门禁系统视频监控电路设计

门禁系统视频监控电路设计摘要:本文主要介绍了基于FPGA的视频监控主机系统硬件设计中的多路视频采集电路、USB接口电路、串口转换及通信电路等电路的设计，单片机和FPGA的并行使用可以使数据传输更加协调,提高系统可靠性。该硬件系统能够实现视频信息的存储及传输，报警信息自动存储，USB信息拷贝，允许多路同时报警及远距离控制云台等功能，使得监控控制系统工作效率有了进一步的提高。1、 引言 一个功能完善，使用、维护方便的门禁视频监控主机系统，首先要考虑运行效率和可靠性。市场上大量的监控系统虽然可以实现多路监控运行，但效率低，可靠性较差，且很多都不具备远程报警能力，对报警信息也没有能够实现自动存储。不仅如此，部分平台还仅仅是能观看视频信号，而无法操作前端设备云台的动作，同时不具备与PC计算机的通讯工作，严重影响了系统的工作效率。本文介绍的监控系统，利用 FPGA+单片机实现了对视频信息的存储及传输，报警信息自动存储，USB报警信息拷贝，允许多路同时报警，与上位机通讯和操作转动云台动作等功能。FPGA的快速处理功能使得视频控制更加方便，结合着单片机的并行应用，可靠地保证了视频通信的实现，为门禁系统及相关系统的视频监控提供了保障。2、 系统结构功能简介 该系统的功能结构框图如图1所示，系统分为信号处理控制部分和数据通信部分，控制部分主要由视频信号选择、存储控制、信号报警及GSM模块控制部分，数据通信部分主要包含USB接口电路、时钟电路、串口通信及存储控制等系统采用Altera公司生产的EP10K10TC84-3作为主要控制芯片，负责对系统的各种功能进行实现。它不仅存储容量大，具有10K的RAM空间，而且可以利用 JTAG口下载程序，方便随时调整系统功能配置与过程实现。系统中FPGA芯片负责实现以下几个功能：与上位机通讯，检测报警并实现报警输出以及报警信息处理，使用DS1302获取时间并显示时间以及自动更正时间，利用EEPROM存储报警数据 ，与单片机进行实时通讯控制串口数据的传输及协调，根据控制台的操作自动响应多路视频信号的选择及传输。除了实现以上外部功能外，主控制芯片还要负责系统开机自检，与副控制单片机芯片握手以确定对方状态，8路报警缓存。单片机主要完成对处理过的报警信号视频信号、GSM短信数据进行格式转换，通过串口将数据回显示在监控屏幕及PC机屏幕上，并将PC机发送的命令转化为 FPGA能够识别的信息，同时协调与 FPGA的通信。3、 系统设计3.1 视频信号选择电路的设计系统外部前端设备摄像机录入各个门禁场所视频，通过视频传输线路传到主机控制系统的视频信号选择电路视频信号。选择电路具有四路视频输入、四路视频输出，一个公共视频端输出。一方面视频信号经过MAX4090进行阻抗匹配后从四路视频输出，供管理人员查看门禁的现场活动情况，同时在公共视频端不仅可以输出一路视频，而且可以通过视频处理板对视频信息进行存储并通过网络传输视频信息；输出的视频信号通过FPGA的控制转换为可视信号并存储到PC中，同时FPGA可以不断检测视频警报信号量来触发报警信号。如图2所示为只有1路输入，1路输出并带有一路公共视频的电路图作为视频选择电路系统的讲解示意，J1为视频信号输入端，J5，J9为视频信号输出端.CON2为短路跳线对相应的通道进行连通与断开。当CON2断开时，相应的通道连通，视频信号从左边输入，经过匹配后从右边输出；当CON2连通时，则视频信号输入后不能经过匹配处理而直接输出。然后利MAX4090用进行阻抗匹配进行多路视频的选择输出。该电路使用了交流耦合输出方式。从技术特征出发，将视频信号输出到媒体显示设备的最普遍方法是交流耦合，这使得接收电路可以在自己的输入端建立共模电平，该电平独立于输入视频信号的直流电平。一个75欧的串联电阻应该尽可能近地放在靠近输出端的位置，这有助于隔离从输出端产生的下行寄生干扰，并提供最佳的信号条件。3.2 USB接口电路的设计为了方便的使用USB摄像头及USB的数据下载通道，系统总需要设计USB接口电路。USB电路如图3所示，USB功能采用常见的CH375芯片作为USB借口控制芯片。CH375是一个USB总线的通用借口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE设备方式。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。在USB主机方式下，CH375 还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机/DSP/MCU/MPU等相连接。CH375有串口和并口两种与单片机的连接方式，在本系统中，CH375 芯片是通过并行方式连接到副控制芯片的，CH375的 TXD引脚通过1千欧左右的下拉电阻接地或者直接接地，从而使CH375工作于并口方式。这种并行连接方式极大的提高了数据的传输速率。在设计中，为了提高USB接口单独运行速度，采用单片机直接控制的方式，然后将获取的数据送到FPGA中进行处理和应用。3.3 串口通信电平转换电路的设计利用ATMEL89系列单片机提供的通用异步串行通信接口UART(可编程)与PC机的串行口正确连接，由于大多数计算机的串行口都基于RS-232接口，所以在设计中要用到RS-232接口。其中要注意用RS-232接口引出的电平是标准负逻辑，和单片机的TTL电平不匹配，需要进行电平转换，否则系统无法正确工作，所以设计中采用 MAX232在RS-232和单片机的串行口之间实现电平的转换。3.4 FPGA的EPROM及单片机存储电路设计系统中使用了AT24C512EEPROM器件作为主要存储芯片，它的存储容量为512K及单片机对AT24C51系列E2PROM的读写操作完全遵守12C总线的主收从发和主发从收的规则。数据的传送由四部分组成：起始（START）条件、从机地址的发送、数据的传送和停止（STOP）条件。每一个时钟高电平中期间传送一位数据，而且在SCL线为高电平时SDA线上的数据必须保持稳定，否则将认为是一个控制信号。这样设计的优点体现在其简单性和有效性上。 如图4所示电路，一般A0、A1、WP接VCC或GND，SCL、SDA接上拉电阻（上拉电阻的阻值可参考有关数据手册选择，通常可选5K到10K的电阻，本设计中选用的电阻阻值为10K）后再接单片机的普通I/O口，即可实现单片机对AT24C512的操作。在对AT24C512开始操作前，需要先发一个8位的地址字来选择芯片以进行读写。其中要注意“10100” 为AT24C512固定的前5位二进制；A0、A1 用于对多个AT24C512加以区分；R/W为读写操作位 ，为1时表示读操作,为0时表示写操作。AT24C512内部有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16位，地址范围为00000FFFFH。虽然FPGA芯片和单片机都有EEPROM读写的功能，但并不是说它们拥有各自独立的EEPROM芯片，而是两片单片机共同复用EEPROM芯片。如果两个芯片同时读写EEPROM芯片，则单片机肯定会产生死机现象，因此需要一个严格的机制保证不会出现两片单片机同时读或者写EPROM芯片的现象。该机制称为EPROM复用关系，即采用一个握手信号协调两者的使用。这个机制的实现由软件来负责。 3.5 RS485通信电路 在本系统中，需要发送命令控制远端的视频头云台。云台与控制系统有一定的距离，以单片机为基础的下位机要满足远距离传输的需要，因此采用了RS485传输标准。RS-485电路如图5所示采用差分信号传输，能有效地抑制远距离传输中的噪声干扰，传输距离最多可达1.2Km，传输速度也较快，可高达10Mbit/s通常,连线距离在1km时，仍可达到115.2kbit/s.芯片MAX485是RS-485通信的低功率收发器，采用单+5V电源供电，双线半双工方式. MAX485的驱动器变化率没有限制，最大传输速率可达2.5Mbit/s,传输距离为1200m。4 结束语本系统设计采用高速FPGA芯片作为中控部分，同时电路中使用了两片单片机，分别实现USB接口和串口通信电路的转换。另外在单片机下载程序时要进行跳线操作，否则下载就要出现错误。在经过调试修改电路后，系统运行正常，达到了设计要求系统能完成以下功能：视频监控，存储视频信息并通过网络传输，控制前端视频设备，自动存储报警信息，通过USB接口能够下载历史报警信息，总体上达