碩士論文大型云鏡攝像機控制系統設計及實現 ab s t r a c t c a m e r a i n t e g r a t e d w i t h l a r g e s i z e p a n t i l t a n d l e n s i s a n i m p o r t a n t f r o n t p a r t o f v i d e o m o n i t o r s y s t e m i t i s w i d e l y u s e d i n t h e f o ll o w i n g o u t d o o r e n v ir o n m e n t s b a d w e a t h e r c o n d i ti o n s s t r o n g e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e c o n d i t i o n s a n d l a r g e s e n c e s e t c t h i s p a p e r m a i n l y d i s c u s s e s a m e t h o d o f d e s i g n a n d i m p l e m e n ti o n o f c o n t ro ll i n g s y s t e m t o p a n ti l t z o o m c a m e r a t h e p r i m a ry w o r k o f t h i s p a p e r i n c l u d e s a c c o r d i n g t o s p e c i fi c r e q u e s t s b a s e d o n a s i n g l e c h ip p r o c e s s o r t h e w r i t e r g i v e s a t o t a l l o w c o s t s c h e m e o f th e d e s i g n a n d i m p l e m e n ti o n o f p a n t i l t a n d l e n s c o n t r o ll i n g s y s t e m t h e n t h e w r i t e r d i s t i n g u i s h l y d i s c u s s e s t h e m e t h o d o f r e a li z a ti o n o f t h e m o d u l e s i n t h e c o n t r o l li n g s y s t e m i n c l u d i n g p a n t i l e c o n t r o l m o d u l e p r o t o c o l t ra n s f o r m i n g m o d u l e l e n s c o m m u n i c a t in g c o n t r o l m o d u l e a n d d e s i g n p e ri p h e r a l c i r c u i t a n d s o f t w a r e p r o c e s s o f e a c h m o d u l e u s i n g a n o n s c r e e n d i s p l a y c h i p th e w r i t e r d e s i g n s a n d r e a l i z e s a d y n a m i c c h a r a c t e r s u p e r i m p o s i ti o n m o d u l e f o r t h e c o n t r o l l i n g s y s t e m 五c a n b e u s e d i n h i g h w a y v i d e o m o n i t o r i n g s y s t e m f o r o v e r l a p p i n g t i m e d a t e a d d r e s s a n d c h in e s e c h a r a c t e r s t h a t n e e d e d i t g r e a t l y i m p r o v e s t h e w o r k e ff i c i e n c y o f t h e m o n i t o r s y s t e m o p e r a t o r s i t c a n a l s o b e t r a n s p l a n t e d a n d e x p a n d e d f o r m o r e a p p l ic a ti o n s t h i s p a p e r d e s i g n s a n d r e a l i z e s a l a r g e s i z e p a n t il t a n d l e n s c o n t r o l l i n g s y s t e m i n c l u d i n g a c h a r a c t e r s u p e r i m p o s i ti o n m o d u l e i t c o s t s li t t l e s o i t s s u i t a b l e f o r i n d u s t ry a p p li c a ti o n i t c a n b e a r e f e re n c e o f f r o n t d e v i c e i n s e c u ri ty m o n i t o r i n g s y s t e m k e y w o r d s m o n i t o r s y s t e m l a r g e s i z e p a n t i l t a n d l e n s c o n t r o l s y s t e m c h a r a c t e r s u p e r i m p o s i t i o n 聲明 本學位論文是我在導師的指導下取得的研究成果 盡我所知 在本 學位論文中 除了加以標注和致謝的部分外 不包含其他人已 經發表或 公布過的研究成果 也不包含我為獲得任何教育機構的學位或學歷而使 用過的材料 與我一同工作的同 事對本學位論文做出的貢獻均己 在論文 中作了明確的說明 研究生簽名 2 回 年7 月 0 日 學位論文使用授權聲明 南京理工大學有權保存本學位論文的電 子和紙質文檔 可以 借閱或 上網公布本學位論文的部分或全部內 容 可以向有關部門或機構送交并 授權其保存 借閱或上網公布本學位論文的部分或全部內容 對于保密 論文 按保密的有關規定和程序處理 研究生簽名 x v 7 年7 月 1 0 日 碩士論文大型云鏡攝像機控制系統設計及實 現 1緒論 1 1 本課題的 背景 及意 義 近年來 整體和平的國際氛圍中總有一些不和諧的聲音和舉動 整體繁榮的國內 局勢中 亦存在一些不穩定的因素 鑒于此 國內 外對安全防范產品的需求越來越緊迫 投入亦越來越多 2 0 0 8 年北京奧運會的安保投入將高達4億美元 在不同級別的安 全防范系統中 視頻監控定位系統均是必備的重要組成部分 我國的安全防范技術與市場己 經取得了快速的發展 很多行業都針對自己的特點 提出了各種各樣的安全防范需求 與我們日常生活密切相關的 應用之一是隨著我國經 濟的繁榮 我國車輛的 人均擁有量持續上升 但城市道路發展與之相比顯得滯后 車 路矛盾日 見突出 為在有限的道路條件下 安全有效地提高道路通行率 切實地做好 交通安全管理工作 減少交通違章 交通堵塞 交通事故的發生率 或當發生交通事 故時 在最短的時間內通知相關單位和人員趕赴現場 指揮疏導交通 搶救受傷人員 有必要在主要交通路口 尤其是道路擁擠地段 事故多發地段等位置安裝交通視頻監 控定 位系統 1 1 1 與城市道路相比 我國的城際 省際高速公路發展很快 對高速公路管理的技術 手段要求也越來越高 為了 充分利用道路交通的資源 提高交通運輸的安全水平和維 護國家的經濟利益 需要對道路上的交通狀況 出入口的通行能力 公路管理人員的 工作情況等進行全方位的 監控 與此同時 在機場 邊防 海關等特殊場所 為了保 證人民生命以 及國家財產安全 消除一切安全隱患 亦需安裝全方位的監控系統 當 發生緊急狀況時 能迅速定位 進行處理 本論文所涉及的監控定位系統中的一體化大型云臺攝像機是專為上述公路 機 場 邊防 海關等特殊場所而設計的 大型云鏡攝像機是在室外監控定位系統的前端 采集視頻監控信息的主體設備 能夠實現靈活地對防區中的 場景 目 標進行定位 跟 蹤 對突發事件進行應急處理 對所需的畫面進行回放和存儲等功能 不同安全防范 級別對大型云鏡攝像機的控制系統的要求有所區別 例如定位的準確性 跟蹤的快速 性 局部畫面的 捕捉性能以 及其它一些輔助功能的設計和實現 借助于大型云 鏡攝像 機視頻監控系統 高速公路的管理和調度人員可以 在監控室內 對分布在公路各部位 眾多監控點的攝像視頻信號進行采集 記錄和輸出 并可在多畫面監視器上進行實時 顯示和回放 增強了 對交通運輸突發事件的快速反應能力 減輕了管理工作人員的勞 動強度 提高了高速公路的 科學管理水平 為我國 高速公路健康快速地發展發揮了重 要的作用 緒論 碩士論文 1 2國內 外發展的 現狀與趨勢 云鏡控制系統 對視頻監 控系統的前端設備 一體 化大型 云鏡攝 像機 進行控制 其發展趨勢一方面緊密跟隨市場需 求 另一方面隨 著自 動控制領域的 理論 技術 設 備的 高速發展而日 益進步 2 i 1 2 1 視頻監控技術的 發展 視頻監控系統一 般由前 端攝像 信號傳輸 終端顯示 及控制中 心四個部分組成 每一部分的 技術進步均能對 其余部 分產生良 性影響 并 共同 促進監控技術的發 展 總 體 說 來 視 頻 監控 系 統隨 著 技 術的 進步 大 致 經 歷了 三 代 3 1 模擬時代 早期模擬時代的視頻監控系統 視頻是以模擬方式進行模擬處理的 視頻信號由 同 軸電纜進行傳輸 并由 控制主機進行模擬處理 2 半數字時 代 半 數字時代的 視頻監控系統 視頻是以 模擬方式采用同 軸電纜進行 傳輸 由控制 主機或硬盤錄像主機進行數字處理與存儲 目 前大多 數視頻設備所要求的輸入信號為 模擬的 視頻基帶信號 而且在 近距離傳輸時 模擬信號是一種最節省開銷 最具實時 性的信號方式 所以 視 頻基 帶信號 仍為目 前攝像機主要的輸出方式 3 全數字時代 數字化是未來的 趨勢 全數字時代的視頻監控系統 視頻從前端圖 像采集設備輸 出時即為數字信號 井以網 絡為傳輸媒介 基于網絡 t c p i p 協說 采用流媒體技術 實現視頻在網 上的多 路復用傳輸 并通過設在網上的網絡 虛擬 數字 矩陣控制主機 i p m 來實現對整個監控系統的指揮 調 度 存儲 授 權控制等功能 此外報警 門 禁 巡更等前端輸出 的數字信號也可由 多網 合一的 方式通過網 絡復用進行傳輸并在 同 一 平臺 上進 行 管 理 與 控 制 a 隨著計算機控制技術在不同領域 不同 層面應用的逐 步滲透 基于計算機網 絡的 綜合型全數字安全視頻監控系 統必將得到普遍的 運用 在需要進行遠距離控制時 可以使用數字視頻加單向 數 據光端機對視頻信號 及控 制信號進行傳輸 光端機設備 成對使用時傳輸介質可以 選用多模光纖 總之 視頻監控產品 將向 著網 絡化 智能化 無縫集成以 及針 對專業應用領域提 供個性解決 方案的方向發展 我國安防工程的 建設 蘊涵 著無限 商機 不但吸引著安防 企業的目 光 也引起了 i t 電 信等巨頭的關注 使安防 市場競爭日 趨激烈 中國電 信和中國網 通分別推出了 全球眼 和 寬視界 運營 級視頻監控業 務 2 0 0 6年 中國電 信已 在全國2 8 個省 市 自 治區 建立了 全球眼 平臺 應用領域擴展到 銀行 保險 公安 海關 交通 電力等行業 在城市 治安 監控 營運網點監控 交 碩士論文大型云鏡攝像機控制系統設計及實現 通監控和 校園監控等方面得到了廣泛應用 1 2 2云 鏡控制系統的 發 展 云鏡控制系統是 視頻監控系統前端設備的 控制中心 近年來 隨著控制領域的 潮 流 單片微處理器功能的 增強 性能的 提高 以 及各種大規模集成電 路 i s i c 專用集成電 路 a s i c 的出 現和多媒體技術的 應用 使得云鏡控制系統在視頻監控 系統中的 構建更為方便 靈活與高效 與視頻信號傳輸系統及功能 多樣的 輔助系統的 接口 趨于 規范 并能設 計出 更為友好 便于 操作的人機交互界面 5 1 大型 云鏡攝像機控 制系統主要對一 體化攝像機 云臺與包括防 護罩在內的輔助系 統等幾個 部分進行控制 控制系統的設計決定了 云臺的定 位精確程度 控制一體攝像 機和操作 室內 控制鍵盤 或硬盤錄像機之間的 通信情況 外部護罩的防水 防塵甚至防 暴能力 閣 被控制部 分的技術 進步 及功能需 求對云鏡控制系統的設計產生了 一定的 影響 分 述如下 先進的一體化攝 像機提 供高倍 率的光學變焦和電 子變焦能力 先進的數字處 理技術 使得 無論在何種光照 條件下 均能提供清晰 準確的圖 像 一 體機內置的多 種協議接收器或協議轉換器能夠兼容不同廠商的 控制協議 使應用更為靈活 攝像機能自 行設置的多個隱私區 域可讓操作人員不能夠觀察到 一些私人地 帶或敏感區域 云 鏡具 備密碼保 護功能 高級 報警處理功能等 需 要提供云臺水 平1 垂直旋轉和一體化攝像機變焦 變倍的統計數 據 另外 由于 無線傳 輸技術的 進步 在布線艱難的情況下 可以 采用 無線云鏡控制 系統 在這種方式中 除了 需要在控制中心和云鏡內分別加置發 射器和 接受器外 還 需要仔細 地選定 云鏡控 制系統的工作 頻率 在制造工藝 方面 由 于大型云鏡攝像機的使用場合風力強 晝夜和四 季溫差大 受電 磁干 擾和雷電千擾的 概率高 產品固定安裝后不易維 護而且需全天候工作 所以 工藝設計時需考 慮產品的 可靠性 穩定性 密封 防水 防酸 雨 耐高 溫 耐老化 抗腐蝕性 抗風性能 以 保證產品安 裝后 可長期穩定工作 無需維護 而且外罩的 防水 防 塵 機器的 散熱 加熱 以及防雷 防浪涌 安全繩都要求非 常細致的設計 綜上 可知 目 前市場上的大型云鏡攝像一體機已 經發展得比 較完善 從高端的進 口品 牌到大部分的國產品 牌基 本能夠滿足當 前監控的需要 緒論碩士論文 1 3本論 文的研究內 容與結構 為了 迎合我國戶大的中低端市場需求 本論文所設計并實 現的大型云 鏡攝像機控 制系統具備成本低 性能可靠 操作方便 顯 示中 文字符等特點 而并不需要僅僅追 求系統功能的高 大 全 本文根據實際 應用 需求 基于高性能單片微處 理器 設計了一 個低成 本 高實用 性和可靠性的 大型云鏡 攝像機 控制系統 并在其中 實現了 全中 文字符疊加的 功能 克 服了目前市場上很多一體攝像機只能顯示英文或日 文的缺陷 作者所做的主要工作包 括 分析大型云鏡攝像機控制系統的設 計原理 和技術要求 對主微處理器的選型進行周詳的比較和權衡 對輔助器件進行選型 要求功能 完備 今 分析并設計主控制板電路圖 今 利用p r o t e l 工具設計字符疊 加器的 硬件電 路并制板進行 調試 分析并設計字符疊加器的軟件實現原理和流程圖以及編寫程序 本文首先簡要介紹了大型云鏡控制系統需要實現的功能以 及設計原理 然后利用 模塊 化的設計方法 針對每 個 功能 模塊進行具體的 分析 并 就系統 設計 實現 和具體調試期間發現的問題及解決方法進行了分析與研究 針 對此云鏡控制 系統在我國高 速公路監控系統中的實際 應用需求 作為 控制系統 中的重要的功能 模塊 本文詳細描述了 動態視頻字符疊加器的設計和實現 其中 包括 硬件和軟件設計的 原理 思想 方案 組織和實現方法 在視頻監控 系統中 增加動 態 時間 日期和漢字的疊加顯示功能 使得對控制系統的操作更為方便和快捷 碩士論文大型云鏡攝像機控制系統設計及實現 2大型云鏡攝像機控制系統研究與分析 2 1 云鏡攝像機控制系統 及操作鍵 盤簡介 在一體化云鏡攝像機系統中 云臺是一個可在水平及垂直兩個方向上旋轉的攝像 機底座 里面除了 機械傳動機構外還有電動機 繼電 器及相應的控制電路 云臺的上 面安裝有可自 動加熱或吹風的全天候室外防護罩 一體化攝像機機芯就安裝在該防護 罩內 閉 云臺 的作用是增 加了 攝像機的空間 可視范圍和定 位的 靈 活性 通常將自 動 鏡 頭 云臺 報警裝置 防 護罩的雨刷和輔助燈等組裝在一起使用 因此 要求所設計 的云鏡控制系統具有對一體機進行綜合控制的功能 對大型云鏡攝像機進行控制的 操作鍵盤是視頻監控系統中 專用的控制鍵盤 其功 能與操作不同于普通p c的鍵盤 它是云鏡攝像機控制系統專用的操作設備 可以 對 整個云鏡攝 像抓系統 進行 各 種控制 操作 并為操 作者了 解系統 運行狀態提供豐富的 界 面 一般而言 控制系統的 基本要求是保證動作運行的準確度和可靠性 而為了 可靠 地保證云臺和鏡頭動作的正確性 一個具有高可靠性的控制鍵盤與云鏡攝像機之間的 通信協議十分必要 除完成基本控制動作外 它還需要有附加的檢錯功能 能在失步 的情況下自 動同步 系統可靠地工作亦使云臺 不會出 現誤動作和過沖 延長了 云臺的 使用壽命 一般控制鍵盤用操作桿方式控制水平 垂直云臺的勻速或變速運動 在測試以 鍵 盤搖桿手動控制云臺高速移動后的定位效果時 要求云臺能夠快速靈活地轉動 并且 定位時畫面清晰 無抖動 現象 而在低速移動云臺時 要求監控畫面保持一貫的平穩 狀態 可以 確保對目 標物體的持續跟蹤 用按鍵方式控制鏡頭的 聚焦 變焦和縮 放 光圈 另有一些按鍵可控制一些特殊的 功能 例如預置 巡視 運行模式 報警輸出 等 有一 些 功 能先進的 操 作 鍵 盤 可 進入 菜單編 程 進行站點 控 制 等高 級 功能 2 2 大型云鏡攝像機控制系 統技術指標 實 現的 大 型云 鏡 攝 像 機 控 制系 統最 終 要求 達到以 下 技術 指 標 18 1 水平3 6 0 0 連續旋 轉 令 垂直轉動范圍 一 0 0 4 0 0 手動水平速度 0 1 0 7 0 0 s 手動垂直速度 0 1 0 5 0 s 令 視頻輸出 p a l 復合視頻 1 o v p p 今 預置位水平速度 1 4 0 0 x 令 預置位垂直速度 1 0 0 0 s 波特率2 4 0 0 4 8 0 0 9 6 0 0 可選 大型云鏡攝像機控制系統研究與分析 碩士論文 支持r s 4 8 5 通訊總線 支持自 動掃描 巡航設置 控制各輔助功能的開和關 工作溫度 4 0 0 6 p 監視器畫面中文字符顯示功能 2 3大型云鏡攝像機控制系統設計原則與依據 在系統設計的初期 要對設計的原則與依據進行深入地探討和思考 其結果將貫 穿設計和最終實 現的 整個過程 以 期實 現系統的設 計目 標 19 1 總體說來 在本系統的設計和實現周期中 要嚴格遵守以下的幾點 1 規范性和實用性 系統的設計基于對應用環境 高速公路 的實際勘察 監控對象 通行車輛 監 控點處工作人員 項目 投資規模 系統安裝后維護保養的 便捷性以 及操作的方便性 等因素的統籌考慮 系統的設計應符合相關風險登記和防護級別的要求 符合相關設 計規范和投資方 使用方的管理和具體使用要求 2 準確性 能在現場環境條件和所選設備條件下 對目 標進行準確 實時地監控 操作云臺 轉動時 對移動畫面的 平滑度 穩定性 啟停畫面是否抖動 預置定位的精確度 以 及電 機運轉時噪聲的大小的 控制要求需要符合具體的 技術指標 3 可擴展性 在技術上具有設備的互換性及可擴展性 為系統的 增容和改造留 有余地 以 適應 不斷進步的技術和不斷增長的需求 2 4大型云鏡攝像機控制系統具體實現功能 2 4 1 控制系 統原 理概述 在整個大型一體化云鏡攝像機中 對云臺和一體機鏡頭的控制電 路系統是最重要 的組成部分 它接收來自 整個監控系統控制中心發出的控 制命令 解釋進而控制云臺 進行上 下 左 右各方向的行進動作并對鏡頭進行變焦 z o o m 聚焦 f o c u s 光圈 i r i s 的控制 如果命令出錯 則云臺 鏡頭不動作并能反饋相應的狀態信息 云臺 境 頭控制系統原理如圖2 4 1 所示 碩士論文 大型云鏡攝像機控制系統設計及實現 圖2 4 1云臺 境 頭控制系 統原理圖 由圖 可 見 串 行 通信接口 接受 控 制 鍵 盤發 給 本 機 地 址 相 符 的 控 制 云 臺 和 鏡 頭 的命令 由微處理器解碼后 分別控制云臺或鏡頭的動作 輔助功能電路的實現依具 體的應用需求而 不盡相同 以 下分別講述各功能模塊的實現功能需求 2 生2鏡頭控制 模塊實 現功能 鏡頭控制的 主要目 的是實現對一體機內 置鏡頭 進行變倍近 變倍遠 光圈變大 光圈變小 調焦近 調焦遠的控制 其原理及作用分述如下 1 焦距控制 z o o m w i d e z o o m t e l e 操作者可以 通過調整攝 像機焦距得到所需的 全景畫面或是遠處細微的 視圖 焦距的預置功能是指攝 像機能將所需狀態下的 鏡頭位置參數儲存到 存儲器中 需 要時可以迅速調用該參數而自動地將鏡頭調整至該位置 一般地 操作者可方便快捷 地通過操作控制鍵盤來存 儲及調用預置位 2 聚焦控制 f o c u s n e a r f o c u s f a r 調整焦距時 攝像機 會以物景畫面的中心自 動聚焦 保持清晰圖 像 在特殊情況 下可以通過聚焦控制 得 到希望的圖像效果 3 光圈控制 i r i s o p e n c l o s e 光圈的大小決定著進 光量 應該根據不同的環境 光線效果進行調整 在光線充足 的 環境下光圈應調小一些 而在昏 暗的環境中光圈 應該調大些 一體機鏡頭的工作電 壓一般在一 1 2 v 1 2 v的范圍內 鏡頭由四根控制線 分別 是變倍控制線 z o o m 聚焦控制線 f o c u s 光圈 控制線 i r i s 及一根公 共端 c o m 組成 在每一根 控制線分別加不同 極性的電 壓即可實現t w i r 1 s i r i s f o c u s f o c u s 一 的控制 大型云鏡攝像機控制系統研究與分析碩士論文 2 生3 云臺 運動 控制 模塊 云臺電源有交流2 4 v的 也有交流2 2 0 v的 不管其供電如何 旋轉云臺動作有 上 下 左 右四個基本方向 p a n l e f t p a n r i g h t t i l t u p t i l t d o w n 分別由上 下 左 右4 根相線和一根公共端共5 根線來控制 每一個動作分別由一 根相線與公共端 c o m 來控制 只要相線與公共端加有電 壓 就會產生某一方向 的動作 云臺 動作的的 執行 機構采用步 進電 機11 0 1 交流2 4 v的 步進電 機 不但噪聲小 而且 移動速度快 運動效果能夠滿足要求 步進電機的位移量與輸入脈沖數嚴格成正比 其轉速與脈沖頻率和步進角有關 控制輸入脈沖數量 頻率及電機各相繞組的接通順序 可以得到各種需要的運行特性 與能 夠實 現 類似功能的 其 他 執 行 元 件相比 步 進電 機 有以 下 幾 個明 顯 的 特點 a n n 2 1 1 可以開環方式控制而無需反饋就能對運動的位置和速度進行控制 也可在 要求精度更高時組成閉環控制系統 2 控制性能好 能快速啟動 制動和反轉 無穩定問題 具有自 鎖功能 3 位移與輸入脈沖數相對應 因而位置誤差不會長期積累 4 步距角選擇范圍大 可以從幾十分至幾十度大范圍內選擇 轉速可以在相 當寬的 范圍內平滑調整 可以 進行靈活的 控制和調整 步 進電 機的步距角和轉速大小 不受電 壓波動 負載變化的影響 僅與脈沖頻率有關 5 在小步距角情況下 可以在很低速度下穩定運行 往往可以不經減速器直 接驅動負載 6 若用同一頻率的脈沖電 源控制幾臺 步進電 機 可以實現多個電 機同步運行 由于云臺 運動的速度可以變化 且每一方向的行程是不受限制的 控制相對復雜 云臺運動的速度由控制鍵盤上的操作桿與圓心的距離來決定 這一距離反應出來的是 一電 壓值 經過模扛 燈 數字 a d 轉換由 控制系統進行處理并控制步進電 機的工作頻 率 以 達到控制不同 速度的目 的 旋轉方位及位置由 操作桿與圓心的 坐標 x y 經a d計算得到 2 4 4視頻 優化處理模塊 此模塊主要實現對視頻圖像處理 以滿足不同 條件場合應用的需 要 主要包括 白 平衡 背光補償 曝光設置 圖像特殊效果 自 動增益和攝像機初始化 平衡模塊實現對圖像的平衡設置 包括自 動平衡和手動平衡 背光補償模塊實現背光補償功能的 打開與關閉 此功能主要應用于背景光線比 較 暗的特殊情況 自 動增益控制電 路使攝像機在不同的景物照度條件下都能輸出電 視傳輸規定的 g 碩士論文大型云鏡攝像機控制系統設計及實現 標準電 平 這種增益調節通常是通過檢測視頻信號的平均電 平自 動完成的 曝光模塊實現曝光度的設置 此功能主要應用于對光線有特殊要求的場合 攝像機初始化主要應用于攝像機的復位操作 包括初始化鏡頭時間 鏡頭自 檢以 及鏡頭的校正等 2 4 5屏顯 c o s d 字符盈加模塊 視頻字符疊加就是通過一定電路產生字符或動態時間信號并與輸入的視頻信號 進行疊加 使字符 時間 等附 加 信息在 監視器的 指定位置上與圖 像信號同時 顯示 l 3 由于以往的監控設備如一體攝像機 云臺控制器等均為進口 產品 在視頻信號中 只能疊加一些簡單的剪 日 文字母或數字信息 目 前由于國內 大規模的應用需求 在 很多視頻應用領域要求具有顯示漢字的功能 以方便國內操作人員知道該視頻信號以 何種方式來自 何處 以 及對應視頻信號的其它相關信息 如一些實時數據和狀態信息 等 并且要求中文字符信息可隨時更新 由于漢字字型的 特殊性和復雜性 所需疊加的漢字字符可以從現成的點陣漢字庫 文件中提取 如現實中 廣泛使用的c c d o s 2 1 3 h或 u c d o s中的一級漢字庫 在基 本應用中 將點陣漢字庫的字模寫入專用的字符存儲器中 然后通過鍵盤選擇需要的 字符 調入視頻疊加電 路中 并顯示在監視器的指定區域 這種顯示方式最大的特點是 所顯示的漢字字符可以隨意更改 而且輸出字型標準 美觀 大方 由于高速公路視頻監控系統并不需要專業級的視頻質量 而且視頻信號采集點數 量很大 造成監控系統的投資很大 因此 在監控系統中增加動態視頻字符疊加器的 成本不應太高 同時 根據監控系統的工作環境比 較惡劣 公路系統的 技術維護力量 比 較薄弱的實際情況 設計的動態視頻字符疊加器應具有較高的可靠性和穩定性 能 在惡劣的 工作環境中正常運行 2 4 6 報警防區 控制模塊 報警防區控制模塊是云鏡控制系統中 重要而特殊的組成部分 具體實現的功能有 以下幾點 報警輸入設置 此功能 對每一個報警輸入設置相互關聯的 預置點 具有響應多路 報警輸入的功能 當有報警輸入時 系統將自 動調整云臺 鏡頭的方位 調用相對應 的預置點 報警輸出設置 此功能 根據輸入的 報警信號驅動繼電 器完成相應的動作 如使蜂 鳴器發出 鳴叫或使報警指示燈閃 爍 與此同時 當系統發出 報警信號時 監控中 心的主控制系統可啟動錄像設備以 及 時記錄下事故的全過程 便于事后存檔和查詢 大型云鏡攝像機控制系統研究與分析 碩士論文 z 生7輔助功能 棋塊 輔助功能模塊分為兩部分 1 一級輔助控制輸出 可用于控制雨刷 噴水 紅外燈等外圍設備的開啟和關閉 此主要依靠繼電 器開 關來實現 c z 防護和隔離電 路 主 要考慮到云臺鏡頭攝像機的 工作環境惡劣 受外界電 磁干擾影響比 較大 所以 需增加各 種保護措施 如增加電 源防浪涌 雷擊保護 數據總線的保護 以 及對攝像 機視頻信號的保 護 以 延長一體機的 使用壽 命 隔離電 路主 要采用光電隔離來保護控 制芯片 15本章小結 本章主要對大型云鏡控制系統的設計需 求進行深入分析 分別論述了 一體化云鏡 攝像機各個功能模塊的控制原理及實現功能的 需求 對控制系統的實現進行初步的 研 究和分析 碩 士 論 文大型云鏡攝像機控制系統設計及實現 3大型云鏡控制系統總 體設計及實現 3 1 大型云鏡 控制系統方 案設計 本論文中 大型云鏡 一體攝像機控制系統 主要涉及的部 件有云鏡一體攝像機 控制 鍵盤 視頻傳輸 線路 控制信號總線及監視 器等 作為監控系統前端的云鏡一體機控制系統設計的 好壞直接影響到整個閉 路監視 系統的可 靠性與可操作 性等關鍵指標 經過綜合分析和權衡 采用自 動控制領域中的 潮流 即高性能單片 機設計的 控制系統 這樣可以 用很低的成本實現相對復雜的 控 制 方 案 實 現 控 制 系 統 的 嵌 入 式 先 進 性 和 智 能 化 t41 1 51 1 61 大型云鏡控制系統由 主單片機和一些外圍電路組成 它是整個云鏡一體機系統的 指揮中心 控制系統內 各模塊協同 工作 并且負責與上位控制機 或鍵盤 的 通 信 以實 現系統的各種 功能 而且由于單片機的靈活性 能 夠比 較容易地修改控制方 案 設計并實現一個成功的 單片機控制系統是有成熟的規律可以 依照的 通常要明 確 以 下 幾 點 1 71 i 確定系統的目 標任務 目 標任務即是系統 要求實現的功能以 及技 術指 標 應用的 場合不同廠 具體的要求 會有區別 目 標任務要 盡可能清晰 完善 完整的目 標任務為后續系統的 設計和開發 奠定堅實的基礎 有些目 標任務在開始設計時 并不 是非常 清楚 完善 隨著系統的研 制開發 現場的 應用以 及市場的變化可能會有不斷的更新和變化 設計方案要盡可能 適應這些變化 本論文中 控制系統的設計目 標明確 技術指標清晰 己 在上文做了 詳細的闡 述 2 系 統的總體設 計 在上一步的 基礎上 確定系統的總體設 計方案 系統的總 體設計 包括主單片機的選 擇 其它一些輔 助功能電 路中 關鍵器件的 選型 硬軟件實 現功能的劃分等 單片機以 及關鍵器 件的選擇需要考慮技術是否成先進 成熟 是否滿足系統的精 度 速度和可靠性要求 貨源是否充足 如出 現問 題是否有可以替 換的器件等 控制 系統技術指標的 實現與 整個系統的 硬件和軟 件都有關系 所以 要綜合考慮 硬件選擇 滿足精度要求的 產品 軟件采用合適的 數學模型和算法 硬件 軟 件功能在一定 程度 上具有互換性 即 有些 硬件電 路的 功能可以 用軟件實現 反 之同樣成立 具體采用什 么方法 要根據具體要求及整 個系統的 性能 價格比 加以綜合平衡后確定 一般而言 使用硬件完成 速度較快 可節省c p u的 時間 但價格比 較昂 貴 而且系統比 較復雜 勢必增加 硬件設 計和調 試的工作量和難度 用軟 件實現則 相對經濟 但占 用 c p u較 多的時間 所以 一般的 原則是 在 c p u時間 允許的 情況下 盡量 采用軟件 所以總 i t 大型云鏡控制系統總體設計與實現 碩士論文 體設計時 必須權衡利弊 仔細劃分硬件和軟件的功能 總體方案決定整個系統的 硬件 和軟件設計 其質量的 好壞直接 影響整 個設計開發 過程 所以 系統整體設計一定要從系統的目 標 任務入手 細 節與整體統 籌考慮 盡可 能多地參考國內外同類產品的有關資料 綜合考慮系統的可靠性 先進性 通用性 可維護性 可擴展性和成本要求等 使確定的技術方案合理且符合有 關標準 在本論文中 由于需要實現的云鏡 控制系 統是為了 滿足 我國 廣大中 低端市場的需 求 因而在功能和性能的要求上不必一味追求最全面 最先進或最高效 在完成基本 控制功能的 前提下 側重解決 新問題 一 疊加中文字符 在下文將進行詳細講述 的 實現 總體說來 硬件和軟 件的設 計需各有側重 充分發 揮各自 的優 勢 3 系統的結構框圖 系統的總體設計完成后 將整個系統劃分成若干模塊 利用框圖表示出各模塊之 間的關系 數據流向 控制流向 一 說明 各模塊的 工作原理 采用的 核心技術以 及實現 的 功 能 結 構 框圖 將 整 個系 統 的 結 構 圖 形 化 清 晰 化 簡 單 化 有 助 于 對 系 統的 進一 步理解和掌握 并為 硬件和軟件設計的 模塊化打 下基礎 由上述可知 本論文中 云臺鏡頭控制系統主要由 云臺 控制電 路 鏡頭控制電 路 通信電路和字符疊加器等電路模塊組成 4 系統的 硬件設計 系統的硬件設計是根據總體設計方案以 及結構框圖 在所選擇的單片機以 及關鍵 元器件的 基礎上 再 進一步確定系統中 所要使用的 元器件 分模塊繪制系統的電 路原 理圖 最后將各模塊的原理圖綜合起來 得到系統的總體電路圖 并依據電路圖設計 制作印 刷電路板以 及組裝樣機 等 設計時 要綜合考慮各元件的 驅動和帶負載能 力 必 要時做一些部件環節試驗 以驗證電路的正確性 電路板設計時要綜合考慮模擬電路 數字電 路 高頻電 路 低頻電 路 高壓電 路 低壓電 路的布線規則 地線的 布線方法 和原則 以 及印 刷電路 板導 線寬度與 所能 承受的電 壓 電 流關系等 并要綜合考慮抗 電磁千擾等問題 本論文作者工作中 主要設計了 兩塊硬件電 路板 一 塊實現云臺 鏡頭的 運動控制 另一塊實現動態字符疊加功能 在硬件設計過程中 所需 綜合考慮的問 題非常之多 非常之繁復 是 對實踐能力的 極大考驗和提高過程 5 系統的軟 件設計 根據系統總體設計 方案中 軟件實 現的功能 明 確數學模型和算法 遵循自 頂向下 模塊化設計的原則 綜合順序 程序設計 分支程序設計 子程序設計 中斷 服務 程序 設計的各種方法 繪制 程序流程圖 并編寫相 應的 程序 上述的方案設計原則在下文 的具體實現過程中均能處處 體現 6 系統的 聯機調 試 運行和維 護 1 2 碩 士 論 文大型云鏡攝像機控制系統設計及實現 系統的 聯機調試指對整 個系統的 硬件和軟 件進行整體調試 是個比 較復雜 難度 相當大的過程 一般是分模塊進行 而且大的模塊又可分成小的模塊 比如主單片機 模塊 首先要檢查單片機是 否正常復位 是否 啟振 因為這是它正常 工作的前提 然 后才能驗證 程序是否正 常運行 硬件是軟件的工 作平臺 軟件只有工作在正確無誤的 硬件平臺 上才能驗證其正 確性 一 所以一般的 調試過程是硬件調試成功后再調試軟件 軟件利用開發系統先進行 模擬仿真后 再進行在線仿真調試 整個系統聯機調試成功 后 需要先在試驗環節運 行 根據運行狀況再進行相應的硬件或軟件改動 實驗環境 運行滿足要求后 還要在 現場環境運行 現場環境相對試驗環境要復雜得多 一定要 認真觀察運行情況 分析出現的各種故障及原因 此時出現故障時 盡量 采用軟件的 方法修正 本論文涉及的是具體的工程項目 系統在實際工作過程中 可能 會受到 來自 系統 內 部和外部的各種各樣的干擾 使系統發生 異常狀態 在整個設計 實現的過程中 應全面考慮 盡量降低 錯誤和故障的發生率 理 論上的設計和實現在這一個環節將經 受嚴峻的 考驗 根據出 現的 故障 順藤摸瓜 找出 問題所在 修改并進一步進行調試 運行 以使設計的控制系統逐漸趨向滿足設計需求 7 可靠性設計 對于單片機應用系統來說 可靠性是最基本的技術指標 如果一個單片 機應用系 統工作時 不能保證穩定可靠 其它的功能無從談起 單片機應用系統的 可靠性指在規 定的條件下和規定的時間 內 完成規定 功能的 能力 規定的條件包括環境條件 如 溫 度 濕度 振動 電 磁千擾等 使用條件 維修 條件 操作水平等 由 于本論文中 設計的 云鏡控制系統的工作 環境大多在室外 對可靠性的 要求比 室 內 型的監控系統前端設備更高 需要耗費較長的時間和較多的 精力 是成功設計此控 制系統的 最后關鍵一步 其重要性不言自 明 3 1 1 本論文中 采用的 徽處 理器介紹 本云鏡控制系統主單片機采用了a t me l公司較新發 布的帶 1 2 8 k字節 f l a s h 的 在 線可 編 程8 位處 理 器a t m e g a 1 2 8 它 是 精 減 指 令集 微 處 理 器 系列 r is c 中 的 高 檔品 種 具 有 如 下主 要 特 點 1 司 1 先 進 的r i s c r e d u c e d in s tr u c ti o n s e t c o m p u te r 結 構 a t m e g a 1 2 8 具 有1 3 3 條 功能 強 大 的 指 令 大 部 分指 令 在 單 時 鐘 周期 內 執 行 有 3 2個 8 位通用工作寄 存器和外設 控制寄 存器 使實時控制的 表現更加完美 工作在 1 6 m h z 下 具有1 6 m i p s 的 性能 2 非易失 性程序和 數據存儲器 a t m e g a 1 2 8 采用 了h a r v a rd 結 構 具 有 獨 立 的 數 據 和 程 序總 線 程序 存 儲 器 的 指 大型云鏡控制系統總體設計與實現碩士論文 令通過一級流水線運行 其具有1 2 8 k b可重復編程f l a s h 程序存儲器 4 k b的 e e p r o m以及4 k b的內部s r a m 在其b o o t區具有獨立的加密位 可通過片內的 引導程序實現在系統編程 寫操作時真正可讀 3 具有j t a g接口 通過j t a g接口 對f l a s h e e p r o m熔絲位和加密位編程 4 增強的硬件功能 a t m e g a l 2 8 具 有2 個帶預 分 頻 器和 一 種比 較模 式的8 位定叻計 數 器 2 個 擴 充 的帶預分頻器和比較模式 捕獲模式的1 6 位定叻計數器 獨立振蕩器的實時計數器 2 通道8 位p w m 6 通道2 1 6 位精度p wm 8 通道1 4 位a d轉換 輸出比 較調節 器 8 個單端通道 7 個微分通道 2 個增益為1 1 0 或2 0 0 的微分通道 二線wc 串行接口 2 路可編程串行 u a r t接口 力從s p i 串行接口 帶內 部振蕩器的可編 程看門狗定時器等 5 獨有的 特點 上電復位和可編程的低電 壓檢測 內部可校準的r c振蕩器 5 種睡眠模式 即 空閑模式 a d c噪聲抑制模式 省電 模式 掉電 模式和待命模式 可通過軟件選擇 時鐘頻率 全局上拉禁止 6 開發控制系統方便 它具有一整套的 編程和系統開發工具 c編譯器 宏匯編器 調腳模擬器 j t a g i c e 在線仿真器和s l me g a 1 2 8 評估板 a t me l 公司提供一個免費的 集成開發軟件環境一 一 a v r s t u d i o 可從a t m e l 公司網 站下載 在該軟 件中可實現匯編語言的 編輯 純軟件仿真 目 標碼生成等功能 此外 a t m e l 公司 亦推出了刀 pa g口的仿真器一 一 氣 it a g i c e j t a g i c e 加上a v r s t u d i o構成調試系統 除了實現a v r s t u d i o的原有功能外 還可實現對硬件系 統的調試以 及對芯片的 燒寫 另外 a v r s t u d i o可以 外掛第三方的c編譯器 如 免費的 a v r g c c 作為 c語言的源代碼調試 其它還有一些非免費的開發系統如 i m a g e c r a f t i a r 等 9 a 總之 使用這款高性能的單片機可以 保證控制系統基本動作的準確性和可靠性 使得整體系統開發方便 快捷 高 效 并為控制系統將來的功能擴展留有足夠的空間 12云合 運動控制棋塊的 功能 與設 計 為實現系統所提性能指標 合理的電機選擇及電機驅動電 路的 設計顯得非常重 要 綜合考慮系統結構緊湊 體積大 質量較重及性價比 高等要求 最終采用由 兩相 步進電機及相應高性能細分驅動器構成驅動 機構 由 于云臺的驅動采用步進電 機的 方 式 可以 事先將目 標位置設定儲存在微處理器中 并可控制云臺快速行進到設定位置 碩士論文大型云鏡攝像機控制系統設計及實現 這個功能在報警聯動系統中 十分有用 步進電機是一種將電 脈沖信號轉變成相應角位移的機電執行元件 它轉動的角度 與輸入脈沖的個數成正比 轉動的 速度與輸入脈沖的頻率成正比 目 前 比較常用的 步進電 機包括反應式 永磁式及混合式步進電 機這三種 由 于混合式步進電機綜合了 反應式和永磁式兩者的 優點 具有輸出 轉矩大 動態性能好 步距角小等優點 因此 在很多高精度運動控制場合被廣泛采用 本系統最終選用了 步距角為1 s 度的兩相混 合式步進電機作為執行元件 盡管步進電 機具有快速啟停 精確步進 直接接收數字量以 及無累積誤差等特點 但由于步進電 機仍存在相對而言步距角較大 轉速不夠平穩以 及低速振動等問題 限 制了 它在高 精度要求場 合下的 應 用 為了 解決此問 題 需 進行 步距角細分 z 步進電 機步距角細分驅動的工作原理是 在每次輸入脈沖時 繞組電流的幅值不是一次升到 位而是分成階級 逐個階級地上升 即這里繞組電流不再是一個方波 而是一個分成 n個階級的階梯波 則電流每升或降一個階梯時 轉子轉動一小步 當轉子按照這樣 的規律轉過n小步時 實際上相當于轉過一個步距角 談 竹獷 井 mf3id o w x 1 8m e 7 日o br e 9 ms r z 圖3 2 1電 機驅動芯片外圍電 路連接圖 本系統從結構簡單 控制靈活角度出發選用了二相步進電 機專用細分驅動芯片 a 3 9 7 7 來構 成 相 應的 細 分 驅 動 器 a 3 9 7 7 是 一 款a ll e g r o 公 司 新 近 開發出 的 專門 用于 兩相步進電 機的 微步進電 機驅動集成芯片 其內部集成了直接譯碼接口 正反轉控制 電路 雙h橋驅動電 路 輸出電 流最大可達2 5 a a 3 9 7 7 通過其特有的譯碼器使其 大型云鏡控制系統總休設計與實現碩士論文 控制變得相當簡單 最簡單的步進控制只需 s t e p 步進 和 d i r 方向 2 條 輸入線 輸出由d mo s 和雙h橋完成 通過 s t e p 腳簡單地輸入一個脈沖就可以 使電 極完成一次步進 省去了 老式驅動芯片中 相序表 高頻控制線及復雜的編程接口 步進方式可以由m s l 和ms 2 按不同的 狀態組合方式確定 從而方便地使電 機工作在 1 8 1 4 1 2 和整步方式 a 2 9 7 7 外圍電路連接圖如圖3 2 1 所示 3 3遠程通信棋塊的 功能與設計