（制浆造纸工程专业论文）基于arm的嵌入式高速智能球机的设计与开发.pdf

摘要 智能高速球形摄像机是视频监控系统中一种重要的前端设备，它集模拟视频采集、 云台控制、镜头控制和远端通讯等功能于一体。最大限度地减少了系统部件之间的连接和 安装过程，提高了监控系统的可靠性、稳定性。本论文的主要工作是以l p c 2 1 3 2a r m 微控 制器为核心，完成高速智能球机软硬件的设计与实现，开发出一款性价比具有竞争力的智 能高速球机，以满足市场需求。其具体内容包括： 根据对市场上现有的高速球的性能、价格等方面的调研，确立本款球机需要具备的 功能和要达到的技术指标。并据此确定球机在硬件方面和软件方面的总体设计方案。 硬件方面，主要是结合球机外形结构确立硬件各电路板的尺寸大小、选择核心处理 器及各功能模块的应用芯片，最后完成电路设计、样板的制作和调试。 软件方面，完成了各芯片的底层驱动程序的设计，以及完成包括电机控制模块、字 符叠加模块、机芯控制模块、数据存储模块等控制模块的应用程序开发和测试。 本次成功开发的n c c - 6 2 8 a 型智能高速球型摄像机通过严格的测试，运行可靠稳定、 预置位准确无误。目前已经量产并投入市场，在安防工程应用中也获得了良好的预期效果。 最后针对此次项目开发中的关键技术进行了分析，并提出了改进的方法。 关键词：智能高速球机步进电机控制字符叠加l p c 2 1 3 2 - a r m 微控制器 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e di n t e l l i g e n th i g h _ 。s p e e d b a l lm a c h i n eb a s e do na r mm i c r o c o m p u t e r a b s t r a c t i n t e l l i g e n th i g h - s p e e db a l lm a c h i n ei so n e k i n do ft h ei m p o r t a n tf r o n t - e n de q u i p m e n t si n t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，w h i c hi sac o m b i n a t i o no fa n a l o gv i d e oc a p t u r e ，p t zc o n t r o l ， l e n sc o n t r o la n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o n s i th e l p su s e r st or e d u c ec o m p l e xc o n n e c t i o no ft h e s y s t e mc o m p o n e n t st ot h em a x i m u me x t e n ta n ds i m p l i f yt h ep r o c e s so fi n s t a l l a t i o n s oi tc a n i m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m w i t ht h ec o r eo ft h el p c 一2 13 2 a r m m i c r o c o m p u t e r , t h em a j o rt a s k so ft h et h e s i sd e s i g n sa n da c c o m p l i s h e st h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r es y s t e mo ft h ei n t e l l i g e n th i g h s p e e db a l l ，s u c c e s s f u l l yd e v e l o po n ek i n di n t e l l i g e n t m g h - s p e e db a l lm a c h i n e w h i c he n j o y st h eb e s tp r i c ev e r s u sp e r f o r m a n c er a t i oa n dm e e t st h e m a r k e td e m a n d t h es p e c i f i c 的r k si n c l u d i n g ： a c c o r d i n gt ot h es u r v e yo ft h ep e r f o r m a n c ea n dp r i c ea b o u ti n t e l l i g e n th i g h s p e e db a l li n t h ec u r r e n tm a r k e t ，d e t e r m i n ew h a tf u n c t i o nt h eb a l ls h o u l dh a v ea n dt e c h n o l o g yi n d i c a t o r si t m u s tr e a c h t h e np l a nt h eo v e r a l ld e s i g np r o g r a ma b o u tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h em a j o rt a s ko fh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sd e t e r m i n i n gt h es i z eo fa l lc i r c u i tb o a r d s a c c o r d i n gt ot h es h a p ea n ds t r u c t u r eo ft h eb a l l ，c h o o s i n gt h ec o r ep r o c e s s o ro ft h es y s t e ma n d d e d i c a t e dc h i p sf o r t h ed i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e s ，a n df i n i s h i n gc i r c u i td e s i g n ，b o a r d sp r o o f i n g a n dd e b u g g i n g t h em a j o rt a s ko fs o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e sw r i t i n ga l ld r i v e r sf o rt h ed e d i c a t e dc h i p s ，a n d p r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n gf o ra l lf u n c t i o nc o n t r o lm o d u l e sw h i c hi n c l u d em o t o rc o n t r o l m o d u l e ，c h a r a c t e rs u p e r i m p o s i t i o nm o d u l e ，l e n sc o n t r o lm o d u l e ，d a t as t o r i n gm o d u l ea n ds oo n t h e s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e di n t e l l i g e n th i g h s p e e d b a l lm a c h i n e w h i c hi sn a m e d n c c - 6 2 8 ap a l s s e dt h r o u g hr i g o r o u st e s t i n g ，r u nh i g h i yr e l i a b l ea n ds t a b l ea n dt h ep r e s e t p o s i t i o n sa r ea c c u r a t e a tp r e s e n t ，t h i sp r o d u c th a sb e e ns o l dw e l li nm a n e ta n da c h i e v e dt h e d e s i r e dr e s u l ti nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s f i n a l l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h ek e yt e c h n o l o g i e s i nt h i sp r o j e c td e v e l o p m e n t ，a n dp r e s e n t si m p r o v e dm e t h o d sf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n th i g h s p e e db a l lm a c h i n e ，s t e p p i n gm o t o rc o n t r o l ，c h a r a c t e r s u p e r i m p o s i t i o n ，l p c 2 13 2 a r mm i c r o c o m p u t e r 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进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由苯人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：任广报d 罗年6 月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阋本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保奢么 ( 请在以上方框内打“- v ”) 薹莩誓： 竺萎耋；焉琴多譬夕冕多兰 指导 教师( 本人签名) 郴步矽年莎月少日 致谢 首先对我的导师胡慕伊教授表示衷心的感谢。本论文是在他的悉心指导 下完成的。胡老师严谨求实的治学风范、渊博的学识、学术上精益求精的精 神，使我受益匪浅，在学习上对我严格要求，在生活上对我关心照顾，他的 耐心指导和帮助将使我受益终生。 感谢在研究生阶段给我特别指导的熊智新老师。熊老师在软件设计上有 着丰富的经验，是他为我打开了程序设计这扇大门，引导我步入其中。熊老 师认真的学术态度，踏实的做人风格让我深表敬意。 感谢在实习阶段给我巨大帮助的章跃辉、操星、睢斌等工程师。他们的 每一次表扬，都让我倍受鼓舞；每一次倾心指导，都让我在嵌入式开发领域 中更进一步；每一次真诚的鼓励，都让我在困难面前充满信心。他们是我这 一生的良师益友。 同时，向论文期间给予我帮助的师弟师妹们表示感谢，向所有关心、帮 助过我的老师、同学和朋友表示感谢。 最后，特别感谢我的父母扣姐姐，感谢他们一直以来的关怀、鼓励和支 持。我们一起同欢乐共忧愁，是亲人们的无微不至的关心和照顾才让我有了 今天的成绩。 任f 糠 2 00 9 年4 月 第一章绪论 1 1 论文研究的背景及意义 随着社会、经济的不断发展，人类步入了高质量的生活水平，同时，人们的安全意识 也普遍提高。对重要区域的管理、监控、安全防范越来越受到重视，因此，在现代化的重 要场所或大型的厂区设立安全监控系统是非常必要的。通过安装在这些重要地方的视频监 控装置如球机，不仅可以实时了解监控区域的状况，及时发现犯罪分子，并可以进行画面 录制，提供必要的历史录像记录查询，充分发挥着安全保障和对不法分子的威慑作用【l l 。 视频监控系统主要由前端、传输、控制、显示和报警这几部分组成。其中前端部分主 要完成模拟视频画面的拍摄、报警装置的报警信号的产生，摄像机云台的控制等功能，起 着至关重要的作用。作为视频监控系统中前端设备的一种，智能高速球型摄像机以其优越 的性能，已经成为某些高端或特殊应用领域唯一的选择。随着高速球网络化和智能化的发 展趋势，其应用范围会更加广泛，功能更加强大 2 1 。 当前，随着高速球的相关技术的发展，以及快球产品市场需求的持续增加，快球生产 商的数量也相应增多，安防行业内部竞争越发激烈【3 】。在这样的一个激烈的竞争环境下， 企业如逆水行舟不进则退，开发出一款高性能快速球机，对抢占安防行业产品市场份额， 提高安防企业竞争力和知名度都具有重要的意义。 正是基于当前的市场环境形势的考虑，2 0 0 8 年9 月于所在实习公司开始高速球型摄 像机的项目开发，日前已成功开发出n c c 6 2 8 a 高速球机，并已投入市场和工程应用。 1 - 2 国内外研究现状 在国内视频监控市场，“快球”也被称为高速球形摄像机，或一体化球型摄像机，是 视频监控的重要的前端设备。高速球机通常由一体化摄像机( 自动变焦、取像模块，是快 球产品的核心部件) 、传动控制部件和数字处理部件构成【4 】。快球的基本功能是采集视频 图像，但目前的快球产品已经集成并拓展了镜头、云台、普通摄像机等功能，成为视频监 控前端设备中的高端产品，在安防行业中扮演着重要的角色。 自上世纪9 0 年代中期，快球产品开始进入我国视频监控市场，如美国的派尔高、日 本的索尼、德国的博士公司的快球产品。由于当时的技术、价格、推广等诸多原因，应用 相对较少。随着一体化摄像机产品的进入，快球在体积、外观以及功能等方面都得到长足 的进步，但价格仍然较高，在某种程度上限制了该产品的应用范围。当前，在快球产品的 高端市场，国际领先、进入中国视频监控市场较早的外资集团企业，例如索尼、松下、三 星等外资品牌依然占据了这块市场的主导地位。同时，内资品牌如艾力克、明景、英飞拓 等品牌的快球产品也有着不俗的表现p 】。 虽然国产球机从知名度上讲与进口品牌有一定的差距，各品牌之间的质量也因研发深 度的不同而参差不齐，但是，在激烈的市场竞争中也出现了中国自己的名牌产品，从2 0 0 4 年开始，伴随着市场需求的不断扩大，若干实力较强的快球生产厂商也相继涌现，并不断 发展壮大。据中国安防行业协会统计，仅2 0 0 5 年，国内新增快球厂商约3 0 个。他们在产 品品质、功能、稳定性等多方面都有很大的提高。目前，国内快球产品的技术和质量已经 较成熟，个别领先的本土品牌的快球产品在质量上已经达到或接近国际先进水平，在系统 兼容性、性价比和维护上更是超过了国外产品。随着快球厂商数量的增多，竞争的加剧， 快球产品的市场价格逐年下降。 总之，中国快球行业的吸引力较大。可以预见，在2 0 1 0 年世博会、亚运会等大型工 程的影响下，随着相关应用领域需求的增多，2 0 0 9 年中国的快球行业仍将保持高速发展 的势头。另一方面，激烈的市场竞争也将迫使个别研发能力较弱、生产能力较低、管理较 为落后的快球企业逐步退出相关市场，使中国快球行业逐步走向成熟。 1 3 智能高速球型摄像机的组成 智能高速球机又名一体化球型摄像机，主要由六大部分结构组成：一体化摄像机、解 码驱动器板、云台驱动装置、球型防护罩、电源供应板、安装支架【4 】。 一体化高速球型摄像机内部核心的设备是一台一体化摄像机，目前国内还只是从日 本或韩国直接采购该类设备，并安装在自己生产的球型机芯的摄像机安装托架上，通过数 据电缆连接到控制电路板上。目前的生产商主要是：日本的日立、索尼，韩国的l g 、三 星等。 解码驱动器板是一体化球型摄像机的一个重要的部件，它的主要作用是将任何控制器 发送过来的码源信号解码输出给驱动器板上的c p u ，并由其来控制整部球机的电源。目前 国内，各种体化球型摄像机生产厂商所能兼容的控制协议均不同。较多的使用的控制协 议有p e l c op 协议、p e l c od 协议、p e l c oc 协议、三星6 4 1 等，本文开发的球机控制板 上内集成有p e l c op 协议、p e l c od 协议、和三星6 4 1 这三种控制协议。 云台驱动装置的作用就是负责一体化球型摄像机的转动，其最核心的部件是电机。 球机的转动主要是由两个内置的步进电机来带动的，一个带动摄像机水平方向的旋转，称 为水平电机。另一个带动摄像机在垂直方向上旋转，称为垂直电机。由微控制器来控制步 进电机转动，从而实现云台装置水平1 8 0 度，垂直9 0 度范围的旋转和定位。 球型防护罩装置，一般的球型防护罩可以分为上罩、下罩。用于保护球机内部的电路 板，同时也起到美化外观的作用。 电源供应板的主要作用是给一体化球型摄像机内部各部件提供合适的工作电源，如摄 像机工作电源、云台电机电源，风扇电源、球机内部加热电源等，球机的正常工作取决电 源供应的好坏，这同样是球机开发过程中需要重视的部分。 安装支架是给一体化球形摄像机提供一个合适支撑装置，该结构设计的合理与否不仅 影响球机的转动，同时对工程使用的安装、日后产品的维护和外形的美观度都具有重要的 意义。 可以说一体化球型摄像机是一个集成系统装置，是安防系统中一种重要的前端设备， 2 并正发挥越来越重要的作用。 1 4 论文研究内容及思路 本论文是基于一个高速球型摄像机的开发项目来完成的，所有工作可以分成三大部 分，一是完成高速球所有的硬件电路的设计和调试：二是完成所有功能模块的软件编写和 测试；三是对高速球外形结构的设计。本人负责完成前两部分的设计开发工作，其主要工 作包括如下： 首先结合目前市场上主流一体化球型摄像机产品的功能、特点及发展趋势，并根据客 户需求及该类型产品在工程使用中的反馈信息来确定球机的整体设计方案和产品需要满 足的技术参数。 其次是结合球机外形结构确立硬件各电路板的尺寸大小，并完成电子电路的设计和调 试，其主要工作包括： ( 1 ) 根据产品预期功能及生产成本确定系统的处理器选型； ( 2 ) 根据各个划分的模块功能选择合适的芯片和元器件； ( 3 ) 用p r o t e l 9 9 s e 画出电路原理图、p c b 图【6 】，并焊接电路板、制作样板，调试硬件 电路； 最后是完成球机的软件开发，包括各芯片的底层驱动程序，以及电机控制模块、字 符叠加模块、机芯控制模块、数据存储模块等控制模块的应用程序开发和测试。其主要工 作如下： ( 1 ) 根据划分的系统模块功能确立程序的总体架构； ( 2 ) 分别完成各个功能模块的程序编写和调试； ( 3 ) 将各模块程序整合在一起，完成总体调试； ( 4 ) 编写上位机测试软件，对球机的整体性能进行严格测试； 1 5 论文的组织和安排 本论文主要侧重于研究智能高速球型摄像机控制系统的设计与实现。整个论文的编写 是按照该项目开发流程来编排的，以硬件电路设计和软件程序开发为重点。 第一章主要介绍视频监控系统的组成、高速球型摄像机在监控系统中的作用和发展现 状，以及本论文研究的背景、意义和要完成的工作。 第二章主要介绍已开发成功的高速球型摄像机的主要功能、技术参数，并对其方案设 计作出相应的说明。 第三章主要说明本论文所选择的a r m 处理器芯片及其与论文相关的功能模块的应 用方法，并简单介绍了针对a r m 的软件开发集成环境a d s l 2 的使用方法。 第四章主要介绍各硬件功能模块的电路设计方案，详细说明了各功能模块中核心芯片 的驱动程序的编写。 第五章主要介绍了各功能模块的应用程序设计，完成基于各芯片的模块功能的实现及 对球机的整机测试。 第六章对本次项目开发进行了总结，并将本次球机的设计方案与目前市场上的同等价 位的球机设计方案进行了比较，同时，对开发中遇到的问题作了归纳和分析并对不足之处 提出了改进的方法。最后对高速球型摄像机的发展做进一步的探索和展望。 4 第二章智能高速球型摄像机整体功能设计说明 2 1 智能高速球机的主要控制功能 本次开发的球形摄像机是集高清晰度彩色摄像机、万向变速云台、多功能解码器、字 符叠加器、c p u 处理器、数据存储器于一体的高科技监控产品。最大限度地减少了系统部 件之间的连接和安装过程，提高了系统的可靠性、稳定性。同时便于系统的维护，更具有 外形美观、轻巧灵便、操作简单等特点。其主要设计功能如下： ( 1 ) 集成多协议解码器 内置解码器，集成了多种通讯控制协议，通讯波特率可调，通过球机内部的简单拨 码，即可与多种常用系统兼容，通用性极强。 r s - 4 8 5 串行总线控制；球机地址可以设为1 2 5 5 。 ( 2 ) 集成全方位控制云台 水平3 6 0 0 无限位连续旋转，其转动速度从o - - 2 8 0 r a d s 连续调整；垂直方向转动 范围0 - - 9 0 0 ，转速可达1 2 0 r a d s 。 低速运行平稳、超低噪声、画面无抖动。 具有自动翻转功能，实现全方位无盲点监视，定位精度达0 1 。 ( 3 ) 智能化球机控制 可存储多达2 5 5 个预置位，数据断电可保存。 字符叠加功能，人性化的菜单结构设计，使球机的各项功能设置简单便捷。 长焦限速功能。球机能根据摄像机当时的焦距长短自动调整其手动控制速度。摄像 机的放大倍数越大，其手动控制速度越慢，以保证能够快速准确搜索目标。 支持球机在两点间水平扫描。扫描速度可调，线扫方位可任意选择。通过设置，球 机可以在任意两点间做大于或小于1 8 0 度扫描，扫描滞留时间为3 秒。 球机巡视功能。从1 号预置点到1 6 号预置点自动逐点扫描，如某点未设置预置点 或预置点被清除，巡视将跳过此点，每个预置点的滞留时间为3 秒。 ( 4 ) 摄像机自动控制 焦距控制模式：用户可以手动调整摄像机焦距。 背光补偿功能：当被照物体背景太暗、显示不清时，用户可根据实际需要打开背光 补偿。 白平衡：当显示器图像出现颜色失真时，用户可通过命令设置各种模式，有6 种模 式可供选择：白平衡自动模式室内模式室外模式触发模式手动 模式。 倍率控制：用户可根据实际情况将镜头“拉近”或“推远”。 电子快门：摄像机上电后初始化为固定的1 5 0 s e c 。 图像效果设置：摄像机正常情况下工作，该设置为o f f 状态，此时屏幕上没有图像显 示标志，当屏幕上显示“b & w 时，表示摄像机处于黑白状态。 a e 模式：手动自动设置。 低照度设置：在外部环境亮度极低情况下使用，一般情况下摄像机工作在自动状态， 当环境亮度低于1 l u x 时，摄像机会自动切换到零照度状态。 2 2 高速球机菜单功能 球机上电后，在与其相连的监视器屏幕上会显示球机初始化菜单，信息包括该球机当 前的设置地址、协议、波特率、版本信息等。用控制键盘或上位机监控软件通过“调用第 6 4 号预置点”命令将打开主菜单设置界面。当菜单显示在屏幕上，向球机发送“向上” 和“向下”的控制命令时，将是移动光标在菜单的显示位置；发送“向右命令则是修改 菜单内容或进入下一级子菜单。菜单各项设置完成后会自动保存。 ( 1 ) m a i nm e n u 主菜单 d i s p l a ys e t u p ：进入屏幕显示设置子菜单。可以对i d 显示、预置点标题显示和摄 像机自带屏显进行设置。 c a m e r as e t u p ：进入摄像机常用参数设置子菜单。 c a md e f a u l ts e t ：恢复摄像机默认设置。 d o m er e s e t ：球机复位。 e x i t ：退出主菜单。 ( 2 ) d i s p l a ys e t u p 显示设置 6 i dd i s p l a y ：当此选项被设置为0 n 时，监视器上将显示球机的地址，如“c a m e r a0 0 1 ”。 在上电时，默认为0 n 。 i dp o s ：设置球机地址显示位置，球机地址可以显示在屏幕的四个角落。分别为t o p - l ( 左上角) 、t o p - r ( 右上角) 、b o t t r ( 右下角) 、b o t t l ( 左下角) 。 t i t l ed i s ：当此选项被设置为0 n 时，那么在调预置点的时候，在屏幕的左边会显 示出预置点的标题，如“n o 0 0 1 ”。 t i t l ep o s ：设置预置点标题显示位置。可以是第1 行到第1 0 行。第1 行在屏幕的 顶部。 r e t u r n ：返回到主菜单。 ( 3 ) c a m e r as e t u p 摄像机设置 s l o ws h u t t e r ：帧累积功能。有手动自动两个选项。如果在自动状态下，当摄像机 屏显打开时，监视器上将显示a s s ( 仅仅1 8 摄像机有此功能) b a c kl i g h t ：背光补偿打开关闭 i c rs h o t ：低照，0 n 一手动打开a u t o 一自动控制 i r i s ：设置自动光圈，a u t o 一自动m a n u 一手动 d - z o o m ：设置数字变倍。0 n 一打开o f f 一关闭 f o c u s ：设置自动对焦。a u t o 一自动m a n u 一手动 w bs e t ：白平衡设置。a t w i n d o o r o u t d o o r o n e p u s h a u t o m a n u r e t u r n ：返回到主菜单。 ( 4 ) c a md e f a u l ts e t 恢复摄像机默认设置 当选择恢复摄像机默认设置时：帧累积( s l o ws h u t t e r ) 为自动；背光补偿( b a c kl i g h t ) 为关闭状态；低照( i c rs h o t ) 为自动控制状态；光圈( i r i s ) 为自动；数字变倍( d - z o o m ) 为关闭状态；对焦( f o c u s ) 为自动状态；白平衡( w bs e t ) 为自动状态。 ( 5 ) d 0 娅r e s e t 球机复位 7 当选择球机复位功能时，球机将重启并自检。 2 3 高速球机通讯参数设定功能 球机上电前需要对球机的各通讯参数进行设置，包括球机的地址、通讯协议及波特 率等。这都是通过对设计在球机c p u 主控板上的两个拨码开关进行拨码来完成的。球机上 电后，主控制板上的a r m 微控制器会检测拨码开关的每个位的电平状态，并以此来初始化 程序中定义的各参数的相应全局变量，系统以此来识别球机的通讯参数，保证通讯的正常 进行。 ( 1 ) 球机系统连接图 图2 1 球机连接图 该图反映的是一个基于r s 4 8 5 网络通讯的视频监控系统，其中高速球形摄像机是置 于前端的监控设备，负责视频信号的采集和传输，并根据上位机或控制键盘的控制命令动 作，是该系统中不可或缺的设备。视频切换矩阵和画面分割处理器是负责对多路视频信号 输入的管理，可根据不同视频监控系统的需要而考虑是否添加此设备。控制键盘和上位机 是该系统中的控制设备，负责对下端各设备的控制操作。 ( 2 ) 地址协议设定拨码图 球机地址拨码设定： 在一个的视频监控系统中，现场的监控环境肯定需要有多个前端监控设备，从而完成 不同地点，不同方位的监控，最后将所有的监控画面汇总到监控室里。如何实现在r s - 4 8 5 网络中对特定的某个球机进行控制，这就需要每个球机都有自己唯一的标识，即球机的地 址，在一个监控系统不能有地址相同的同一类型设剖7 。 本次开发是将球机c p u 主控板上的s w l 拨码开关设计为球机地址设置开关，这是一个 八位的拨码开关，用户可以对其中的每一位进行设置，将其拨置“开 或“关”的状态。 球机上电后a r m 处理器会检测拨码开关s w l 的每一位的电平状态，高电平为1 ，低电平为 0 ，8 位组合为一个字节，故球机的地址范围为0 - 2 5 5 ，该地址在系统中具有唯一性。若 需重新设置球机地址，必须拆装球机重新设置拨码，并上电重启。详细设置过程如下所示： 拨码开关8 w1设备地垃一 。 圹n 巴嗣嗣嗣嗣嗣嗣嗣彳乏盏争地地为l 一 i27 j 45 67日 。 r n 口巴口口口口昼日彳殳备地址为2 o 1己o45678 t o n 巴凹口口嗣嗣口口 - 乏备地嫩为3 一 i po45 678 。 穸n 嗣嗣日嗣嗣昼嗣宙- 殳备地量出为4 一 i己345 6 7e p r 一p 一 ，“嗣嗣嗣嗣品嗣嗣巴设备地址为1 2 8 ， i】23-4s678 一p r 。r ) p 一 尸巴日巴凹凹日巴巴 享龟备地址为2 5 5 - , i】己o45678 图2 2 球机地址拨码示意图 表2 1 球机地址拨码设置 通讯控制协议设定 为了使得本次开发的球机具有更好的兼容性，在应用程序的开发设计中集成了目前常 用的几种控制协议：p e l c o _ d 协议、p e l c o _ p 协议及三星6 4 1 协议。球机在通讯时只能用 这其中的一种协议，这需要用户在将球机投入使用前对拨码开关控制协议选择位进行设 置。 本次球机开发是将c p u 主控板上的s w 2 拨码开关的d i p 一1 、d i p 一2 、d i p 一3 这三位设计 为球机通信控制协议设置选择位。这三位组合后，最多可以选择8 种不同的协议。球机上 9 电后，a r m 处理器会读取这三位的值，从而告知系统球机该用何种通讯协议加以控制，其 具体选择如下表所示： 12345678s w 2 拨码开关 表2 2 球机控制协议设置 通信波特率的设定 针对不同的通讯速度的r s - 4 8 5 通讯网络，本次开发的球机通讯波特率有2 4 0 0 b p s 、 4 8 0 0 b p s 、9 6 0 0 b p s 、1 9 2 0 0 b p s 这四种供用户选择使用，将c p u 主控板上的s w 2 拨码开关 的d i p 一6 、d i p - 7 这两位设计为球机通信波特率的设置选择位。球机上电后，a r m 处理器 会读取这两位的值，从而告之系统用何种波特率进行通讯，其具体设置如下表所示： 123 45678 s w 2 拨码开关 摄像机机芯的设定 表2 3 球机通讯波特率设置 本次开发的球机可以搭载s o n y 4 8 0 、日立和l g 这三种摄像机机芯，虽然每添加一种 机芯，都会增加机芯控制模块的代码量和复杂度，但同时也使得开发的球机具有更好的兼 容性，可以一种型号的球机云台搭载多个厂家生产的不同类型的摄像机机芯。 c p u 主控板上的s w 2 拨码开关的d i p - 4 、d i p - 5 这两位被设计为球机机芯设置选择位， 最多可以选择4 种不同的机芯。球机上电后，a r m 处理器会读取这两位的值，从而告之系 统球机云台搭载的是何种机芯，其具体设置如下表所示： l2345678s w 2 拨码开关 表2 4 球机机芯选择 1 0 2 4 球机设计技术指标 该款高速球型摄像机设计最终达到的技术指标： 电源：a c 2 4 v5 0 6 0 h z1 7 0 a ； 功耗：不加热：6 w 加热：3 0 w ； 同步：内同步外同步可选； 电机：步进电机； 预置位：2 5 5 个； 长焦限速：球机根据当前变倍的大小自动调整手动控制速度； 水平运行速度：0 。一2 8 0 。s ； 水平转动范围：3 6 0 。无限位； 垂直转动范围：o 9 0 。，自动翻转； 垂直运行速度：0 。一1 2 0 。s ； 通讯方式：r s 一4 8 5 总线； 通信波特率：2 4 0 0 4 8 0 0 9 6 0 0 1 9 2 0 0b p s ； 风扇加热器：自动控制； 相对湿度：1 0 7 5 ( 无凝聚情况下) ； 环境温度：一3 5 一+ 5 5 ； 第三章高速球型摄像机主控板处理器应用设计与开发 3 1 主控板核心处理器的选型 处理器是电路设计中的核心元件，它要完成所有的系统控制功能，包括电机控制、字 符叠加、机芯控制以及大量数据的存储和调用。所以它决定了系统整体性能的好坏。基于 满足硬件总体设计的要求，此处理器需要具有以下最低配置： 由于系统具有字符叠加功能，该控制器的主频必须要高，才能满足控制的实时性； 该控制器需要至少两个u a r t 串行控制端口，一个用来和上位机控制软件或控制键盘 通讯，一个用来完成摄像机机芯控制； 要具有较大的r a m 和丰富i o 口，同时要有较小的封装； 必须带有至少两个以上的定时器，一个用于步进电机的定时驱动控制，一个用来对电 机的加、减速控制； 基于从成本的考虑，该处理器芯片价格不得高于用三个单片机来控制的设计方案； 最后选用飞利浦的a r m 7 系列l p c 2 1 3 2 微控制器，3 2 位的a r m 7 微控制器具有强大的 整数运算能力，非常适合于控制。l p c 2 1 3 2 微控制器带有3 2 k b 的嵌入式的高速f l a s h 存 储器和3 2 k b 片内静态r a m ，可在5 5 m 的高速晶振频率下稳定工作，较小的封装和极低的 功耗，具有2 个3 2 位定时器计数器，多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t ， 多达4 7 个5 v 的通用i o 口，性价比高，非常适合应用于小型的控制系统中【8 】。 3 2 主控板总体设计结构 为满足球机设计的功能，主控板硬件电路主要包括以下几个部分：步进电机控制驱动 电路、o s d 字符叠加电路、数据存储模块电路，球机参数选择模块电路及看门狗复位电 路等，其结构框图如下所示： 1 2 机 机 图3 1 主控板结构框图 在主控板的硬件电路设计中，共用了三片7 4 h c 2 4 5 芯片【9 】，其功能是实现对a r m 的 部分i o 管脚的分时复用；使用了s p 7 0 6 s e 看门狗复位芯片【l 们，实现a r m 芯片的复位功 能，保证系统的稳定、可靠运行；使用s s t 2 5 v f 0 1 6 bf l a s h 芯片对数据的进行存储和调 用【l l 】，实现数据的掉电保存功能；其中t l c 7 2 5 5 d a 转换芯片蚴和l 6 2 1 9 电机驱动芯片【1 3 】 构成了电机控制模块的主要电路，实现球机云台的水平和垂直步进电机的驱动； u p d 6 4 5 3 14 1 、l m l 8 8 1 1 5 j 和c d 4 0 5 3 1 6 1 构成o s d 字符叠加模块的主要电路，实现球机的菜单 显示功能。 同时从上图可以看出，处于框图中心位置的a r m 微控制器是主控板中最核心的部分， 所有其他模块电路都与之相联系，且都是在其的控制作用下完成各自的功能。根据以上的 功能模块与其关系，完成对l p c 2 1 3 2a r m 微控制器的管脚资源的具体分配，其电路原理 图设计如下所示： 图3 2l p c - 2 13 2 电路原理图 此管脚的详细连接情况将会在第四章各模块的硬件电路设计中配合程序设计详细介 绍。 3 3a r m 应用开发工具的介绍 本次软件设计使用的开发工具是a d s l 2 ，它是由a r m 公司提供的专门用于a r m 相关 应用开发和调试的综合性软件。支持a r m 及j t a g 硬件仿真调试，支持汇编、c 、c 点。 ( 1 ) a d s l 2 集成开发环境的组成 a d s l 2 由6 个部分组成： 代码生成工具 器，这些均由 集成开发环境 调试器：a x d 指令模拟器： a r m 开发包、 程序调用。 1 0 之前的所有a r m 系列微控制器，支持软件调试 + + 源程序，具有编译效率高、系统库功能强等特 ：a r m 汇编器，a r m 的c 、c + + 编译器，t h u m b 的c ，c + + 编译器，a r m 连接 c o d e w a r r i o ri d e 调用； ：c o d e w a r r i o ri d e ，用于工程管理、编译和连接 ，用于仿真调试； a r m u l a t o r ，由a x d 调用 应用库：一些实用程序、c 、c + + 函数库等，由c o d e w a r r i o ri d e 和用户 1 4 用户一般只需要直接操作c o d e w a r r i o ri d e 集成开发环境和a x d 调试器。 ( 2 ) c o d e w a r r i o ri d e 简介 a d s 使用了c o d e w a r r i o ri d e 集成开发环境，并集成了a r m 汇编器，a r m 的c 、c 十+ 编 译器，t h u m b 的c ，c + + 编译器，a r m 连接器，包含工程管理、代码生成接口等其主窗如图 所示： 图33c o d e w a m o ri d e 开发环境 ( 2 ) a x d 调试器简介 a x d 调试器为a r m 扩展调试器包括a d w a d u 的所有特性，支持硬件仿真和软件仿真。 a x d 能够装载映像文件到目标内存，具有单步、全速和断点等调试功能，可以观察变量、 寄存器和内存的数据等。a x d 调试器主窗口如下图所示。 图34 a x d 调试器 3 ) e a s y j t a g h 仿真器 e a s y j t a g h 仿真器是一款新型仿真器，目前支持l p c 2 0 0 0 系列、l p c 2 3 0 0a r m 7 微控 制器和部分a r m 9 芯片，支持a i ) s 12 集成开发环境，可单步、全速及断点等调试程序，支 持下载程序到片内f l a s h 或特定型号的片外f l a s h ，采用a r m 公司标准2 0 脚j t a g 仿真调 试接口。配合h - j t a g 软件使用。安装好的h - j t a g 软件含有hj t a gs e r v e r 和h f 1 a s h e r 两部分。如下图所示。 围3 6 h f l a s h ( 选择f l a s h 类型 固37h f l a s h ( 柱测芯片) 3 4a 瑚处理器主要功能模块应用程序设计 3 41 管脚连接模块和g p l 0 配置及编程 l p c 2 1 3 2a r m 的太部分引脚都具有多种功能但是一个引脚在同一时刻只能使用其 中一种功能，所以需要对a r m 管脚连接模块进行设置将管脚配置为系统所需功能；它 具有p i n s e l 0 、p i n s e l i 和p i n s e l 2 三个3 2 位管脚功能设置寄存器。一个管脚功能 设置寄存器控制着1 6 个引脚功能的选择，每个引脚的功能由管脚功能设置寄存器的两位 来控制，所以一个引脚最多有四种不同的功能【l h 【l ”。 l p c 2 1 3 2 有两个3 2 位的通用i o 口方向控制寄存器i o o d i r 和1 0 1 d i r ，该寄存器 的每一位都控制着对应的管脚输入输出方向，为“1 ”，表示输出；为“0 ”表示为输入。 i o o d i r 单独控制p o 口i o 方向；1 0 1 d i r 单独控制p 1 口i o 方向。且只有当管脚选 择为g p i o 功能时，i o o d i r 和1 0 1 d i r 寄存器方向控制位才有效，其他功能的方向是自 动控制的【1 6 】【1 7 1 。 根据l p c 2 1 3 2 管脚功能具体分配电路图编写程序为： v o i dp i n i n i t ( ) 管脚功能初始化函数 p i n s e l o = p i n s e l o o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ：将a r m 的p o o p 0 1 5 设置为g p i o 连接 p i n s e l l = p i n s e l i o x 0 0 0 0 0 0 0 0 ：将a r m 的p o 1 6 - p 0 3 1 设置为g p i o 连接 p i n s e l 2 = p i n s e l 2 o x f f f f f f f 7 ：将a r m 的p 1 1 6 - p 1 2 5 设置为g p i o 连接 i o o d i r = o x f f f e 7 f f f ；将a r m 的p o 口的p 0 1 5 、p 0 1 6 设置为输入，其他管 脚为输出； i o i d i r = o x f f f f f f f f ；将a r m 的p 1 1 6 - p 1 2 5 设置为g p i o 输出； ) 该函数在l p c 2 1 3 2a r m 上电后，应用程序初始化时被调用，从而完成对a r m 的各管脚 功能及方向的初始化。 3 4 2 定时器计数器的应用及编程 l p c 2 1 3 2 带有两个3 2 位可编程定时器计数器t i m e r o 和t i m e r l ，均具有捕获、比较 匹配功能。定时器用来对外设时钟进行计数，而计数器对外部脉冲信号进行计数，可以选 择在规定的时间处产生中断或执行其他操作1 7 】【1 8 】。 本文主要用到定时器计数器的定时中断功能，即当规定的定时时间到了就产生中断， 应用程序则跳转到中断处理程序进行处理。在t i m e r o 中断服务程序中实现对步进电机驱 动，在t i m e r l 的中断服务程序中实现步进电机