wù)void TaskMotor(void *pdata)、菜單系統(tǒng)任務(wù)void TaskMenu(void *pdata)、溫度采樣任務(wù)與控制任務(wù)void TaskTemp(void *pdata)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)void TaskEEPROM(void *pdata)等。利用main()函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，創(chuàng)建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)讀取有關(guān)參數(shù)，調(diào)用啟動(dòng)函數(shù)OSStart()啟動(dòng)相關(guān)任務(wù)執(zhí)行。

表1 球機(jī)運(yùn)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

4 系統(tǒng)調(diào)試

按照先主后次、先易后難原則，調(diào)試采用以模組為單位分組進(jìn)行，參數(shù)調(diào)試采用先固定再可變、通信采用先模擬再在線等方法，分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制、攝像機(jī)通信、上位機(jī)通信、菜單系統(tǒng)及溫控、報(bào)警聯(lián)動(dòng)等功能，表1為球機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有助于提高系統(tǒng)可靠性和開(kāi)發(fā)效率，且能夠充分發(fā)揮32位CPU的多任務(wù)處理能力，處理器嵌入操作系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)也成必然趨勢(shì)?；贚PC2132所設(shè)計(jì)球機(jī)，已成為常州神采電子有限公司的主打產(chǎn)品，其優(yōu)良性能得到眾多用戶的認(rèn)可。

[1]周立功,等.深入淺出ARM7—LPC213X/214X[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[2]周航慈,等.基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[3]陳炳煌.基于MB90092的視頻字符疊加技術(shù)[J].單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008.

[4]吳振謙.μC／OS-II在LPC213X上的多種移植方案[J].單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007.10.

[5]Jean.Labrosse.MicroC/OS-II The Real-Time Kernel,Second Edition[M].Published by CMP Books,CMP Media LLC,2002.

[6]A3980 Automotive DMOS Microstepping Driver with Translator Datasheet[Z].Allegro Micro Systems,Inc.