（信号与信息处理专业论文）楼宇可视对讲系统的研究与设计.pdf

长春工业大学硕士学位论文 摘要 社会的进步引起了人类生活模式和思维模式的改变，安防产业的市场前景越来越 被看好，监控和数字服务是安防产业重要的技术支撑手段。楼宇对讲系统从九十年代 初开始进入中国，到现在中小城市都随处可见，智能楼宇对讲己发展成为行业新亮点。 楼宇对讲系统对于保障人民生活与社会安全具有重要意义，已经从普通对讲发展到可 视对讲，可视对讲功能日益趋向于多样化和综合化。以实时监视、控制、报警等特点 深受广大小区用户的欢迎，并取得了较大的经济效益与社会效益。当前，随着科学技 术的发展和人们生产生活水平的提高，智能楼字可视对讲系统将被越来越多地应用于 各个住宅小区以及豪华别墅区。开发一套具有较强功能的实时监控的可视智能楼宇对 讲系统，必将有很好的应用前景。 可视对讲系统的数字化是必然的发展趋势，然而数字信号传输速率要受到带宽和 处理机运算速率的影响，当传输大容量信息时，经常出现语音或者画面迟缓或停顿现 象。高性能数字系统的设计需要高速处理芯片和优秀的压缩算法，价格成为制约数字 可视对讲系统市场应用的重要因素。 本论文研究并开发的实时监控可视对讲系统由小区出入口主机、单元主机、楼层 信号隔离器、室内分机、管理机等部分组成。论文简要介绍了智能楼字、可视对讲技 术以及通信控制方式的国内外现状；给出了采用单片机控制的模拟图像和语音传输可 视对讲系统的设计方案；重点研究并设计完成技术难点之一一对讲系统硬件构成；分 析和研究了视频信号传输原理及过程以及可视对讲中的啸叫产生原因，给出了消除啸 叫的方法，并对负载阻抗匹配、视频信号接口、直流电源以及单片机控制等问题给出 了解决方案：在对c a n 节点设计的基础上，解析了c a n 网络的结构和组成，搭建了一 个通信可靠、传输速率快捷的现场总线平台；设计并通过了对讲系统软件编写和调试； 分析了c a n 通信协议的特征，包括标准帧和扩展帧的组成、接收缓冲器和发送缓冲器、 单双验收滤波器工作机理，给出了c a n 控制器的地址、程序框图和初始化程序、人机 接口软件设计方法；完成了对讲系统的调试和分析。设计中采用的单片机智能控制技 术和现场总线技术，对系统布线可以实现根据小区内不同的建筑布局进行树形或星形 的网络拓扑方式灵活选择。 该系统在语音和图像传输上无停顿现象，并且在强抗干扰性、低价位、易调试等 应用方面具有显著的优势。本设计简化了系统组成、降低了成本、提高了可靠性，设 计开发的实时监控可视对讲系统在高、中低档小区建设与旧小区改造工程中有极为广 阔的市场。论文在有线通信、现代交换技术、音视频传输技术、计算机网络技术、电 脑多媒体技术，单片机微电脑控制技术、尤其在充分利用i o 端口技术等应用方面进行 了有意义的研究和探索。 关键词：c a n 通信，传输，可视对讲，智能楼字，微处理器 长春工业大学硕士学位论文 t h el i v i n gm o d e sa n dt h i n k i n gm o d e sa l t e rw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h em a r k e t o fg u a r d i n gi n d u s t r yi nw h i c hs u p e r v i s i o na n dd i g i t a ls e r v i c ei st h et e c h n i c a lb a s ew i l lb e b o o m i n g i n t e r c o ms y s t e mb u i l d i n g si n t oc h i n af r o mt h eb e g i n n i n go ft h e1 9 9 0 st ot h e p r e s e n t , s m a l la n dm e d i u m s i z e dc i t i e sc a l lb es e e ne v e r y w h e r e i n t e l l i g e n tb u i l d i n gi n d u s t r y c u t sh a v eb e c o m eab r i g h ts p o t n o w a d a y s ，t h eo r d i n a r yi n t e r - c o n v e r s a t i o ns y s t e mh a s d e v e l o p e di n t ot h ev i s u a li n t e r - c o n v e r s a t i o ns y s t e m ，w h o s ef u n c t i o n st e n dt ob ed i v e r s i f i e d a n d c o m p r e h e n s i v e t h ed i g i t i z i n go ft h ev i s u a li n t e r - c o n v e r s a t i o ns y s t e mi sa ni n e v i t a b l e t r e n d h o w e v e r , t r a n s m i s s i o nv e l o c i t yo fd i g i t a ls i g n a l sw i l lb ei n f l u e n c e db yb a n d w i d t ha n do p e r a t i o n v e l o c i t yo f p r o c e s s o r s g e n e r a l l ys p e a k i n g ，i ti si n e v i t a b l et h a tt h e r ew i l lb ej a ma n dd e l a yo f d i g i t a lf l o wa sw e l la ss o u n do rf i g u r es l o w n e s sa n dh a l t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o na r i t h m e t i c a n dt h ea p p e a r a n c eo fn e wa p p a r a t u so f m u l t i m e d i a , i ti sp o s s i b l et op r o d u c et h ef u l ld i g i t a ls y s t e mo ff l o w i n gm e d i ao fh i g hs p e e d b u tt h ep r i c eo ft h i ss o r to ft h ed i g i t a ls y s t e mi sv e r yh i g hb e c a u s ei tn e e d sn o to n l y c o m p r e s s i o nr a t i oc h i p a n d d e c o m p r e s s i o nc h i p o fh i g h v e l o c i t y , b u t a l s o i m a g e c o m m i n u t i n gp r o c e s s o ro fh i g hv e l o c i t ya n dn e t w o r kj a w s ，t h eh i g hp r i c er e s t r i c t si t s d e v e l o p m e n t t h ev i s u a li n t e r - c o n v e r s a t i o ns y s t e mw h i c ha d o p t sd i g i t a lp r o c e s s o rt oc o n t r o ls i m u l a t i v e i m a g e sa n ds o u n dc o m m u n i c a t i o nw i l lp r o d u c eab i gm a r k e t ，b e c a u s et h i ss y s t e mh a sa d i s t i n c tp r e d o m i n a n c ei ns e v e r a la s p e c t s ，s u c ha st h es l o w n e s so fs o u n da n di m a g e ，s t r o n g a n t i a m m i n gc h a r a c t e r , l o wp r i c ea n da p td e b u g g i n g d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a l c o n t r o l l i n gm e t h o d sa n dc o n v n u n i c a t i o np r o b l e m s ，w ec o n s i d e ri tt oa d o p t t h ei n t e l l i g e n t c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y a n dt h ec a nc h i e fl i n e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y w e c a nm a k ef u l lu s eo fi op o r t sa n ds a v em a n y c o n n e c t i n gl i n e si fw ea d o p tt h ei n t e l l i g e n t c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y t h ec a nc o m m u n i c a t i o nc a nn o to n l yi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d s e c u r i t yo fc o m m u n i c a t i o n ，b u ta l s o i m p r o v et h ev e l o c i t y o fc o m m u n i c a t i o n w ew i l l s t u d y s i m u l a t i v es o u n di n t e r - c o n v e r s a t i o na n ds i m u l a t i v ei m a g et r a n s m i s s i o no ff u l l d u p l e xc o m p u t e r sw i t hl o wd i s t o r t i o nr a t i o d e s i g n e da n dp a s s e st os p o k et h es y s t e m s o f t w a r ec o m p i l a t i o na n dt h ed e b u g g i n g ，t h i sw a st h es y s t e ms o u la r ep a r t i a l i n t r o d u c e dt h e c a nc o r r e s p o n d e n c ea g r e e m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，i n c l u d i n gt h es t a n d a r d f r a m ea n dt h e e x p a n s i o nf r a m ec o m p o s i t i o n ，r e c e i v e st h eb u f f e ra n dt h et r a n s m i s s i o nb u f f e r , t h eo d da n d e v e na p p r o v a lf i l t e rw o r km e c h a n i s m ，i n t r o d u c e dt h ec a nc o n t r o l l e ra d d r e s sa n dt h e 长春工业大学硕十学位论文 i n i t i a l i z a t i o ns 0 1 a r ed e s i g nm e t h o d t h i ss y s t e ma s s e m b l yp r o g r a mb e l o n g st ot h em o r e c o m p l e xa s s e m b l yp r o g r a m ，a l t o g e t h e rh a ss e v e r a ls t a t u r ep r o c e d u r e s t h i sd e s i g n s i m p l i f i e d t h es y s t e mc o m p o s i t i o n ，r e d u c e dt h ec o s t ，e n h a n c e dt h e r e l i a b i l i t y , t h ed e s i g nd e v e l o p m e n tr e a l t i m em o n i t o r i n gv i s i b l et os p o k et h es y s t e mi nt ob e h i g l l ，c e n t e ri nt h el o w - g r a d ep l o tc o n s t r u c t i o na n dt h eo l dp l o tt r a n s f o r m a t i o np r o j e c th a st h e e x t r e m e l yb r o a dm a r k e t a n di nt h el i n e w i r ec o m m u n i c a t i o n , t h em o d e me x c h a n g e t e c h n o l o g y , t h es o u n dv i d e of r e q u e n c yt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , t h ec o m p u t e rn e t w o r k t e c h n o l o g y , t h ec o m p u t e rm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , t h e m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t m i c r o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi nf u l l yu s i n ga p p l i c a t i o na s p e c ta n ds oo ni 0 p o r tt e c h n o l o g yc a r r i e do ns i g n i f i c a n tt h ee x p l o r a t i o na n dt h er e s e a r c h k e yw o r d s ：c a nc o m m u n i c a t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，t h ei n t e r - c o n v e r s a t i o n ， i n t e l l i g e n t b u i l d i n g s ，m i c r o p r o c e s s o r i i i 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 旅缎 己伽7 年予l 月 长春工业人学硕l ：学位论文 第一章绪论 1 1 系统概况介绍 1 1 1 智能楼字的国内外现状 智能楼宇的发展史，是一个从监控到管理的发展史。国外早在数十年前就有超高 层大楼了。一栋大楼内的设备非常多，各种专业系统同时并存( 如空调系统、给排水 系统、变配电系统、保安系统、消防系统、停车场系统等等) ，操作和运行这些系统， 便成了问题。在当时的技术条件下，只能采用大型的仪表集中盘对各种重要的设备状 态进行监视，并通过操作盘来进行集中式的操作。但是，在配线上，仍采用个别配线 的方式。如果需要将某设备的状态信号及操作功能全部显示于中央监控室，就必须一 对一的设置配线，这样就产生了配线太多的问题。考虑到经济效益，最后只能选择一 些最重要的设备在中央监控室内显示和操作，而大多数设备仍在现场操作和记录。 8 0 年代，由于微电脑技术的发展以及信号传送技术的进步，大楼内部的中央监控 系统开始发生了变化，对楼宇各种设备的状念监测不必再一对一地配置线路了。一对 信号线路就可传送多种信号，所有的设备状态都可以显示于中央监控室内，很容易进 行操作和管理，不但节省了人力，而且提高了效率。但是在控制功能方面，由于当时 的现场控制器价格昂贵，功能也不完善，所以大部分的系统运算及处理功能，仍需集 中到中央控制室内由计算机主机进行处理。当时中央监控系统的功能，多限于初级的 设备状态变化显示、时间表和直接控制管理，以及对现场传送来的数据进行运算。 而在9 0 年代的今天，以前需要由中央监控主机完成的功能，己由一些低价格、高 处理能力的现场控制器所取代。中央监控室的操作人员，只要下达所需要的指令，现 场控制器就会自动的参考其它数据进行演算并控制相关的设备，以达到操作者的要求。 这样一来，中央监控系统的主机，就不需要再负担大量的数据运算工作，而中央监控 的功能也逐步由控制改为提供各种数据报表和专项的统计文件。 此时，“中央监控系 统”的名称就逐步改为“中央管理系统”，其内涵的范围也由以前的集中监视、集中控制， 扩大到集中监视、集中管理，分散式控制。中央监控室的主机也变为以提供报表和紧 急应变处理为主，因此，中央监控室也可以称为防灾中心。该中心不断地将各种数据 报表提供给管理人员，通过分析数据报表，以求本大楼最低的运营成本( 如节省能源、 节省人工成本等) ，从而进一步提高大楼的附加值。当有灾害发生时，可以通过大楼管 理系统得知何时何地发生何事故，便于事故处理人员的迅速反应，减小事故带来的危 害和影响。 现代的大楼管理系统应该是一个智能化的综合管理系统。它能够利用收集到的楼 内相关资料，分析整理成具有高附加值的信息，并运用先进的技术和方法使大楼的作 业流程更有效、运行成本更低、竞争力更强。同时，该管理系统能够使大楼内各个实 长春工业大学硕士学位论文 时子系统高度集成，做到保安、防火、设备监控三位一体，进一步实现了楼宇管理系 统( b u i l d i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ，b m s ) 、办公自动化( o f f i c ea u t o m a t i o ns y s t e m ， o a s ) 和通信与网络系统( c o m m u n i c a t i o n & n e t w o r ks y s t e m ，c n s ) 集成在一个图 形操作界面上来进行整个大厦的全面监视、控制和管理。 1 1 2 可视对讲技术的国内外现状 对讲系统从上世纪8 0 年代兴起于日本和欧美，在欧美国家、香港、台湾等地区己 采用近2 0 年，国外的可视对讲产品主要有韩国、日本、台湾品牌。自1 9 9 2 年起，国 外楼宇对讲系统生产制造商陆续到中国开拓市场，楼宇对讲产品进入国内市场最先是 从单户机型开始的。早期的楼宇对讲产品功能比较单一，主要是单户型与单元型楼宇 对讲产品，只是简单的实现访客系统的基本功能。自2 0 0 0 年来，有实力的厂家集中开 发联网型楼宇智能小区，楼宇智能系统集成度越来越高，首先实现了多门口机多管理 机系统，接着集成了安防报警、小区服务及信息发布等功能，另外一些厂家还集成了 三表远抄、监控及巡更等系统，产品的稳定性在进一步提高。对讲系统的数字化、网 络化、信息化、智能化是楼宇监控今后发展的方向，m o t o r o l a 公司2 0 0 3 年年底 在中国国际高新技术成果交易会上推出了数字化可视对讲，该系统不但具有对讲、监 视等功能，还有多媒体帮助、访客留影、信息发布、广告服务等先进功能。 目前采用的可视系统是通过遥控摄像机及其辅助设备( 镜头，云台等) 直接观看 被监视场所的情况，把被监视场所的图像内容、声音内容传送到监控中心，用长时间 录像机将图像记录在录像带上，为突发事件的及时响应和日后处理提供了方便条件和 重要依据。虽然闭路电视监控系统在银行、商场等公共场所应用广泛，但在居住小区 及楼宇公共安全防范系统中的应用却相对缓慢，一个重要的原因就是闭路电视监控系 统所需的多画面分割器、长时间录像机等设备价格昂贵。 随着可视对讲系统的成本进一步降低、市场继续扩大、新技术的不断引入，该产 品功能将出现多元化。如门口机引入图像识别技术、指纹识别技术使系统更人性化： 采用音、视频数字化技术、a r m 嵌入式技术可使系统直接接入宽带网：采用蓝牙技术 可以实现免御线的无线楼宇对讲系统等。目前，规模较大的厂家在销售、工程安装、 服务方面的成本居高不下，随着产品标准化进程，工程安装、服务的社会化，产品成 本会逐步降低。总之，楼字对讲产品的发展已经到了新的阶段，但还有很多方面还不 很成熟，未来的楼字对讲产品将向新的高度发展。 1 1 3 通信控制方式的国内外技术现状 楼字对讲系统中需要传输的主要是三类信号，它们分别是音频信号、视频信号和 数据信号。在楼宇对讲系统布线中，重点需要考虑的是：音频传输质量、视频传输质 2 长春工业大学硕士学位论文 量、数据传送质量的优劣。在介质材料上，目前主要以多芯线为主流方式，视频信号 用同轴电缆传送，音频、数据、电源通常用r v v 线，也可以使用网络线。 传统的控制模式中模拟及数字监控系统前端设备与控制中心需要有视频线、信号 线相连，前端有几路摄像机就要有几条视频线，这种方式往往不能适应新型智能化可 视对讲的要求。现在的数据传送一般采用专用编解码芯片、c a n 收发器、r s - - 4 8 5 等 方式。采用差分数据传送方式如c a n 、r s - - 4 8 5 等，这种传输在信号抗干扰方面具 有优势，而采用基带电平方式传送数据将极易受到干扰，这在大型小联网系统中尤为 明显。在布线结构上，大多数产品采用现场总线方式，将网络分为干总线( 联网) 和 支总线( 单元) ，由路由器( 分线器) 连接。 现场总线是一种工业数据总线，现场总线f b ( f i e l db u s ) 技术是主要解决现场的智 能化仪表、控制器、协作机构等现场级设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技 术。一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备 之间的信息共享：另一方面又将现场运行的各种信息传到远离现场的控制室，以进一 步与上层管理控制网络联接和信息共享。既可以将一个现场设备的运行参数、状态以 及故障信息等送往控制室，又可将各种控制、维护、组态命令甚至现场设备的工作电 源等送往相关的现场设备，从而沟通了生产过程现场级控制设备之间及其控制管理层 之间的联系。现场总线技术发展十分迅速。到目前为止，应用于各种不同场合的主要 总线协议已有数十种，较为著名的有过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 、基 金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l db u s ) 、控制器局域网现场总线c a nb u s ( c o n t r o la r e a n e t w o r k ) 、可寻址远程传感器数据通路( h a r t ) 和局部操作网络( l o n w o r k s ) 。 从许多资料分析和应用实践来看，f f 、l o n w o r k s 或h a r t 与国内的技术状 况和承受能力有一定距离。c a n 总线更适合我国国情，其通信芯片价格较为低廉，并 且使用较方便。c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的 控制与测量仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线， 通信介质可以使用双绞线、同轴电缆和光导纤维，通信速率可达1 m b p s 。 1 1 4 国内楼宇对讲系统现存的主要问题 1 粗劣产品冲击市场 普及型楼宇对讲系统的技术含量不高，生产投资较少，市场又看好，各种经济实 体的厂家都一哄而上，打破原来只有几家大型企业独霸市场的格局，促进了各厂家在 开发引进新产品，提高质量、降低成本、做好售后服务等方面的投入，相反，也带来 了不少负作用。不少小工厂或者就是手工作坊，生产条件极差，整体素质低，毫无技 术力量可言，更谈不上专业化，大批量的生产，一味粗制滥造，以廉价打人市场，冲 击着市场上的优质产品，这些粗劣产品在刚丌始安装使用楼宇对讲系统的地方，因故 障频繁，给正常生活带来极大的不便，造成极坏影响，严重影响楼宇对讲系统的形象， 长春工业大学硕士学位论文 对进一步发展市场起到较大的阻碍作用。 2 对讲系统的质量问题 楼宇对讲系统是公共设备，又安装在室外，对质量要求较高，而目前质量的控制依 赖于对电子元件的严格重筛选和制造工艺的严格要求。国内电子元器件市场的结构及 采购方式很难对元器件的质量有所控制，订做专业i c ，尽可能地替代独立元件，楼宇 对讲系统的质量及使用寿命【1j 会大幅提高，降低制造工艺不完善造成的不良因素也会降 低生产成本，实现批量化生产。 3 编码方式 现在工程单位的技术水平参差不齐，而对讲系统的选址、编码基本上都采用现场编 码1 2 l ( 批脚、拔号、剪线等方式) ，易出现不少人为故障，如采取电子搜索编码，则可将 其控制到最低。 1 2 对讲系统研究的意义、内容和特点 楼宇对讲系统在国内的发展虽然时间不长，但由于其市场i j i 景被商家们一致看好， 时至今日，生产厂商已猛增至2 5 0 家左右。楼宇对讲已经与电视监控，防盗报警、门 禁管理、智能停车场等共同组成了安防产业。由于社会的进步，人类生活模式和思维 模式的改变，加之，随着经济的发展，社会阶层的分化加剧，社会治安情况的不容乐 观，监控和服务成为安防产业重要的技术支撑手段。基于网络的可视对讲研究，将更 加有利于提高市场竞争优势，提高自动化管理水平，提升管理效益。 可视对讲系统根据信道中传输的信号分为：数字型和模拟型两种。数字型系统在 信道传输中传输的是数字信号如声音、图像数字信号，但数字信号要受到频率带宽和 处理机运算速率的影响。一般来说，数字信号传输中不可避免存在语音或图像信号的 延时，出现语音或画面停顿现象。如果采用高速处理器和优秀的压缩算法以及足够的 带宽技术，例如：采用d s p 和f p g a 作为处理机1 6 】，工作在3 0 m 高速环境，并采用 3 2 位高速a d 和d a 转换芯片【8 j ，同时采用优秀的语音和图像压缩算法，将可以生 产出高性能的数字系统。但是一个好的产品的市场推广价格因素具有重要的地位， 价格，数字系统的市场价格大大高于模拟系统，这就是数字系统很难市场推广的 理由。而采用微处理器控制的模拟通信可视对讲系统却具有很大的市场，该系统在延 时性、抗干扰性、低价位、易调试等方面具有显著的优势。 根据市场调研，现在使用的模拟可视对讲系统在设计上存在两点明显不完善的地 方：一种是技术上采用的是传统的数字电子技术，利用门电路的逻辑关系控制各个对 象，这样的设计需要多达几十根的信号控制线以及大量按键。第二种是采用传统的通 信手段r s 4 8 5 或r s 2 3 2 通信，该设计存在缺点是：人机界面不友好、控制对象数量限 制、通信不稳定、信号传输质量不好、系统安装复杂且成本高，尤其要提的一点是这 4 长春工业大学硕士学位论文 样的通信中如果某控制点出现赦障将容易引起整个通信网络的瘫痪，引起故障的无限 扩大。 针对传统的控制方式和通信问题，考虑采用单片机智能控制技术和c a n 总线通 信技术【7 - 1 们。利用单片机的智能技术可以充分利用其i o m t q u x 端口的功能节省大量 的按键和连线；c a n 通信可以提高通信的可靠性和安全性，提高通信速率。在c a n 现 场总线通信平台上我们将进一步研究低失真率的全双工模拟语音对讲和模拟图像传 输。 根据系统设计的实际情况，我们把研究内容分为硬件部分和软件部分。其中硬件 部分包括模拟电路设计部分( 对讲部分、可视部分、电源部分) 和单片机设计部分( c a n 通信节点部分、人机界面接口部分、网络构建部分) ；软件部分包括人机界面软件的设 计和c a n 通信协议的设计。 针对用户在传统可视对讲使用中提出的问题，本文主要研究的内容是： 1 全双工对讲时存在声音啸叫现象。如何有效的减弱或消除啸叫是本设计中要解 决的主要问题。 2 对讲时存在声音浑浊和失真现象。经过研究发现主要是由于扬声器负载和功放 输出阻抗不匹配引起的。另外，对讲时需要有效的抑制环境噪声。防止噪声信号窜入 语音通道。同时需要解决视频信号放大和接口问题。 3 采用较先进的现场c a n 总线通信，需要解析c a n 协议中标准帧和扩展帧的 格式、输入输出缓冲器和验收滤波器工作原理。需要进一步研究通信协议的执行约定、 c a n 智能节点的电路实现、c a n 通信网络平台的构建等。 可视对讲系统主要有三种工作方式：可视对讲方式、监听方式、群呼方式，系统需 要研究在不同工作方式下继电器的切换响应。 设计的主要特点是： 1 将工业中使用的c a n 现场总线应用在可视对讲系统中。 2 将工程实际经验和理论知识有机结合。设计的系统以可靠性高、成本低、控制 简单、易调试为追求的目标。 1 3 本文的结构 本文在介绍可视对讲及通信控制方式的发展和研究现状基础上，对传统可视对讲 中主要存在的问题及解决方法以及c a n 通信的软、硬件设计方面进行较深入的探讨。 全文的结构如下： 第一章可视对讲和通信控制的研究现状： 第二章系统硬件设计部分，对可视对讲系统几个主要问题和c a n 通信的硬件接 口电路进行分析、研究与设计： 长春工业大学硕上学位论文 第三章系统软件设计部分，给出了对键盘和显示界面软件设计、c a n 总线软件协 议设计； 第四章系统调试部分，具体给出一些主要模块的单体调试和系统总体调试过程及 方法，在此基础上，提供一些设计的实物图和界面图： 第五章研究内容的总结和展望。 6 氏春工业大学硕上学位论文 第二章对讲系统硬件研究与设计部分 2 1 系统总体设计思想 本系统的硬件部分主要可分为中央处理芯片及外围电路、单片机与各房间的信号 输入与驱动、主机与各房间分机对讲及音频处理二部分。 中央处理芯片及外围电路部分主要实现用户的输入、处理与显示。本系统单片机 采用p i c l 6 f 8 7 7 a 芯片作为主c p u ，p i c l 6 f 8 7 7 a 是一个省电，高效的8 位c m o s 微 型计算机并且具有1 6 k 字节的可编程，可擦写的只读闪存，在线的闪存允许系统内部 的程序存储器被编程，或通过普通的不挥发的编程器编程。p i c l 6 f 8 7 7 a 是一个强大的、 可提供一个高伸缩性和有效的解决许多插入式控制申请的方法的微型计算机。 系统包括主机和若干分机，主机位于楼宇入口或是值班室内，分机分布于各个用 户室内，采用现场总线c a n 通信，c a n 网络为分布式网络结构。系统的显示部分采 用的是四片1 6 4 来驱动四个l e d 实现。对讲采用全双工模拟信号工作，工作方式分为： 可视对讲、监听、群呼。当有来访人员时，通过门口主机或值班室的呼叫可以和需要 访问的用户室可视通话：用户机之间可以任意通话；用户遇到有紧急情况需要援助时，可 按室内机的“呼叫”键呼叫值班室，管理主机在振铃的同时显示呼叫者的房间号码，摘 机后即可与之通话；反之，值班室管理中心也可呼叫楼宇内的任意用户，在紧急情况下 管理中心可以广播的形式同时呼叫各用户( h - i s 。设计方案如图2 - 1 所示。 图2 - 1 设计方案图 可视对讲可以实现以下功能： 1 来访客人和朋友的通行 2 紧急事件和公告的通知 3 紧急呼救情况的传递 4 邻居居间的联系和提供服务的要求等 需要研究的是基于单片机的用户界面设计、语音对讲和图像传输控制、c a n 总线 7 长春工业大学硕士学位论文 通信设计等部分。作为工程系统将在设计方案的选择中考虑系统的可靠性、合理性、 经济性【17 】。 2 2 硬件部分 2 2 1p i c l 6 f 8 7 7 a 引脚简介 p i c l 6 f 8 7 7 a 是4 0 脚的芯片，附录图中p i c l 6 f 8 7 7 a 主要引脚使用情况说明。 r b 口一接模拟电子开关，以便选择相应的住户，接通信号 r a 口一接显示模块，由c p u 发送相应的字模表值，显示相应数码 r a 2 一接显示字模表时钟线 r a 3 一接显示字模表的选通端 r e 2 一接x 2 5 0 4 5 芯片的片选端 r e 0 ( r d ) ，r e i ( w r ) 分别接数据线t x _ d a t a ，数据线r x d a t a r c 6 ( i ) ，r c 7 ( t x ) 一接l b c l 8 4 通讯芯片的r 、d 端 2 2 2 显示部分 显示部分采用的是l e d 液晶显示，数码管为共阳极，其中所有发光一极管共连后 接到用于控制l e d 是否点亮控制引脚，正常显示时，该控制脚接+ 5 v ，各发光一极管 是否点亮取决于a - g 各引脚上是否有低电平o v 。 2 2 3x 2 5 0 4 5 芯片 8 引脚的x 2 5 0 4 5 把二种常用的功能：看门狗定时器，电压监视和e e p r o m 组合在 单个封装之内。这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。看门狗定时 器对微控制器提供了独立的保护系统。x 2 5 0 4 5 的存贮器部分是c m o s 的4 0 9 6 位串行 e e p r o m ，它在内部按5 1 2 8 来组织。x 2 5 0 4 5 的特点是具有允许简单的二线总线工作 的串行外设接口( s e n a p e r p h e r a li n t e r f a c e ，s p i ) 和软件协议。 2 2 4s n 7 5 l b c l 8 4 通讯芯片 s n 7 5 l b c l 8 4 片内a 。b 引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，这种结构能承受峰值 为4 0 0 v ( 典型值) 的过压瞬变，从而显著地提高了器件抗过压瞬变的可靠性。过压瞬变 是指超过线路工作电压的非正常高压脉冲，其宽度可以从几十毫微秒至几微秒。引起 过压瞬变的来源通常是雷电、静电放电和交流电故障。普通的r s 4 8 5 收发器很容易被 过压瞬变损坏，如果要有效地加以保护，一般需外加包括隔离变压器在内的保护器件。 若使用l b c l 8 4 ，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件，这提供了一种可靠、 低价和简单的设计方案。 长春工业大学硕士学位论文 2 3 模拟设计部分 2 3 1 对讲部分 2 3 1 1 音频传输方式 音频传输方式，通常分为三种：音频不作任何改变的基带传输方式；通过调频或 者调幅传输方式：把音频信号转变成数字信号的音频信号的数字化传输方式。 1 音频不作任何改变的基带传输方式 由于音频信号不需要转为其它传输方式，所以，音频信号的电路简单，制造成本 低，被现在楼宇对讲系统所普遍采用，但其缺点是：传输距离短，一旦受到外界干扰 而不容易消除，需要独立的音频信号传输线。 2 通过调频或者调幅把音频信号转换成射频信号的传输方式 此种方式被广泛用在广播和电视的音频信号传输中，其特点是：音频信号传输距 离远，使用调频方式传输的音频信号抗干扰能力强，失真小，音质清晰。缺点是：在 发射和接收设备中，分别增加了调制和解调电路，价格相对比第一种方式要高，但可 同时传输多路调制的音频信号。 3 把音频信号转变成数字信号的音频信号的数字化传输方式 此种传输方式是把音频信号完全转换成数字信号，其音频信号的质量取决于音频 信号的采集精度，采集精度越高，数据量越大，信号采集和还原电路成本越高，但数 字信号在传输过程中，不会有任何丢失，此种音频信号传输方式，在数字程控交换机 中广泛使用，但在实际运用中，由于数字音频信号数据量相对较少，在一条线中可以 传输多路数字语音信号，或者可同时传输其它的数据或图像信号。 2 3 12 语音输入 为了提高语音的清晰性和低失真度，语音输入采用了驻极拾音话筒输入，并且输 入的信号必须是有效的语音信号，而环境噪声、回传语音都将作为干扰信号，在输入 时需要被电路过滤掉，如果噪声被放大，语音信号将可能被淹没。 考虑到驻极拾音话筒的灵敏度较高、方向性差等问题，在设计中为有效抑制噪声， 电路采用双拾音话筒差分放大输入法。双拾音话筒输入电路图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 双拾音输入电路图 9 长春工业大学硕士学位论文 该电路中，集成运算放大器l 用于差分信号输入，集成运算放大器2 用于放大差 分电压信号并且放大倍数可以调节，集成运算放大器3 为电压跟随器方式，目的是为 了降低输出电阻，提高带负载能力。 两个驻极话筒安装时采取背对背放置法，利用其良好的方向性，有效消弱噪声。 环境噪声差分输入比较示意图如图2 3 所示。 号差分输入 环境噪声 图2 3 环境噪声差分输入比较示意图 声源到达两只驻极拾音话筒的距离分别为l 1 和l 2 ，环境噪声到达两只驻极拾音 话筒的距离分别为l 3 和l 4 ，差分放大器放大的信号是两驻极拾音话筒输出端信号的 差值。由于环境噪声离话筒的距离相对较远，放大的是差分噪声信号为i a l 3 = 0 ，而 声源离话筒的距离相对较近，被放大的语音信号为l 2 l i 0 ，此时，声源语音信号被 有效放大了而环境噪声反而没有被差分放大器放大，设计中正是通过这种方法有效的 抑制了环境噪声。 2 3 1 3 群呼时的阻抗匹配问题 功放输出主要有两种方式，一种是定阻输出方式，一种是定压输出方式。如果采用 的是定阻输出方式，按照平常思路，会把所有的负载扬声器简单并联在一起，这样一 来，不但放大电路的语音失真问题将会十分严重，而且可能烧毁功放。烧毁的原因主 要是由于功放输出阻抗和扬声器负载阻抗不匹配引起的，当只有一个扬声器负载时由 于阻抗匹配一般不会碰到语音失真问题，但是当处于群呼状态下，有n 只扬声器负载 并联时，由于此时的负载总阻抗为一只扬声器阻抗的n 分之一，引起功放输出的电流 很大，甚至超过功放的最大输出电流。如果以常见的8 欧姆扬声器和2 欧姆阻抗输出 的变压器为例，则需要采用如下图接法。阻抗匹配变压器连接示意图如图2 - 4 所示。 1 0 长春工业大学硕士学位论文 8 欧姆0 5 w x 4 图2 - 4 阻抗匹配变压器连接不意图 但是，实际工程中用户单元数一般是不定的，也就是说，n 的值是不固定的，所以 阻抗匹配变压器的阻抗无法设计，实际工程中定阻功放输出方式是行不通的。我们考 虑采用的是7 0 - d i o v 的定压输出功放机，定压功放是专门为公共场所设计的，使用时， n 只扬声器负载只要并联在一起就可以了，当然在每个扬声器的信号连接口需要安装 降压变压器，目的是将信号从7 0 1 i o v 的电压降到扬声器的工作电压。另外，需要注 意的是n 只扬声器负载的总功率和功放的额定输出功率必须一致，负载总功率小于功 放机的输出功率将会烧毁扬声器，大于将使得功放机的功率无法得到正常发挥。工程 中为了节省降压变压器，扬声器选用特定的小功率定压扬声器，而且定压扬声器的额 定电压和定压功放的输出电压是一致的，这样就节省了n 只降压变压器节省了成本。 2 3 1 4 功率放大问题 可视对讲系统中功放电路有两路，一路是上面介绍的主机输出定压功放，另一路 是主机输入功放。主机输入功放设计在主机板上，用于放大分机传输来的语音信号。 一般来说，功率放大器设计额定功率在3 w 左右，并且功率可以连续调节，需要注意 的是功率调节和音量调节是不同的两回事。另外，集成功率放大器需要安装散热器。 2 3 1 5 啸叫问题的出现原因及解决方法 根据工程的实际经验，啸叫现象是全双工对讲时主要存在的问题。由于此时主机 和分机的语音输入和扬声器输出是同时开通的，主机扬声器输出的语音又一次进入主 机的驻极拾音话筒，同时分机扬声器输出的语音又一次进入分机拾音话筒，系统就形 成语音通道的j 下反馈，在正反馈通道中又有两个功放电路正向叠加，从而引起啸叫。 啸叫产生示意图如图2 5 所示。 主枫 定压功皴分帆 图2 - 5 啸叫产生示意图 长春工业大学硕士学位论文 消除啸叫的办法是切断正反馈语音通道。比如可以考虑采取语音单工工作方式， 即前向通道和后向通道分时开通，但是由于系统设计的要求为全双工工作，故此法不 能采用。系统必须在语音全双工工作下研究减弱啸叫的方法，减弱啸叫的有效方法是 语音正反馈通道的弱祸合。设计中在驻极话筒1 位置采用双拾音差分输入，此时把扬 声器1 的语音输出作为环境噪声抑制，同时减小可调功放的放大倍数。通过实验发现， 这种方法在一定程度上切断了语音信道的通路，有效的抑制了啸叫的产生。 2 3 2 可视部分 2 3 2 1 视频信号传输方式 视频信号传输方式，通常分以下几种：视频信号的基带传输方式；把视频