无触点云台镜头通讯控制电路的设计

https://www.eepw.com.cn/article/201612/333175.htm

电视监控系统是一种典型的分布式计算机信号采集系统。每个摄像机由中央控制室控制，为简化布线，中央控制器与各摄像机间由RS485总线连接，镜头和云台的控制由前端的解码器实现。解码器将主控系统送来的串行码控制信号转换成不同功能电压以驱动前端设备，其原理图如图1所示。

为了降低系统成本，传统的解码器一般用简单逻辑去控制电磁电器或固体继电器而输出控制电压。本文设计的控制电路采用分立元件如MOSFET、TRIAC等，具有体积小、重量轻、低功耗、可靠性高、价格低廉等优点。

1 单片机接口设计

本设计采用的MSP430F149单片机属于德州仪器公司MSP430FLASH系列。MSP430系列是一组超低功耗的微控制器，针对不同应用目标、以不同模块组成，微控制器的设计可使电池长期工作，电源电压范围1.8～3.6V。由于具有16位RISC结构、16位寄存器和常数寄存器，MSP430达到了最大的代码效率。数字控制的振荡器提供所有低功耗模式从快速苏醒到活动模式的能力时间少于6μs。MSP430F149带有两个16位定时器（带看门狗功能）、速率很高的8通道12位A/D转换器（带内部参考电压、采样保持和自动扫描功能）、一个内部比较器和两个通用同步/异步发射接收器、48个I/O口的微处理器结构。MSP430F149擦写次数高达10万次，强力抗干扰，具有工业级的品质。

MSP430F149有60KB的FLASH ROM和2KB的RAM。其中FLASH又分为120段，每段512字节的主存储器和两段信息存储器，每段128B.FLASH可以整个擦除也可以分段擦除，这给系统的软硬件设计都带来了极大的便利和灵活性。鉴于单片机存储器的容量和特点，外部不用扩展存储器和I/O口，外围设备得到了简化。

MSP430F149的工作电压是3.3V，因此其I/O电平也是3.3V逻辑电平，并且与5V TTL电平兼容。但与5V CMOS的标准电平是不一样的，所以不能直接与5V的CMOS标准器件相接。在这种情况下，可以采用双电压（一边是3V供电，一边是5V供电）供电的驱动器，如TI的SN74ALVC164245、SN74LVC4245，或选用74HCT、74ACT系列的CMOS器件。

本设计为了降低成本和简化设计，由单片机发出的控制信号均由MC1413来驱动放大，输出直接驱动光耦和继电器。MC1413输入低电平时断路，输入高电平时为达林顿输出，电流较大，而电平为低，相当于反向隔离驱动放大器。RS485通讯电路则采用74HCT244（+5V供电）驱动I/O口输出。

2 云台控制电路设计

电动云台有俯仰、旋转两个单相交流电机，每个电机有两个绕组，两个绕组有一个公共端，两个非公共端接移相电容。当交流电压从一个绕组接入时，电机正向旋转；当交流电压从另一个绕组接入时，电机反向旋转。单片机发出的云台左右、上下运动的控制信号实际上是对云台的交流电机的正以向控制。

图2是用双向可控硅的云台控制单路电路图。图中的光耦MOC3041是用来隔离可控硅上的交流高压和直流低压控制信号的。其输出用来触发双向可控硅，选用ST Microelectronics公司的T4系列，内部集成有缓冲续流电路，不用在双向可控硅两端并联RC吸收电路，可以直接触发，电路设计比较简单。

3 镜头控制电路设计

变焦镜头有光圈、聚焦、变倍三个直流电机，三个电机有一个公共接地端，在非公共端加正、负电压时电机正、反向旋转。单片机发出的镜头控制信号实现上是对镜头的直流电机的正向电压控制。

直流伺服电机的正反向控制电路一般有H型（桥式）互补对称式和T型互补对称式两种。其中，H型（桥式）互补对称式两路的集成芯片很多，例如UDN2952B，MB3863，L298等。考虑到这类芯片一般较贵，而且镜头的控制路数较多，为了降低成本，采用T型互补对称式驱动电路。

图3为对针对单个电机的镜头控制电路。为了防止上下两个FET功率管同时导通，采用4555双四选一构成硬件互锁，值得注意的是4555由3.3V供电。镜头的电机电源与数字电路之间通过光耦隔离，以避免电机接通和断开时所造成的毛刺影响数字电路的工作。光耦隔离器驱动两个FET功率管，后者直接用来驱动直流电机。两个FET管一个是P型沟道，另一个是N型沟道，形成互补结构。为了避免FET管因电压尖峰而损坏，电路中采用了金属氧化物压敏电阻8作为瞬时吸收保护器。

4 通讯解码电路软硬件设计

4.1 硬件电路

解码器与主控系统之间的数据传送经过RS485收发器MAX485，由单片机的TXD和RXD串行口发送和接收。解码器的单片机有一个规定的地址码，CPU不断查寻RXD口数据，当判别地址数据为本解码对应地址时，读入操作数据，再判别是何种控制功能，发出对应的控制信号。

图4为RS485通讯接口电路。为了提高数据传输的抗干扰性，MAX485为+5V单独供电，采用高速光耦6N137与其他的电源完全隔离，不共地。由于传输线较长且现场可能有电磁干扰，所以在传输线上并联瞬变电压抑制器TVSC，串联熔断器，传输线有屏蔽层的电缆。

4.2 通讯协议与指令结构

监控指令可以简单地分：视频切换、音频切换、电话会议、报警输入、报警布撤防、紧急报警输入、模拟采集、采集设置、请求读入采集量、行动输出、遥控等11种指令类型。这里仅介绍与云台镜头控制有关的指令。

指令类型5：（解码器使用）

说明：遥控指令，有2个字节参数

前1个字节表示状态字；第99状态表示遥控云台、镜头。

其它状态用户自定义。

后一个字节，当第99状态（前1字节为99）时，高4位代表云台动作，低4位代表镜头动作。

具体描述如下：

云台动作：

0不动作 1向上运动 2向下运动 3向左运动

4向右运动 5左上方向 6左下运动 7右上方向

8右下方向 9自动扫描

镜头状态：

0镜头不动 3光圈变大 6光圈变小

3景深不动 2景深远 5景深变近

6焦距不变 1焦距变远 4焦距变近

发送中指令格式如下：aa,参数长度，源，宿，类型，参数……，校验和

除参数一部分可以是0～n个字节外，其它都为1个字节。aa为指令头。参数长度为参数部分的字节数（0～99），源为信源的地址编号，宿为信宿的地址编号。类型为1个字节，分高4位与低4位两部分，高4位表示传递双方方式。

定义为：高4位为0是下行指令（计算机发给解码器），高4位不为0是上行6指令（解码器发给计算机），低4位就是前面介绍的指令类型号。校验和为除帧头以外的其余各字节之和与256的余数。

例：如主机发送控制命令给3#解码器，命令格式如下：

云台上 aa 02 00 03 05 99 10 xx

镜头焦距远 aa 02 00 03 05 99 01 xx

其余类推。

要解决总线上的冲突，保证指令的正确传输，需要一个好的通信协议。通信协议分两个部分：一是发送前解决冲突问题，二是发送时要保证发送的正确性。

（1）当一方需要发送指令时，判断信道上有没有人在发指令。如果有，直到指令发送完再等待10ms；

（2）发一随机数（一般为自己的帐号），再接收这个数，判断是否正确。正确则表示无冲突发生，进行下一步操作；不正确表示冲突发生，等待一随机时间，转到（1）。

（3）当发送指令时为保证指令的正确性，须遵从以下协议；

发送方：发送后须等到确认指令后才能把此指令从发送队列里删除。如果未收到确认，则隔一段时间重发一次（时间间隔设定为10ms）；重发三次后，仍未收到确认，则把此指令从队列里删除；同时，给出出错信息，当发送方收到重发指令后，应立即重发。但重发次数不能超过三次，超过三次后，也把指令删除，同时给出信息。

接收方：当收到正确指令时，应马上发回确认指令；若接收错误，应马上发回重发指令。

注意：凡是应答指令，不应放在发送队列中，而是即时产生马上发送出去，且不用遵循发送前的信道争用协议，因为协议本身保证此时马上发回会有任何冲突。

在设计无触点云台镜头通讯控制电路的过程中，充分考虑了电路的简易实用性，力求达到较高的性价比。目前该设计已经应用到电视监控系统中，取得了较好的实用效果。