呂瑞云,周 磊,趙艷麗

河南中光學(xué)集團(tuán)研發(fā)中心,河南南陽(yáng) 473006

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端設(shè)備、后端設(shè)備、通信傳輸系統(tǒng)等組成。其中前端設(shè)備包括一臺(tái)或多臺(tái)攝像機(jī)以及與之配套的鏡頭、云臺(tái)、解碼器等；傳輸部分包括電纜或光纜，以及可能的有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)信號(hào)調(diào)制解調(diào)設(shè)備；控制部分主要包括視頻切換器、云臺(tái)控制器、鏡頭控制器、操作鍵盤(pán)、種類(lèi)控制通信接口、電源和與之配套的控制臺(tái)、監(jiān)視器機(jī)柜等；顯示記錄設(shè)備主要包括監(jiān)視器、硬盤(pán)錄像機(jī)、畫(huà)面分割器等。鏡頭控制部分的主要功能是對(duì)鏡頭的變焦、聚焦、光圈進(jìn)行控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多功能鏡頭控制器通過(guò)串行通信方式接收上位機(jī)的控制命令，對(duì)電動(dòng)三可變鏡頭的變焦、聚焦、光圈電機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)輸出脈寬可連續(xù)可調(diào)的PWM信號(hào)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，達(dá)到控制電機(jī)速度的連續(xù)可調(diào)。變焦電位器輸出連接到單片機(jī)的模擬輸入端AIN，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后通過(guò)串口將焦距值傳送給上位機(jī)。

多功能鏡頭控制器主要由電源電路、通訊電路、溫度采集電路、光學(xué)預(yù)置位電路、開(kāi)關(guān)量控制電路、鏡頭控制電路等六部分組成。

1.1 單片機(jī)C8051F005介紹

C8051F系列單片機(jī)是Cygnal公司出品的高速單片機(jī)，它既彌補(bǔ)了80C51系列的不足，又與MCS-51指令集兼容。C8051F000系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核，它在單片內(nèi)集成了12位8通道ADC、片內(nèi)JTAG在系統(tǒng)調(diào)試接口、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、UART、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）、內(nèi)部振蕩器、看門(mén)狗定時(shí)器等。這些外設(shè)的高集成度為設(shè)計(jì)低功耗、小體積、高性能、高可靠性的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了極大的方便，同時(shí)也大大降低了系統(tǒng)的成本。

1.2 電源電路

為確保數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的高可靠性，本鏡頭控制器采用4組電源，它們之間互相獨(dú)立且不共地。其中12 V為繼電器、攝像機(jī)及紅外熱像儀提供電源，+5 V分別用于串口收發(fā)芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片等，3.3VD為單片機(jī)提供數(shù)字電源，3.3VA為單片機(jī)提供模擬電源。各部分電源互相獨(dú)立且不共地，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.3 通訊電路

系統(tǒng)采用RS-485串行通信協(xié)議與主機(jī)進(jìn)行通信，RS-485串行通訊總線(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)以差分平衡方式傳輸信號(hào)，具很強(qiáng)的抗共模干擾能力。通訊電路由單片機(jī)的UART串口、光耦、串口收發(fā)器等組成。光耦采用雙通道的芯片HCPL-2630，其速度可達(dá)10MBit/s。串口收發(fā)器采用TI公司的低功耗全雙工RS-485收發(fā)器芯片SN65HVD53，該收發(fā)器可在多種工作速率下實(shí)現(xiàn)交流性能，在RS-485總線(xiàn)上可支持256個(gè)器件。并具有15KV以上的ESD保護(hù)功能，能夠?yàn)镽S-485及RS-422應(yīng)用提供強(qiáng)大可靠的接口。SN65HVD53工作在全雙工模式，一方面，接收主機(jī)發(fā)送的命令，包括地址、控制命令、光學(xué)預(yù)置位數(shù)據(jù)等；另一方面，還將當(dāng)前焦距值、溫度值等數(shù)據(jù)回送給主機(jī)。本系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程賦地址、查地址功能，最多可同時(shí)掛接256個(gè)鏡頭控制器。

1.4 溫度采集電路

溫度采集電路主要由單片機(jī)和DS18B20 數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成。DS18B20是DALLAS 公司生產(chǎn)的新一代溫度傳感器，它可直接將測(cè)得的結(jié)果以串行數(shù)字信號(hào)輸出給單片機(jī)，由于片內(nèi)ROM 中有唯一的64 位序列號(hào)做為地址，所以可以將多片DS18B20以總線(xiàn)的方式連接在一條線(xiàn)上，同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫，并將多個(gè)溫度值通過(guò)串口上傳給上位機(jī)。

DS18B20 的測(cè)溫范圍為-55℃～125℃，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間93ms～750 ms 。

1.5 光學(xué)預(yù)置位電路

光學(xué)預(yù)置位電路由變焦電機(jī)、變焦電位器、A/D轉(zhuǎn)換器等組成。當(dāng)接收到上位機(jī)的預(yù)置位數(shù)據(jù)后，將預(yù)置位數(shù)據(jù)與當(dāng)前焦距值進(jìn)行比較，控制變焦電機(jī)向正確方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，變焦電位器的阻值隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值后，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并與接收到的預(yù)置位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)該數(shù)字量達(dá)到預(yù)置位數(shù)據(jù)后，變焦電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并將當(dāng)前數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳給上位機(jī)。

該電路實(shí)現(xiàn)了變焦鏡頭的光學(xué)預(yù)置位，減輕了上位機(jī)軟件的工作量，并且不影響圖像質(zhì)量，還能兼容各種變焦鏡頭，使光學(xué)預(yù)置位的實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單、迅速，提高了可靠性及準(zhǔn)確度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性和準(zhǔn)確度高，能夠迅速準(zhǔn)確地達(dá)到設(shè)置時(shí)的光學(xué)位置。

1.6 開(kāi)關(guān)量控制電路

開(kāi)關(guān)量控制電路由繼電器組成。設(shè)有兩路報(bào)警輸入通道，可外接標(biāo)準(zhǔn)報(bào)警傳感器，主機(jī)用索取報(bào)警狀態(tài)命令可獲知報(bào)警狀態(tài)。系統(tǒng)提供2路繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)，用于開(kāi)關(guān)量輸出控制，可控制攝像機(jī)、紅外熱像儀等設(shè)備的電源開(kāi)、關(guān)，使用的繼電器是密封繼電器，具有較高的環(huán)境適應(yīng)性，其觸點(diǎn)具有2A/28VDC切換能力。

1.7 鏡頭控制電路

鏡頭控制電路由三組電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、電動(dòng)三可變鏡頭的三組電機(jī)等組成，當(dāng)接收到上位機(jī)的控制命令后，根據(jù)命令字響應(yīng)控制變焦+/-、聚焦+/-、光圈+/-等命令。其中，變焦、聚焦分別為PWM控制，可根據(jù)使用情況對(duì)其進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，以便在不同的視場(chǎng)觀察到清晰的圖像。當(dāng)接收到停止命令后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并將當(dāng)前數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件主要有兩部分組成，一部分是C8051F005單片機(jī)與主機(jī)的通信軟件，另一部分是實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡頭、輸入輸出報(bào)警的控制軟件。

C8051F005單片機(jī)的UART可提供四種工作方式（一種同步方式，三種異步方式），可以通過(guò)設(shè)置SCON寄存器中的配置位來(lái)選擇其工作方式。這四種方式提供不同的波特率和通信協(xié)議。本系統(tǒng)選用的是方式1：即8位UART、可變波特率。方式1提供標(biāo)準(zhǔn)的異步、全雙工通信。方式1的波特率是定時(shí)器溢出周期的函數(shù)。UART可以使用定時(shí)器1工作在8位自動(dòng)重裝載方式產(chǎn)生波特率，或使用定時(shí)器2工作在波特率發(fā)生器方式產(chǎn)生波特率。本系統(tǒng)選用的是用定時(shí)器T2作為波特率發(fā)生器，波特率=T2溢出率/16。

單片機(jī)采用串口中斷方式進(jìn)行接收。系統(tǒng)首先判斷主機(jī)發(fā)送的控制協(xié)議字頭、地址碼是否與本解碼器相同，若相同則接收控制命令并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。3 結(jié)論

多功能鏡頭控制器已廣泛應(yīng)用于邊海防視頻監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)防衛(wèi)系統(tǒng)、車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)等200余套產(chǎn)品中。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、成本低、可靠性高，值得推廣使用。

由本人設(shè)計(jì)的多功能鏡頭控制系統(tǒng)、變焦鏡頭光學(xué)預(yù)置位裝置分別獲得實(shí)用新型專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)分別為：200920091218、200920091221。

[1]童長(zhǎng)飛.C8051F系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)與C語(yǔ)言編程.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005，1.