天地（常州）自動化股份有限公司 樊 山

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礦用本安型高清攝像儀設(shè)計與實現(xiàn)

天地（常州）自動化股份有限公司 樊 山

【摘要】針對煤礦井下對本安型高清攝像儀的需求，以及現(xiàn)場使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)清及模擬攝像儀存在的不足，本文提出一種基于RAM9的礦用本安型高清攝像儀的硬件設(shè)計，具體從系統(tǒng)架構(gòu)、器件選型、電路設(shè)計以及硬件實現(xiàn)為切入點，完成一款礦用本安型高清攝像儀的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】煤礦；本安型；以太網(wǎng)；高清；視頻監(jiān)控

1 引言

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，危險性較大，安全生產(chǎn)十分重視視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，最近幾年發(fā)展較為迅速，目前，圖像識別技術(shù)已在下井人員唯一性檢測、煤炭產(chǎn)量檢測、防作弊等方面應(yīng)用。隨著圖像識別技術(shù)快速發(fā)展，還將在煤倉煤位監(jiān)測、水倉水位監(jiān)測、煤巖識別、帶式輸送機監(jiān)測等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用[1]。但煤礦現(xiàn)場還主要以模擬攝像儀和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)清攝像儀為主，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足煤礦現(xiàn)場由“看得見的需求”轉(zhuǎn)型為“看的清的需求”。

2 煤礦視頻監(jiān)控現(xiàn)狀分析

煤礦井下采、掘工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境惡劣，自然災(zāi)害多，嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)和人身安全，通過工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，直觀形象地將井下實時畫面?zhèn)鬏數(shù)降孛?，為礦井生產(chǎn)自動化提供有力的保障，也為礦井安全生產(chǎn)、調(diào)度指揮、科學(xué)決策提供不可缺少的依據(jù)[2]。因此工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為綜合自動化系統(tǒng)的重要組成部分，已經(jīng)越來越受到礦井的重視和廣泛推廣，煤礦的高清視頻發(fā)展也刻不容緩。

目前井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻采集前端還主要以模擬和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)清攝像儀為主，雖然它們在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用，但是它們明顯存在以下弊端：

（1）模擬信號主要通過同軸線傳輸，距離受限，布線復(fù)雜；

（2）由于模擬視頻信號為高頻信號，傳輸易受干擾，監(jiān)控圖像不佳；

（3）模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)較為封閉，靈活性較差，擴展困難；

（4）目前井下用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)清攝像儀雖實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，但壓縮率和圖像分辨率較低，不具備井下環(huán)境接入功能[3]。

針對目前煤礦視頻采集的技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題，本文研究一種既符合本質(zhì)安全型要求，又具有視頻監(jiān)控、井下環(huán)境參數(shù)接入、以太網(wǎng)傳輸?shù)榷喙δ艿V用本安型高清攝像儀。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

目前安防芯片市場由安霸、TI、海思主導(dǎo)，各自都有自己豐富的產(chǎn)品線，也能滿足不同的需求，我們經(jīng)過前期深入調(diào)研及研究不同廠家的方案特點，結(jié)合本身實際需求，從性能、開發(fā)周期、價格等綜合考慮，本項目最終選擇TI的TMS320DM368作為該產(chǎn)品的主控芯片。

圖1　系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

圖2　系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

基于TMS320DM368設(shè)計的硬件架構(gòu)框圖如圖1所示，從圖中可以看出該攝像儀的設(shè)計主要包括五部分：DM368核心模塊、以太網(wǎng)接口模塊、圖像傳感器采集模塊、485接口模塊、本質(zhì)安全電路模塊。DM368核心模塊為處理器單元，是整個系統(tǒng)運行的中心；以太網(wǎng)接口模塊完成井下信息參數(shù)傳輸；圖像傳感器模塊用于視頻信號的前端采集；485接口模塊主要完成現(xiàn)場控制、參數(shù)等信號接入；本質(zhì)安全電路實現(xiàn)各個模塊供電。

3.2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

由于本系統(tǒng)采用TMS320DM368作為該產(chǎn)品的主控芯片，該軟件系統(tǒng)是基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)開發(fā)的，系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計如圖2所示，由于該部分內(nèi)容不是本人研究的重點，這里只做簡單介紹。

圖3　傳感器接口部分原理圖

圖4　網(wǎng)絡(luò)交換模塊原理圖

4 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 圖像采集單元

圖像傳感器是圖像采集單元的核心器件，根據(jù)元件的不同可分為CCD和CMOS。CCD傳感器的特點是靈敏度高，但響應(yīng)速度低，不適用于高清監(jiān)控攝像儀采用的高分辨率逐行掃描方式，因此本方案選用CMOS傳感器。由于煤礦環(huán)境特殊，對低照度要求較高，我們綜合考慮其圖像質(zhì)量、性能及價格等因素，選用鎂光公司的CMOS數(shù)字圖像傳感器MT9P031，感光面支持的最大像素分辨率為2592 * 1944。

該圖像傳感器接口較為簡單，在進行圖像采集之前，CPU可以通過串行接口配置傳感器。在完成相應(yīng)的配置后，圖像傳感器就能在不需要CPU干預(yù)的情況下完成圖像的采集，通過數(shù)據(jù)線將視頻采集前端采集的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到內(nèi)部存儲器。接口部分原理如圖3所示。

圖5　TMS320DM368功能框圖

圖6　視頻處理單元核心模塊原理圖

4.2 視頻信號處理單元

TMS320DM368是TI公司推出的一款支持超高像素影像的數(shù)字媒體處理器，支持多種視頻格式，網(wǎng)絡(luò)帶寬要求和系統(tǒng)存儲容量均滿足數(shù)字?jǐn)z像機的需求它支持的格式有：MPEG2、MPEG4、H.264等。DM368具有的多速率、多格式的高清視頻編解碼支持，同時保持了與傳統(tǒng)視頻編解碼器的高度共通性，很大程度上降低了設(shè)計的復(fù)雜性，更顯靈活，具體功能框圖如圖5所示。TMS320DM368集成了眾多的組件以及一系列外設(shè)電路，核心模塊的實現(xiàn)部分原理圖如圖6所示。

4.3 網(wǎng)絡(luò)接口單元設(shè)計

常用的PHY芯片有麥瑞半導(dǎo)體公司的KSZ8995XA、賽思公司的LAN9512。由于LAN9512的供電范圍較窄，典型值為2.5V，但是DM368的外圍供電為3.3V，它們電平不兼容。需通過電平轉(zhuǎn)換芯片來兼容DM368和LAN9512，增加硬件成本。因此本系統(tǒng)選擇麥瑞半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的KSZ8995XA作為以太網(wǎng)的物理層接口芯片，KSZ8995XA的輸入電壓范圍為2.2V到3.6V，能很好的與DM368的MAC口進行電平匹配。此外，KSZ8995XA內(nèi)置了電壓調(diào)節(jié)器和ESD保護組件，降低硬件成本，實現(xiàn)部分原理圖如圖4所示。

4.4 485模塊單元設(shè)計

485模塊單元是井下環(huán)境參數(shù)接入單元，通過該轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸，它由網(wǎng)絡(luò)接口單元、控制單元、電源單元組成。

圖7　485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊系統(tǒng)方框圖

該電路的控制單元選用STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器STC89LE52，該控制單元具有 8K可編程Flash存儲器，內(nèi)部使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，在單芯片上，擁有8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash。該電路模塊負(fù)責(zé)把RS485串口電平信號，通過控制器轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)電平信號輸出，使之符合TCP/IP協(xié)議。

4.5 本安電源單元

礦用本質(zhì)安全電路的整體框圖如圖8所示，輸入端通過本安電源DC18供電，在電源轉(zhuǎn)換模塊的輸入輸出端分別增加過流過壓保護，首先理論上滿足本質(zhì)安全電路的設(shè)計要求，進而通過火花實驗驗證該電路的本質(zhì)安全特性。

圖8　本安電源模塊整體框圖

該電路的設(shè)計過程中分別采用了兩種不同的保護機制，即雙重過壓保護、過流保護機制以確保電源電路的可靠性，符合本質(zhì)安全電路的要求。

5 性能參數(shù)測試

經(jīng)實驗驗證，攝像儀各項技術(shù)指標(biāo)均達到設(shè)計要求，具體如表1所示。

表1　

6 結(jié)語

本文對礦用本安型高清攝像儀進行研究與設(shè)計，該攝像儀彌補了模擬攝像儀與網(wǎng)絡(luò)標(biāo)清攝像儀的不足，為井下視頻監(jiān)控的拓寬應(yīng)用提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)。目前有些煤礦已經(jīng)引進智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化控制，工作面無人值等，這些應(yīng)用都對視頻清晰度提出更好的要求，該設(shè)備能更好地滿足自動化應(yīng)用的需求，因而在煤礦的安全生產(chǎn)將有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻

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