（检测技术与自动化装置专业论文）基于rs485网的局域监控系统.pdf

芏 。6 5 7 7 6 摘要 【摘要】本文主要介绍了利用r s - 4 8 5 总线局域网建造堡塞垦獭鱼拉系统 的研制和实现方法。r 本文把系统分为三个部分：主控制器、矩阵切换器和终端 解码器，另外介绍了视频图像的一些相关知识。其中系统的组网研究与主控制 器的软硬件研制是本文讨论的重点一 论文详细论述了系统的组网及其相关问题，特别具体地论述了主控制器软 硬件的实现方法，其中包括关键芯片的应用、存储空间及其参数分布、几个重 要程序模块、令牌管理和动态组地址的应用。另外介绍了相关的v c + + 基础 知识、串口控件的使用和操作控制平台的实现、矩阵开关芯片m t 8 8 1 6 的应用、 切换器系统的研制、实现大型交换机的理论探索、解码器软硬件的实现，以及 监控系统视频图像的相关理论知识，最后进行研制工作总结。 o 关键词：r s - 4 8 5 总线局域网，串口通信，c c s e e p r o n 参数分布令牌管理。 动态组地址彻换夥解码视频图像数字化、 a b s t r a c t 【a b s t r a c t j i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h et vs e c u r i t ya n d c o n t r o ls y s t e mw h i c hi se s t a b l i s h e db yu s eo fl a nb a s e do nr s 一4 8 5b u s i s i n t r o d u c e dm a i n l y t h es y s t e mi nt h i sp a p e ri sc o m p a r t m e n t a l i z e dt ob et h r e ep a r t s ： m a i nc o n t r o l l e r , m a t r i xs w i t c h e ra n dt e r m i n a ld e c o d e r , a n ds o m ei n t e r r e l a t e d k n o w l e d g e a b o u tv i d e o i m a g e i s i n t r o d u c e d a n d ，t h e r e s e a r c ho fe s t a b l i s h i n g s y s t e m sn e ta n dt h ed e s i g no fm a i nc o n t r o l l e r sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a r et h e k e y s t o n eo f t h i sp a p e r t l l i s p a p e rd e a l s w i t hi nd e t a i 】t h e s y s t e m s n e t w o r ke s t a b l i s h e da n di t s c o r r e l a t i v ep r o b l e m ，e s p e c i a l l yt h er e a l i z a t i o no fm a i nc o n t r o l l e ro fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，w h i c h i n c l u d e st h e a p p l i c a t i o n o fk e yc h i p s ，m e m o r y s p a c ea n d i t s p a r a m e t e rd i s t r i b u t i n g ，s e v e r a li m p o r t a n tp r o g r a m m em o d u l e ，t h em a n a g e m e n to f t o k e na n dt h ea p p l i c a t i o no fc h a n g e a b l eg r o u pa d d r e s s i na d d i t i o n ，t h i sp a p e r s i m p l y d e s c r i b eo t h e rc o n t e n t s ：s o m ec o r r e l a t i v ea n db a s a lk n o w l e d g e ，t h ea p p l i c a t i o n o fc o n t r o lo fs e r i a lp o r ta n dt h er e a l i z a t i o no f o p e r a t i o np a n e li nw i n d o w so p e r a t i o n s y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o no f m a t r i xs w i t c h i n gc h i pm t 8 8 1 6 ，t h er e s e a r c ho fs w i t c h e r a n d e x p l o r i n g r e a l i z a t i o no fg o o d s i z e d s w i t c h e r ，t h er e a l i z a t i o n o fd e c o d e r s h a r d w a r ea n ds o f w a r e ，s o m ec o r r e l a t i v et h e o r e t i ck n o w l e d g ea b o u tm o n i t o ra n d c o n t r 0 1s y s t e m sv i d e oi m a g e t h e r ej st h ec o n d u s i o no f m y r e s e a r c ha n dw o r ki n t l l ee n d k e y w o r d s ：r s 一4 8 5b u sl a nls e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n | c e n t r a l c o n t r o ls y s t e m | e e p r o m p a r a m e t e rd i s t r i b u t i n g | t o k e n m a n a g e m e n t | c h a n g e a b l eg r o u pa d d r e s s | s w i t c h e r | d e c o d e r | d i g i t a lv i d e oi m a g e i l 皇至型垫盔堂堡主堂垒鲨塞 釜二童丝堡一 第一章绪论 1 1概述 闭路电视监控系统是电视技术在安全技术防范领域的新应用，它是一个跨 行业的综合性保安系统。闭路电视监控系统能给人最直接的视觉、听觉感受， 以及对被监控对象提供可视性、实时性及客观性的记录，即能在人们无法直接 观察的场合，却能实时、形象、真实地反映被监视控制对象的画面，并提供处 理报警紧急情况的安全防范手段，因而已成为人们在现代化管理领域中的一种 极为有效的辅助工具，它广泛应用于银行、邮电、交通、医院、商业、教育、 海关、监狱、智能小区等各种领域，甚至个人家庭之中。随着我国社会经济的 发展，闭路电视监控系统的应用领域还在不断扩展，借助光纤、微波或电话线 路进行远程多点图像监控的应用已开始进入邮电、水利、电力、铁路和会议等 各个领域。通过计算机局域网进行图像监控的系统方案也已开始进入实用阶 段，如数字化多媒体网络监控系统，视频会议与远程监控系统等。 监控系统技术也是随着科学技术与工程技术的发展而发展的，组成一个多 功能、全方位监控的、高智能化的闭路电视监控处理系统，需要运用世界上最 先进的传感器技术、监控摄像技术、数字图像处理技术、网络通信技术和计算 机科学技术等。目前国内许多公司在监控系统领域也取得了可喜的发展，如北 京的黄金眼，南京的博爱多媒体技术，深圳中兴等，但是与欧美同行( 如美国 p e l c o 公司、美国a d 公司、日本的松下公司等) 相比，在产品的性能上还有 一定的差距，而且监控系统的终端核心部件( 如传感器、摄像机、监视器等) 以及集成电路技术也在外国公司的掌握之中，也因此使得国外的监控系统产品 对于国内许多用户来说就显得十分昂贵。 由于监控系统应用的领域极其广泛。因而监控系统的规模、用户的实际市 场需求千差万别。虽然市场上性能优异的监控系统产品很多，规模和指标要求 也能达到各种层次用户的要求，但是其价格对于国内许多用户来说一时还难以 承受。所以针对市场上一般用户的实际需求，开发出物美价廉的监控产品就成 为必要，既满足了他们所需要的技术指标要求，又大大降低了他们的投资。正 1 ! g ! ：型丝叁。兰塑! ：堂丝丝塞 兰= 望堑坠 一一 是鉴于此，我进行了甚于r s 4 8 5 衲鲍监控系统的研发工作。 1 2系统总体介绍 经过到现场和同类系统研发部门的调研，以及对系统的分析和论证，我们 决定使用r s 4 8 5 总线通信传输标准来组建监控系统。在总体上，本系统应具有 以下一些特点： 一、监控系统的硬件平台实现模块化，通用性好，易于扩展和维护。为 此整个系统的硬件平台划分为三个部分分别研制：控制台控制器部分、视音频 输入输出切换部分和终端解码器部分。三个部分通过局域r s 4 8 5 网络进行通信 与控制。主控制器部分由主板和副板组成，主板完成系统的操作与控制，副板 实现系统的通信管理。切换器和解码器两个部分的c p u 板与命令控制执行板 相分离。这部分工作已基本完成，目前还需增加的研制工作是同轴视控的实现， 即实现电源线、视频信号线和控制信号线的三线合一。 二、监控系统的配套软件实现模块层次性好、可操作性好、容错性好， 易于进行局部维护与功能的扩展：提供底层执行软件与上层应用软件的良好接 口，便于以后的完善和改进工作，也给后继者节约许多重复的调试时间，使得 直接修改上层软件部分就可以得到设计者所需要的系统功能。初步完成计算机 w i n d o w s 操作平台的通信控制，为以后改善操作界面及完善操作功能打下基 础。 三、实现多个操作控制台操作和实时报警的需要。多个控制台可以给多 个管理人员同时对终端系统执行控制器进行操作。即使在操作人员正在进行系 统操作时，如果监控终端有报警紧急情况，也要产生报警信号，而不因系统站 点的增多显著增长报警信号的反应时间。 1 3 研究内容及论文主要内容与结构 1 3 1 研究内容 论文课题来源于实际的工程技术应用研发项目，这一项目是为银行、商场 2 电子科技大学硕士学位论文第一章绪_ ；| ! 仑 等一般用户而进行的。一年多时间以来，我主要从事了以下一些工作： 1 系统的组网研究。提出适合本系统的通信控制协议。使用r s 4 8 5 传输标 准组建局域监控通信网络，并使用一个专门的c p u 进行系统通信控制的管理。 2 系统主控制器硬件及其配套软件；终端解码器系统的硬件设计以及配套 软件；切换控制器系统的硬件设计及配套软件，以及在理论上探索和研究大型 切换器( 交换机) 的设计和实现方法。 3 系统控制器操作平台，主要实现系统的智能性和操作平台的友好性。为 此设计控制台的键盘控制和计算机控制两部分，以满足用户需要的多样化。 4 学习并掌握当前监控系统采用的新技术数字视频图像处理与应用技 术，提高数字视频技术和网络通信技术的的理论水平，并加深它们在监控系统 领域中应用的理论认识。 在一年多的研制设计工作中，由于理论水平和技术水平的限制，使得整个 系统还有许多值得改进和完善的地方，但是它使我获得了实际工程应用技术研 发方面丰富而又宝贵的经验，并加深了我对理论知识的认识和理论联系实际的 应用能力。 1 3 2 论文内容与结构 为了使读者方便、快速地了解本论文的主要内容，这里从总体上简要介绍 下论文的章节安排及其内容。 第二章详细介绍系统组网及其相关问题。内容包括：系统的硬件结构及其 通信控制原理框架；系统组网实现手段r s 4 8 5 收发器及其相关知识；系统使用 的r s 4 8 5 局域网监控系统的网络协议控制帧格式及其通信控制命令定义；单片 机串行口通信的知识及实现方法，以及计算机串口通信知识及其总线通信转换 接口卡。 第三章是本论文的中心与重点，主控制器硬件实现上划分为两个部分：监 控系统c p u 的主板部分和系统总线网络管理c p u 的副板部分。对于主板部分， 首先介绍主板部分采用的关键芯片，并结合本人对它们的成功应用给出它的硬 件及其底层软件的设计方法，接着对主板软件中的存储器参数及几个较为复杂 程序的实现作了详细的分析，然后介绍主程序的实现。对于副板部分，主要阐 3 电子科技人学硕七学f 口论文 嬉一章绪论 明它管理系统各个站点c p u 令牌的方法，以及实现硬件掉线、站点或线路故 障查询的报警，其中着重介绍了动态组地址的概念及其在系统实时报警中的应 用。 第四章论述了使用v c + + 实现w i n d o w s 串行口通信控制的方法，内容包括： 相关w i n d o w s 编程的基础知识；串行口通信控件的内容和使用方法；简单 w i n d o w s 操作界面( 实现控制台的键盘实时操作一样的功能) 及其关键的消息 处理、数据转换与处理、发送控制命令数据帧到r s 4 8 5 总线的方法、串行口的 设置和参数数据的存储等的实现。 第五章介绍矩阵开关芯片m t 8 8 1 6 的知识与使用方法，以及矩阵切换器的 软硬件设计与实现，最后探索研制大型矩阵切换器( 交换机) 硬件优化设计理 论及实现途径。 第六章论述解码器的软硬件设计原理与实现方法，其中着重论述了云台的 来回转动和接收动态组地址帧的程序模块实现方法。 第七章论述视频信号传输及其数字视频图像技术的简单理论知识，并简单 介绍了数字视频技术在监控系统中的应用，以形成数字视频图像方面的理论基 础知识，为以后从事数字化监控系统方面的相关工作打下必要的理论基础。 第八章是论文的总结部分，其中指出了本课题工作的成就与不足，总结自 己一年多研制的工作经验和教训。目的一方面是为了给相关软硬件系统的初学 设计者提供经验参考，另一方面是提高以后从事科研工作的研究水平和工作效 率。 - 4 一- 皇王型垫盔堂堡主堂垡鲨皇蔓三童墨竺丝塑婴壅芝塞婴一 第二章系统组网研究与实现 2 1 概述 随着数字技术和自动化控制技术的发展，为了在一个由上位机( 微机、系 统主控制器) 和下位机( 终端执行控制器) 组成的自动化控制系统的各个部分 之间进行有效地通信和控制，以达到整个系统的高度自动化、智能化，就需要 采取一种有效的措旋。解决这种问题的最成熟可行的办法就是对系统进行组 网。由于系统组网与系统的规模及系统的具体要求紧密相关，因此论文在参考 i n t e m e t 及其它工控网的基础上，针对本系统所应用的场合及特点，提出了应 用r s 4 8 5 来组成局域网络，完成整个系统的通信与控制。 本系统主要应用在银行、超市、宾馆、工厂车间等等需要终端摄像、报警 监控的中小型控制系统。系统的要求如下： 传输控制信号线达几千米。 3 2 个远程终端解码执行控制器。 1 个3 2 8 的中小型视音频矩阵切换器。 l 台系统主控制器及可达8 个的副控制器。 实时自动快速报警。 视、音频监视自动快速地连接到报警终端场地。 本系统采用p , $ 4 8 5 收发器来组成系统通信与数据传输的桥梁。信号的发送 者和接受者都是5 1 单片机或者微机，信号发送和接收都通过串行口进行。因 此本章是这样组织的：首先给出系统的原理框图，以说明组建该网络的思想； 其次说明用r s 4 8 5 组网的相关问题；接着介绍本系统所用的收发器；然后具 体说明本系统的网络协议与传输控制格式；最后简要介绍了收发信号的手段一 一串口通信，以及总线转换接口卡。 网络组建历来是系统实现的关键和难点之一，虽然各种成熟的网络理论不 少，但是对于监控系统来说，借助相关的网络组建理论，并全面根据系统的具 体情况，组建具有自身特点的网络，往往能达到事半功倍的效果。 ：! ! 壁厶堂堡兰堂堡迨塞兰兰望墨丝塑堕! 盟篓兰兰兰坠一 一解码器1 3 2 、_ 图2 2 1 系统原理框图 6 电子科技大学硕士学位论文第二章系统组网研究多j i 翌 2 2 系统原理介绍 系统设计容量为3 2 个解码器( 终端站点) ，一台3 2 x 8 的矩阵切换器，一 台主控制器，8 台分控制器( 包括微机) 。解码器的作用是将控制台发送来的信 号进行解释并执行指定的相应操作或控制，如对云台、摄像机、报警器的操作 和辅助操作，以及进行实时报警捕获、接收令牌并发出报警信息帧，通知系统 警戒。切换器( 也称音频、视频交换机) 的作用是执行控制器发出的切换控制 命令，进行视、音频联动切换操作，包括有报警情况时实时地把报警点的图像 和声音输送到指定的监控设备。分控制器只执行对解码器和切换器的手动操 作，而且要在获得主控制器给予的令牌后才能进行。整个系统的原理框图如图 2 2 1 所示。 图2 2 1 所示的系统原理框图中。只列出了输出部分8 台监视器中的一台 及输入部分3 2 台中的一台终端解码器及其解码执行器，关于解码器的研制与 实现在第六章详细介绍；中小型3 2 8 型视音频联动矩阵切换器的原理与实现 将在第五章作详细介绍；分控制器由计算机和分控台控制器组成，设计容量最 多为8 个，分控制器的功能就是主控制器的部分功能，即它只能进行主控制器 给它授予的某些权限功能，如：摄像机和云台操作、切换器的视频图像和语音 切换操作，而主控制器的功能要复杂得多，因此在第三章将详细地介绍主控制 器的软、硬件的研制与实现。 整个系统的数据信号传输具有如下特点：在没有报警的情况下，信号几乎 都是下行的，即从控制器到解码器或切换器，线路并不繁忙，而在有报警的情 况下，由主控制器( 其中的r s 4 8 5 总线网管理c p u 一副板) 迅速反映并进行 相应的操作动作，如：接通监视器与报警点的视频图像和监听语音通路、发出 报警等一系列动作。 整个系统的软、硬件已经全部实现并均已调试成功。系统各个部分的软、 硬件的具体实现请查看附录清单，利用这些清单直接就可以投入生产、制造出 产品来。 1 4 型丝叁= i ! 堡鲎焦坠塞 笙三皇丕竺! ! 塑业塞兰塞婴一 2 3r s 一4 8 5 组网及相关问题 在一些工程实际中，如分散目标监控系统、数据采集系统、食堂售饭等自 动控制系统都存在多站、远距离通信的问题。在这些工业控制及测控领域中较 为常用的网络之一就是物理层采用r s 4 8 5 通信接口。 数字信号的传输随着距离的增加和信号传输速率的提高，在传输线上的反 射、串扰、衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而限制了通信距离。 普通的t t l 电路，由于驱动能力差、输入电阻小、灵敏度不搞以及抗干扰性能 差，因而信号传输的距离短。r s 2 3 2 接口电路的驱动能力要比t t l 电路大， 抗干扰能力也大大提高了，但是r s 2 3 2 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电 容负载，因而通行距离受到此电容负载的限制，而且r s 一2 3 2 属于单端信号传 送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，故r s 2 3 2 一般用于2 0 m 内的 通信。 相对于r s 2 3 2 的通信距离短、抗干扰能力差等缺点，r s 一4 8 5 具有网络连 接方便、抗干扰性能好、传输距离远等优点。r s 4 8 5 收发器采用平衡发送和差 分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测 到低达2 0 0 m v 的电压，可靠通信的传输距离可达数千米。使用r s 一4 8 5 总线组 网，只需一对双绞线就可实现多系统联网构成分布式系统，设备简单、价格低 廉、通信距离长。实践的应用证明，构成r s 4 8 5 总线网络时，最重要的是在 满足通信指标的条件下，能够稳定可靠地运行。以下详细介绍需要考虑的问题 以及实现的具体网络协议。 2 3 1 r s 一4 8 5 收发器的选择 1 防静电和抗静电放电冲击 r s 一4 8 5 接收器差分输入端对“地”的共模电压允许一7 。+ 1 2 v ，若超过此 范围，器件就可能损坏。在构成r s - 4 8 5 总线网时，采用双绞线作传输线。传 输线一般在室外架空或沿电缆沟敷设。实践证明，雷电在传输线上引起瞬变干 扰常常会损坏器件，因此防止雷电损坏收发器足设计中应考虑的问题，也是提 电子科技大学硕士学位论文蔓三里墨堡塑堕堑窒鱼塞塑 高系统可靠性的一项重要措施。防止雷电的办法，一种是采用t i 公司的具有 瞬变电压抑制的收发器s n 7 5 l b c l 8 4 ( s n 7 5 l b c l 8 4 芯片在2 3 4 节将作详细 介绍) ；另一种是使用普通收发器，； , l n 钳位电路。 设计中要考虑的另一个问题是抗静电放电冲击。由于各种原因引起的静 电，其电压值可能高达数千伏以上，因此器件就可能由于静电放电的冲击而不 能运行或者损坏。有效的办法是选用带静电保护的器件，如s n 7 5 l b c l 8 4 和 m a x i m 公司的m a x l 4 8 7 e 、m a x l 4 8 3 e m a x 4 9 1 e 等。s n 7 5 l b c l 8 4 的总 线引脚能抗8 k v 的静电放电冲击，而m a x i m 公司的这些器件能抗1 5 k v 。 2 故障保护 r s 4 8 5 接受器的灵敏度为2 0 0 m v 即差分输入端电压u - u8 i + 2 0 0 m v 时输出逻辑1 ，u u 日一2 0 0 m v 时输出逻辑0 ，一2 0 0 m v u 一u 日 4 不是没有有 3 2故障保护 l s k ve s d m a x 4 8 3 e 坐 o 2 5是有 有3 2 保护 m a x 4 8 5 韭 2 5 不是没有有 3 2 电子科技人学硕卜+ 学化论文第二啦系统纠”日f i j 究与实现 15 k ve s d m a x 4 8 5 e、i - -2 5不是没仃仃 3 2 保护 m a x 4 8 8全02 5是没有没有3 2 m a x 4 9 0全2 5不是没有没有3 2 m a x 4 9 1全2 5不是没有 有 3 2 1 5 k ve s d m a x 4 9 1 e全2 5不是没有 有 3 2 保护 没有完整的光隔 m a x1 4 8 0 b半o2 5 是有 3 2 有离 m a x l 4 8 2 全0 2 5是有 有 2 5 6 m a x l 4 8 3 生 0 2 5是有 有 2 5 6 m a x l 4 8 7半2 5 不是没有有1 2 8 1 5 k ve s d m a x l 4 8 7 e半2 5 不是没有有】2 8 保护 2 3 4 组网芯片s n 7 5 l b c l 8 4 介绍 芯片s n 7 5 l b c l 8 4 和芯片s n 7 5 1 7 6 的标准相兼容。两个差分输入线引脚 有高能量瞬变干扰保护措施( 图2 3 4 一b ) ，使得它能承受峰值为4 0 0 v 的过压 瞬变，大大提高了器件的高抗压可靠性。 1 芯片特点： 、b c b a n d 睫 口 矗 r k 逆椒功肥j l - 3 噔柑 图2 3 4s n t s l b c l 8 4 ： _ 一 瞬变电压抑制，防雷电和静电放电冲击。 电磁干扰小，能减少传输线不匹配引起的反射。 输入端丌路故障保护，热关断保护，低的禁t l 电流：3 0 0 u a 。 2 引脚功能及网线连接 邀 电予科技大学硕士学位论文第二章系统组网研究与实现 如图2 3 4 - - a ，1 脚信号接收，与单片机或微机的信号接收引脚连接在一 起( 连接方法如图2 3 6 ，具体接线图请参考本系统的电路原理图。) ，2 脚接收 控制，3 脚发送控制，4 脚信号发送，与单片机或微机的信号发送引脚连接在 一起，5 脚接地，6 、7 脚差分信号传输线，8 脚接+ 5 v 电源。r s 一4 8 5 总线多 站的连接方法如图2 3 5 。可见总线上每个收发器的6 脚( a ) 连在同一根总线 上，7 脚( b ) 连在同一根总线上。通常2 、3 脚连在同一根单片机或微机的控 制线信号上，以方便程序控制，因为该芯片是半双工的。 图2 3 5 多站互联原理图 图2 3 6c p u 与r s - 4 8 5 的连接 2 4 系统网络协议 为使系统各个部分之间能够进行有效、可靠地通信，选择或定义适当的网 络协议非常必要。本系统在参考美国的p e l c o mc o m p a n y ( 派尔高公司) 的 r s - 4 8 5 协议后提出了自己的网络协议，系统协议帧格式如下表2 4 1 所示。本 系统的网络协议帧每帧数据为8 字节，开始第一字节z l ( 以下z i 表示第i 字节) ， 最后一字节z 8 。z 8 是前面7 个字节的各对应位相异或运算的结果，运算方法 为：丕墨苎丕! 鱼丝鱼墅鱼丝叟墅叟丕鱼墨2 。 表2 4 1 系统协议帧格式 f z 1z 2z 3z az 5z 6 z 7z 8 f 开始符地址命令控制数据l数据2 数据3结束符异或效验和 开始符与结束符均与派尔高的标准相同，即是：z 1 = a o h ，z 7 = a f h ( 以下h uf 科技人学硕十：学位论文第一：尊系统缃刚研究与1 1 垫 为后缀的表示是1 6 进制数，没有后缀的表示是1 0 进制数) ，z 2 表示的是接收 该数据帧的接收器站点地址( 即每个站点均有2 个地址：一个是系统广播地址 f f h ，另一个是站点地址，每个站点均对具有其中一个地址的协议控制命令帧产 生响应) ，z 3 表示该站点所要执行的命令，z 4 、z 5 、z 6 表示z 3 所要执行的内 容。以下主要说明z 3 、z 4 、z 5 、z 6 为定义的系统协议机制。 下面分别对每一个z 3 字节的命令控制详细说明。 1 命令控制字节z 3 定义的帧含义。 ，0 1 h复位帧0 2 h报警信息帧 f 0 3 h切换命令帧0 4 h上位机查询帧 1 0 f i h清除信息帧0 6 h保留 i z 3 = l 0 7 1 q设置波特率帧a c ha c k 响应帧 、 l o h云台操作控制帧 l 2 0 h 摄像机操作控制帧 i 3 0 e报警操作控制帧 l 4 0 h 令牌帧 i 5 0 h组地址操作帧 1 ) z 3 = 0 1 h 是复位命令，复位站点为z 2 指示的地址，若为广播地址，则整 个系统各站点均要接受复位控制命令( z 2 = f f h 时，执行的控制命令效果 与站点本身地址的相同) 。 2 ) z 3 = 0 2 h 是报警信息帧，而z 4 是报警源地址，z 5 是其报警信息内容。 3 ) z 3 = 0 3 h 是切换控制命令，z 4 = 摄像机输入路数，z 5 = 输出的监视器号数。 此帧只有切换控制器接收，其地址为8 0 h 。为了方便控制与传输，输入路 数的值与终端解码器的地址值相一致，设计的范围为0 1 h 。2 0 h ( 共3 2 个解码 器。也可以方便的扩展到4 0 h 共6 4 个解码器) 。输出路数的值范围为0 1 h ，0 8 h ( 共8 个监视器) 。 4 ) z 3 = 0 4 h 是上位机查询帧，z 4 = 查询方的地址。z 2 = 被查i = f l j 方的地址。 5 ) z 3 = 0 5 h 是清除信息命令，清除对象是z 2 表示的地址。 6 ) z 3 = 0 7 h 是波特率设置命令，z 4 = t h l 商位字节，z 5 = t l l 低位字节。 7 ) z 3 = a c h 是a c k 响应帧，z 2 = 上位机地址，z 4 = 响应方地址。 8 ) z 3 = i o h 是对云台操作控制的命令帧，此时： z 4 = 0 1 h 是上，z 4 = 0 2 h 是下，z 4 = 0 4 h 是左，z 4 = 0 8 h 是右，z 4 = 1 0 h 是上下，z 4 = 2 0 h 是左右，z 4 = 4 0 h 是停止，z 4 = 8 0 h 是辅助。 当z 4 = 8 0 h 辅助操作时，z 5 = 0 1 h 是开辅助l ，z 5 = 0 2 h 是关辅助l ，z 5 = 0 4 h 是开辅助2 ，z 5 = 0 8 h 是关辅助2 。 9 ) z 3 = 2 0 h 是对摄像机操作的控制帧，此时： z 4 = 0 1 h 是摄像机电源开，z 4 = 0 2 h 是电源关，z 4 = 0 4 是镜头远，z 4 = 0 8 h 是镜头近，z 4 = 10 h 是镜头长，z 4 = 2 0 h 是镜头短，z 4 = 4 0 h 是镜头大，z 4 = 8 0 h 是镜头小。 1 0 )z 3 = 3 0 h 是对报警终端操作的命令帧。此时： z 4 = 0 1 h 是报警全开，z 4 = 0 2 h 是报警全关，z 4 = 0 4 h 是开报警1 ，z a = 0 8 h 是开报警2 ，z 4 = 1 0 h 是开灯光，z 4 = 2 0 h 是关灯光。 1 1 ) z 3 = 4 0 h 是令牌帧，拥有此令牌可得到一次发言权。 在整个系统的r s 4 8 5 局域网上，在同一时间里只能有一帧数据在传输， 各个解码器或者分控台只有在拥有此令牌时，才能向总线发送数据。此令 牌由主控制器的总线网管c p u 控制发放。 1 2 )z 3 = 5 0 h 动态组地址操作命令指示帧，z 4 = 组路由指示，z 5 = 组命令指 示。 组路由方式操作控制是本文针对实时快速报警的要求创造性提出来的，它 大大提高了报警反应的速度，因此。此方式只对报警操作有效，组路由操 作方式的定义将在后面章节的主控制器总线网络管理c p u 详细介绍。 以上的通信协议，已在实际调试过程中证明是有效的和可靠的，它具有以 下特点：扩展性好，即还有许多保留的z 3 、z 4 、z 5 和z 6 未定义，只要增加 通信协议，并在收发器中加入相应的功能模块，就能实现更为丰富的功能：+ 易 于维护，即在重新制定协议时，只需修正收发模块及与应用层接口中相应的控 制命令或数据字节含义，就可实现新的协议，而不必改变上层应用程序。 2 8 串口通信 串口通信分为串1 2 同步通信和串口异步通信。同步通信指通信双方以相同 电f 科技人学顾l 学他沦文第一二章系统自! 堕塑塑蔓墨 的速率进行，而且要准确地协调好，这种通信在时钟同步方面要求非常苛刻t 对硬件及软件设计均有相当高的要求，因此对一般设计者并不实用：异步通信 指不要求双方进行速率同步，通信双方只需要遵循相互设定的异步通信协议( 可 以简单的对单片机或微机的操作寄存器进行设置加以实现) ，就可以实现双方 通信，因而收到一般设计者的普遍欢迎。本系统采用异步通信机制：1 字节= 1 位开始位+ 1 位停止位+ 8 位数据位，波特率= 2 4 0 0 。下面以系统中底层通信 的应用为导向，具体介绍单片机和微机的串口通信。 2 5 1 单片机串口通信 1 串口通信的初始化设置 1 ) 串行口控制寄存器设置s c o n ( 9 8 h ，特殊功能寄存器) 和p c o n ( 电 源控制管理) ，p c o n 7 即s m o d = i 时为波特率加倍控制位，加倍所设置的波 特率值，为0 时不加倍。s c o n 字节内容如下格式： 【d 7 d 6d 5d 4d 3d 2d 1d o i s m 0s m ls m 2r e nt b 8r b 8t ir i s c o n ( 9 8 h ) 下面对s c o n 各位的含义作一大体介绍( 详细内容 在许多单片机书籍上都有描述，本文不在累赘，以下同) ：其中s m l s m 0 为串 口工作方式选择控制位，它提供了4 种工作方式，方式1 可以用于自动装载计 数值且使用便易；s m 2 是多机通信控制允许位，指引起接收中断条件r e n 为 串行接收允许控制位，r b 8 t b 8 分别是接收发送数据的第九位数据( 一般用 于多机通信) ，r f t l 分别是接收发送中断标志，均在操作有效时硬件置位，清 除中断标志时只能用软件的方法进行。 2 ) 波特率设置，为便于波特率设置及改变的灵活性，本文采用工作于自 动装载计数值方式的定时器1 作为波特率发生器，波特率和定时器计数器1 重 装值的计算式为： 波特率= ( 溢出率( 3 2 2 ”) ) 其中溢出率= 计数速率【2 5 6 ( t h l ) i i ) t m o d ( 定时器方式寄存嚣) 和t c o n ( 定时器控制寄存器) ： 皇王塑塾盔堂亟主堂垡鲨塞 箜三童垂堡丝婴婴塞兰堡塑一 l d 7d 6d 5 d 4d 3 d 2d ld o m lm 0g a t e c ，r m 1m 0 lg a t e c ，r t c o n ( 8 9 h ) 其中：g a t e = i 外中断引脚0 软件设置控制定时器工作，d 6 2 i 计数o 定时方式，m 1 m 0 = 计数方式选择。高四位为定时器1 ，低四位为定时器 0 。 8 f h8 e h8 d h 8 c h 8 b h8 a h8 9 h 8 8 h it f lt r lt f 0t r 0 i e li t li e 0 i t 0 t c o n ( 8 8 h ) 其中：t f x 是定时器( x = 1 或o ) 溢出标志，可软件清0 或进入中断口硬件清0 ， t r x 是定时器运行控制位，i e x 是外中断x 请求标志，i t x 是外中断触发方式 选择。 4 ) 系统采用的串口初始化程序片段如下： m o vt m o d ，# 2 1 h；定时器1 设为方式2 、不用门控，用于串1 7 1 波特 室 m o v t l l ，# 0 f 4 h m o v t h l ，# 0 f 4 h；定时器l 重装值f 4 h ，即波特率= 2 4 0 0 b i f f s 。 m o vs c o n # 5 0 h：串口方式l ，r e n = i ，允许接收。 m o v i e ，# 9 2 h；d 7 = 量a = l 打开中断，d 5 = e s = i 允许串口中断。 s e t bt r l：运行定时器l ，开始波特率发生器 2 串口通信接收与发送 系统网络通信以数据帧形势进行，每帧数据为8 个字节，因此收发数据帧 时是连续8 次的收发操作。基于系统的特点，为了能够实现网络令牌管理以及 实时报警处理，主控制器在收、发程序中就必须比其它站点的串口中断程序多 出报警的记录、处理和握手模块( 主控制器一章中论述) 。下面只给出系统串 口通信共有的收发处理程序流图，如图2 5 1 和2 5 2 所示，在程序清单中：接 收子程序是s b r ( $ 口中断程序) ，发送子程序是s o u t 。 2 5 2 微机串口与总线转换接口卡 1 微机r s 2 3 2 串口的知识 垒型堡丛堂晒i 学f 节论史第耵二章系统组网研究与实现 微机r s - 2 3 2 串口有d b 2 5 和d b 9 两种接 j 类型，主要功能与引脚接口图 如图2 5 3 。系统采用d b 9 类型的串口，。在w i n d o w s 平台下，可以查询串口 的地址与中断号，也可以利用控件和程序自动实现，其操作平台将在第四章介 绍实现方法。 2 r s - 2 3 2 与r s 4 8 5 转换接口卡 r s 一2 3 2 与r s 一4 8 5 总线信号的逻辑电平定义是不一样的，因此计算机系统 要接收或发送r s 4 8 5 总线上的数据帧信息，就要进行信号电平的转换，转换 的原理图如图2 5 4 所示。 图2 5 1 帧接收流图 图2 5 2 帧发送流图 皇至型丝盔堂堡主堂垡迨塞篁三童墨竺塑旦婴塑量壅堡 2接收数据3 d b 9 1枯拱特榴 d b 4 舯榴爨端觑绪2 2 5 5信号地7 6 神据甜客般姥 6 精糯静薯就绪6 r 涪除 i 拱5 图2 5 3 微机串口引脚功能图 r s 4 8 5 总线 发送 s n 7 5 1 7 6发送 1 p c m a x 2 3 2 is n 7 5 1 7 6 接收 d b 9 - 1 2 串口 一接收 l 。 。地j 鬟 ii 图2 5 4 总线信号转换接口卡原理 一一1 9 一 电子科技大学硕士学位沦文第三章c c s 的研制l j 实堡 第三章c c s 的研制与实现 3 1c c s 概述 c c s ( c e n t r a lc o n t r o ls y s t e m 中央控制系统) 是整个系统的控制核心，它 不但要提供友好的操作界面，还要高效地对系统中各个站点进行通信与管理。 宏观上，c c s 的特点： 1 ) 将控制主机的电路或功能划分为两部分：一是主板部分，也称c c s 主 板或c c sc p u ，专门用于接收用户对各个站点的实时操作和自动或程控地进行 用户所希望的操作，接收并处理用户输入的参数和对系统的设置，它应具有掉 电保存参数、而上电参数生效的功能；二是副板部分，也称c c s 副板或总线网 管c p u ，专门用于对系统的各个站点进行通信或令牌管理。 2 ) 在网管c p u 中，使用动态组地址的通信算法，可以在操作人员进行系 统操作的同时捕获终端站点的报警信息，大大提高了实时快速报警的速度，保 守估计的反应时间小于1 秒钟。 结合系统主机与键盘和液晶显示器部分，c c s 的功能模块组成关系如图3 1 所示。 图3 1l 系统主机功能模块原理图 现将图3 1 两个主要模块的功能论述如下： - 2 0 电子科技大学硕士学位论文第三章c c s 的研制与实现 1 c c sc p u 模块。它类似于计算机，能够在掉电后保存用户设置的各种 参数，保持时钟的运行，而在上电后，能够调入相关参数并使用户设星自动生 效；它也可以给总线网管c p u 和其它各站点提供运行参数，即初始化其它站 点；它需要给操作人员提供友好方便的操作界面，包括解码器和切换器的实时 操作，系统参数( 主要有程控、自动参数，报警设置参数，总线网管c p u 参 数，以及时钟和密码等) 的设置，某些状态或记录的显示( 主要是报警) 等。 2 总线网管c p u 模块。它对整个系统的各个站点进行令牌管理( c c sc p u 是通过硬件快速申请到令牌的，其它站点是通过获取令牌帧得到令牌) ；利用 令牌发放和动态组地址管理方式捕获系统终端的报警信息，并动作相应的报警 信号及自动接通监视器或录像机与报警点之间的视音频通道；自动对线路的通 断状态和站点的受控状态进行查询，并作相应的处理。 为使系统更具灵活性，应预留有跳线或拔码开关设置，以根据需要决定是 否使用总线网管c p u ( 只要对副板进行简单的拔码设景并取走副板的c p u 就 行) 。使用总线网管c p u 时，就存在两个( 或两板) c p u 之间的通信握手和令 牌管理的问题。为叙述的方便性，先将两c p u 之间的通信、操作控制和令牌 管理论述如下： 初始化通信主要指的是c c sc p u 对总线网管c p u 的初始化，包括初 始化解码器( 4 字节) 和分控台( 1 字节) 的注册地址。初始化是在前者的p o 口和后者的p 1 口进行( 下面的2 ) 同) 。 操作控制指的是c c sc p u 对总线网管c p u 的操作，包括清除报警和 复位。 令牌申请与发放指c c sc p u 通过硬件向总线网管c p u 申请令牌，总 线网管c p u 每1 0 0 毫秒左右对此申请进行查询，查询有就通过硬件回答给予 令牌。管理方式可以是中断标志位方式，也可以是查询方式。经过实际调试并 分析论证，查询方式更为方便和可靠。 它们的实现是通过3 线握手方式来实现的，其中前两种是通过软件协议和 硬件握手的方式实现的。c c sc p u 是使用一个专门的子程序对总线网管c p u 进行初始化或操作，而总线网管c p u 是利用中断方式接受该操作的。前两种 方式的实现请查看程序清单，这里不再介绍。令牌管理的实现是我们的主要任 务，现主要介绍握手实现措施，握手原理为：在c c sc p u 的发送子程序中， 先发出令牌申请，然后等待令牌申请有效信号，得到令牌后就进行数据帧发送， 发送完毕就给予通知；总线网管c p u 在主程序周期里查询该令牌，查到申请 2 i 坐整丝盔堂堕主兰生堡皇羔：堂皇曼ii 堕塑型! ! 些塑 就给予令牌，准许发送，然后等待，收到发送完毕后，马上打丌接收口延时 足够接收到一数据帧的时间为止，之后再开始查询，有申请就重复上面的步骤， 否则继续其它操作。其实现的原理图如图3 1 2 所示。 c c s c p u 令牌 申请 获取令 发送 数据帧 退出并继续其它操 作 准备好发送 申请有效 发送完毕 总线网管c p u 毪获到令牌申请 | y 发放令牌，置标志 等发送完 收回令牌 开接收5 m s 到令牌申请关 器处理 吓n 匿础处理( 并决定是 否再延时接收) 圈3 1 2c c sc p u 令牌申请原理图 3 2 几个重要芯片或模块及其应用介绍 本节着重介绍几个关键芯片或者模块的特性、应用电路设计方法、底层应 用软件模块接口及在系统软件中的应用，以供相关设计人员参考，提高工作效 率。这些芯片和模块的应用都是经过严格地调试的，因此相关设计者可以直接 把它们引入到自己的设计中，以减少再去了解芯片复杂的命令和底层应用子程 序的设计与调试的大量时间，达到降低开发成本和提高效率的目的。 3 2 1x 2 5