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湖南大学 硕士学位论文 基于CAN总线的视频监控系统数字控制模块设计 姓名 陈卫国 申请学位级别 硕士 专业 指导教师 戴瑜兴 20070802 基于 CAN 总线的电视监控控制系统设计 I 摘 要 摘 要 视频监控系统在我国有非常广泛的应用 视频监控系统数字控制模块是一个重要的 研究领域 本文针对基于 CAN 总线的数字控制系统的关键技术进行专题研究 1 给出了一种由 89C51 单片机控制的简单易行的交流云台转动变速控制电路 实现了云台及其电动三可变镜头的控制 2 给出了无需外加 A D 单线通信的防护罩自动温度控制电路 完成了单片机温 度控制软件的设计 3 提出了 无抖动 视频切换的设计思想 给出了 16 8 的视频切换电路 利用 单片机在视频信号的场消隐期控制切换 从而实现了 无抖动 切换 4 给出了一种三线接口通信的液晶显示实时时钟电路 完成了程序设计 5 提出了在视频监控系统数字控制模块中 用 CAN 总线取代传统的 RS 485 总 线 实现 PELCO P 协议传输的方案 设计了视频切换主机和解码器的 CAN 节点通信电 路 完成了 SJA1000 初始化 数据发送及接收的程序设计 6 完成了以 89C51 单片机为微处理器的自动温度控制系统 Proteus 软件仿真 完成了以 89C51 单片机为微处理器的实时时钟系统 Proteus 软件仿真 7 完成 CAN 通信模块的实物测试 系统分为矩阵 解码器和 CAN 通信模块三个部分 通过现有的视频监控系统数字 控制模块关键技术的研究与改进 可以提高数字控制系统通信的可靠性和实时性 可以 为原系统增加新的控制手段 或使原有的控制性能得到提高 这些技术 可以为视频矩 阵 解码器 DVR 多媒体远程监控系统等产品设计提供参考 关键词 电视监控系统 数字控制模块 视频切换矩阵 解码器 CAN 总线 工程硕士学位论文 II Abstract Abstract The video monitoring system is widely used in our country The research on digitized control technologies of video monitoring system and its applications turns out to be an important research subject This paper precisely conducts the special topic research in view of some important technologies of the digitized control module 1 AC motor control circuit of PAN TILT is designed which speed is controlled by AT89C51 MCU DC motor control circuit of LENS is designed too 2 The hardware and software of automatic temperature control is designed which used in camera protect box without A D IC A kind of single wire communication IC is used in the circuit So the program is given 3 A method of video switch without picture shock is discussed in this paper and 16x8 video switch circuit is designed AT89C51 can carry out time sequence logical control with the sync signals by request 4 The module of real time clock is designed in which LCM is used a kind of three wire communication IC is used too 5 CAN bus is used in digitized control module of video monitoring system replace of RS 485 As a result the control of the rotation of several pan tilt zooms based on PELCO P protoco1 is realized 6 Simulation of Automatic temperature control system and real time clock system using AT89C51 as micro processors is realized 7 Test of CAN bus node is finished The system in this paper is compartmentalized to be three parts Matrix Switcher Terminal Decoder and CAN communication system by research of new technologies communication ability credibility agility reliability is improved adding new function the result can be consulted in the design of product such as Matrix Switcher Terminal Decoder DVR Remote Video Monitoring System Key Words Video Monitoring System Digitized Control Module Matrix Switcher Terminal Decoder CAN BUS 基于 CAN 总线的电视监控控制系统设计 湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品 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 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 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 允许论文被查阅和借 阅 本人授权湖南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 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密 在 年解密后适用本授权书 2 不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 高校教师硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1 1 选题背景和意义 1 选题依据 1 选题依据 视频监控系统是安全防范系统的组成部分 它是一种防范能力较强的综合系 统 它能被广泛应用的重要原因是它能实时 形象 真实地反映被监视对象的画 面 它已成为人们在现代化管理中进行监视控制的一种极为有效的工具 近年来 随着计算机 网络以及图像处理 传输技术的飞速发展 视频监控技术也有了长 足的发展 目前市场上的监控系统分为 模拟监控系统 数字控制的模拟视 频监控 数字视频监控系统 1 2 从技术发展的角度看 智能视频监控是网络化视频监控领域最前沿的应 用模式之一 其发展应该是前端一体化 视频数字化 监控网络化 系统集成化 目前 基于 MPEG 4 压缩技术 SDH 光纤传输技术和大容量硬盘存储技术的视频 监控系统在国内已有应用 3 但系统的成本较高 图像的质量与压缩率有关 传 输的带宽有限 从 2006 年 2007 年视频监控应用情况看 目前国内实际使用的 监控系统大多采用数字控制的模拟视频监控 4 5 视频监控在国内应用范围较广 继银行要求在金库 储蓄等要害地点安 装视频监控系统后 2002 年发电集团将全厂工业电视系统纳入到电厂设计的整 体范畴 6 2004 年国务院发布了 421 号国务院令 规定了企业事业单位内部 的保卫工作条例 规定国家要害部门都要进行安防系统的建设规划 视频监控系 统的建设则成为重中之重 2007 年 4 月 19 日 广州市公共安全视频系统管理 规定 以下简称 规定 实施新闻发布会在广州市政府举行 规定 将从 2007 年 5 月 1 日起开始实行 该规定要求涉及公共安全的十三类场所应建设公共安全 视频系统 范围几乎涉及所有公共场所 在视频监控系统中 为了看到所需的清晰图像 需要进行视频的切换 云台的转动控制 镜头控制 电源控制等操作 这些操作由数字控制系统完成 而视频矩阵和解码器是数字控制系统的重要组成部分 视频矩阵和解码器本身就 可以组成最简应用系统 7 见图 1 1 2 选题意义 2 选题意义 2005 年 国内全年矩阵销量总路数 70 万路 而直到 20 世纪 90 年代 国 内的矩阵市场 尤其是大 中型矩阵一直由美 日品牌主导 主要有美国动力 AD PELCO Philips 现为博世 泰科 安定宝 现为霍尼韦尔 Panasonic 等 基于 CAN 总线的视频监控系统数字控制模块设计 2 图 1 1 视频矩阵和解码器构成的应用系统 直到 90 年代后期 以诶比 成都科力为代表的国内企业攻克大 中型矩阵 技术难关 成长为引领国内矩阵发展的主力军 8 目前国内生产廉价的高性能小 型矩阵的厂商很少 因此有一定的市场空间 从市场来看 视频监控数字控制系统的关键技术仍有提高的余地 例如 许多视频矩阵与解码器的通信仍然采用RS485串口通信方式 而目前CAN总线技术 日益成熟 完全可以取代前者而使通信性能得到提高 随着控制技术的不断改进 新的控制芯片不断出现 研究视频矩阵和解码器的核心技术 提高视频矩阵和解 码器的性能及可靠性 增加新的功能 以提高产品的核心竞争力 具有很大的必 要性 1 2 视频监控系统的现状及发展趋势 1 2 1 视频监控系统的现状 在国内外市场上 主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两 类产品 前者技术发展已经非常成熟 性能稳定 并在实际工程应用中得到广泛 应用 特别是在大 中型视频监控工程中的应用尤为广泛 后者是新近崛起的以 计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统 该系统解决了模拟系统 部分弊端而迅速崛起 但仍需进一步完善和发展 目前 视频监控系统正处在数 控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段 1 数字信号控制的模拟视频监控系统 1 数字信号控制的模拟视频监控系统 数字信号控制的模拟视频监控系统 视频信号采用 75 同轴电缆传输 PC 控制键盘 矩阵 解码器 云台 摄像头 高校教师硕士学位论文 3 机通过图形管理软件控制自备微处理器的矩阵主机完成视频切换 云台 镜头控 制及报警联动等功能 但同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于 1km 双绞线 的距离更短 这就决定了模拟监控只适合于单个大楼 小的居民区以及其它小范 围的场所 同时 在模拟监控系统中 由于各部分独立运作 相互之间的控制协 议很难互通 联动只能在有限的范围内进行 2 数字视频监控系统 2 数字视频监控系统 9O 年代末 随着多媒体技术 视频压缩编码技术 网络通信技术的发展 数 字视频监控系统迅速崛起 现今市场上有两种数字视频监控系统类型 一种是以 数字录像设备为核心的视频监控系统 另一种是以嵌入式视频 web 服务器为核心 的视频监控系统 PC 机的多媒体监控主机综合了视频矩阵 图像分割器 录像 机等的众多功能 使系统结构大为简化 同时由于采用计算机网络技术 数字多 媒体远程网络监控不受距离限制 1 2 2 视频监控系统的发展趋势 前端一体化 视频数字化 监控网络化 系统集成化是视频监控系统公认的 发展方向 而数字化是网络化的前提 网络化又是系统集成化的基础 所以 视 频监控发展的最大两个特点就是数字化 模块化 网络化和智能化 1 数字化 1 数字化 视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流 包括视频 音频 控制等 从模拟状态转为数字状态 这将彻底打破 经典闭路电视系统是以摄像机成像技 术为中心 的结构 根本上改变视频监控系统从信息采集 数据处理 传输 系 统控制等的方式和结构形式 信息流的数字化 编码压缩 开放式的协议 使视 频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接 并在统一的操作平台上 实现管理和控制 这也是系统集成化的含义 2 模块化 2 模块化 系统的模块化指系统按功能分成不同的部分 各部分即相互独立又有机联 系 模块化可以实现系统硬件和软件资源的共享 便于协作开发 降低开发难度 3 网络化 3 网络化 视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡 集散式系统采用多层分级的结构形式 具有微内核技术的实时多任务 多用户 分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应 组成集散式监控系统的硬 件和软件采用标准化 模块化和系列化的设计 系统设备的配置具有通用性强 开放性好 系统组态灵活 控制功能完善 数据处理方便 人机界面友好以及系 统安装 调试和维修简单化 系统运行互为热备份 容错可靠等优点 系统的网 络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限 系统网络化将 基于 CAN 总线的视频监控系统数字控制模块设计 4 使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享 这也是系统集成 的一个重要概念 9 19 4 智能化 4 智能化 用计算机为控制中心 通过系统软件实现控制界面的可视化 控制环境的多 媒体化 可以方便地实现对视频切换 音频切换 镜头云台控制 报警输入 行 动输出 录像的智能化控制 进而达到对事件的分析 统计 处理 实现视频监 控的智能管理 1 3 本文的主要研究工作 本文应用新的通信技术 控制技术及新的集成芯片对视频监控系统的云台 镜头数字控制模块进行改进 设计了基于 CAN 总线的云台 镜头数字控制模块的 通信电路和通信软件 详细介绍了云台 镜头控制协议在 CAN 总线上的实现方式 改进了数字控制系统中的视频切换矩阵主机的切换电路 增加了时钟功能 改进 了数字控制系统中的解码器云台控制电路 增加了自动温度控制功能 通过实验 和仿真验证了设计原理的正确性 通过设计 研究 提高了视频监控系统的性能 本文共分 4 章 各章安排如下 第 1 章绪论 主要论述了视频监控系统的选题背景和意义 国内外视频监控 系统的技术现状及发展趋势 第 2 章 解码器控制系统设计 针对目前市场上一般解码器存在的问题 提 出了利用 DS18B20 完成防护罩的自动温度控制的方法和一种云台变速转动的电 机控制方法 设计了硬件电路 完成了软件编程 其中 防护罩的自动温度控制 模块完成了 Proteus 仿真 第 3 章 视频矩阵控制系统设计 利用 AT89C51 MT8816 和 LM1881 设计并 实现了无抖动视频切换系统 完成了电路设计和软件编程 同时提出了为矩阵主 机增加实时时钟的一种简便方法 完成了由 AT89C51 DS1302 液晶模块和矩阵 键盘构成的实时时钟模块的 Proteus 仿真 第 4 章 控制系统通信模块的设计 对 CAN 总线进行了分析研究 设计了由 CAN 控制器 SJA1000 和 CAN 总线驱动器 82C250 构成的 CAN 节点通信电路 提出 了 PELCO P 协议在 CAN 总线上实现的具体方法及软件编程 同时 用 DP51 PRO 单片机综合实验箱和 CAN PACK 通信模块完成了 SJA1000 初始化和自检测的实物 测试 最后 对本文的研究工作进行了总结和展望 高校教师硕士学位论文 5 云台 稳压 电源 通信 接口 驱动 电路 地址 选择 逻辑 驱动 电路 镜头 控制 电路 摄像机 云台 控制 电路 云台电源 摄像机电源 AT 89C51 室外防护 第 2 章 解码器控制系统设计 第 2 章 解码器控制系统设计 2 1 解码器的整体设计 2 1 1 解码器的控制对象 解码器要完成云台 镜头及防护罩的控制 云台和三可变镜头是视频摄像监 控系统中常用的设备 与摄像机配合使用 可以大大扩大摄像机的监视范围 监 视视野和清晰度 云台是一种用于监控时调整摄像头位置的设备 摄像头安装于云台之上 可实现摄像头的俯仰 水平运动 从而调整监控位置 常用的电动云台通常可作 上 下 左 右 4 个方向的运动 其控制电压通常为交流 24 V 和 220 V 也有 直流 12V 控制的电机 变焦镜头通常有光圈 聚焦 变倍 3 个电机 可控制电子镜头的焦距 光圈和景深等 以便调整视野范围和清晰度 控制电压一般为直流 6V 9V 对于安装在室外的摄像机 还需加装室外防护罩 防护罩内通常具备风 扇 雨刮 加热等功能 2 1 2 解码器的整体结构 解码器内部电路主要有电源电路 通信电路 看门狗电路 输入输出报警电 路 云台镜头控制电路 室外防护罩的控制电路等六部分组成 具体结构见 图 2 1 本系统设有 8 位拨码开关 最多可同时挂接 256 个云台镜头解码器 图 2 1 解码器系统结构图 2 1 3 解码器的控制功能 解码器通过串行通信方式接收上位机的控制命令 解释并完成以下控制 1 云台上 下 左 右各方向的运动 基于 CAN 总线的视频监控系统数字控制模块设计 6 解码器 云台镜头 矩阵切 换主机 CAN总线 上位机 2 镜头的变焦 ZOOM 聚焦 FOUCS 光圈 IRIS 的调节 3 室外防护罩射灯 雨刷 风扇的开关 解码器的功能按控制方式可以分为动作控制和开关控制 对于俯仰 水平摆 动 焦距 变倍等控制 可视为动作控制 多数情况下云台 包括镜头 是静止的 仅在需要调整摄像头视野的时候才让云台和镜头做相应动作 对于射灯 雨刷这 类对象的控制 可称为开关控制 即每种对象都处于打开状态或关闭状态 2 1 4 解码器与数字控制系统的关系 图 2 2 为解码器与数字控制系统的关系示意图 解码器一般放在监控点处 接收通信网络的控制码 根据协议 转化为云台 镜头的控制动作 由于摄像机一般远离控制室 如用多芯电缆直接传送这十几个 控制电压 既浪费线材 又有许多能量损耗在传输电缆上 目前广泛采用计算机 进行控制命令的串行传输 只需一根 2 芯控制电缆 但必须在摄像机附近配置一 个终端解码器 将计算机的控制命令进行解码 并转换为相应的控制电压 20 21 图 2 2 解码器与控制系统的关系示意图 2 2 云台控制模块的设计 2 2 1 云台的控制接口 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 当交流电 压从一个绕组接入时 电机正向旋转 从另一个绕组接入时 电机反向旋转 云 台有一个公共端和四个控制端 由交流 220V 或交流 24V 控制云台的上下左右运 动 不管其供电如何 旋转云台动作有上 下 左 右等四个基木方向 分别由 上 下 左 右 4 根相线和 1 根公共端共 5 根线来控制 每一个动作分别由一根 相线与公共端 COM 来控制 只要相线与 COM 端加有电压 就会产生某一方向的 高校教师硕士学位论文 7 MOTOR AC MC1413 T4 B 220 360 5V 控 制 信 号220V交 流 U1 MOC3041 单 片 机 过零检测电路 转速控制电路 交流信号 电机 动作 以交流 220V 云台为例 其动作见表 2 1 表 2 1 云台控制线与动作的关系 各相线与 COM 线的电压关系 UP 线 DOWN 线 LEFT 线 RIGHT 线 功能 220V 0 0 0 云台向上 0 220V 0 0 云台向下 0 0 220V 0 云台向左 0 0 0 220V 云台向右 0 0 0 0 云台不动 2 2 2 一般云台控制电路的设计 单片机发出的控制信号是对云台的交流电机的正反向控制 图 2 3 为用双向 可控硅实现的云台控制单路电路图 共有上下左右四路 21 26 图 2 3 云台控制电路 图2 3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 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 2 2 3 云台变速控制模块的设计 1 云台变速控制系统的总体结构 1 云台变速控制系统的总体结构 一般云台控制电路 不能完成云台转动的变速控制 只适用于一般没有变速 要求的交流云台 对于变速云台 单片机电机控制系统主要由 AT89C51 单片机 50Hz 交流电过零检测电路和电机转速及启 停控制电路组成 云台变速控制系统 总体框图见图 2 4 图 2 4 云台变速控制系统 基于 CAN 总线的视频监控系统数字控制模块设计 8 A 点 B 点 C 点 t U7 OPTOISO1 R15 120KR13 390 R12 10K R14 2 7K R16 120K2W Q2 TRIAC D1 10V MG1 MOTOR AC 220V Q1 9012 5V P2 7 1 2 3 4 D5 BRIDGE1 2 交流电过零检测电路 2 交流电过零检测电路 50Hz 交流电过零检测电路见图 2 5 图 2 5 交流电过零检测电路 过零检测电路由桥式整流电路和 2 个 9013 三极管组成 当 UA UBE 0 7V 时 Q2 三极管导通 Q3 三极管截止 B 点为低电平 C 点为高电平 当 UA UBE 0 75VCC 待机 IRS 10 A 10 A IRS 200 A 斜率控制 0 3VCC VRS 0 6VCC VRS 0 3VCC 高速 IRS 500 A 在高速工作模式下 适合执行最大的位速率和或最大的总线长度 高速模式 通常用于普通的工业应用 发送器输出级晶体管将以尽可能快的速度打开 关闭 在这种模式下 不采取任何措施用于限制上升斜率和下降斜率 建议使用屏蔽电 缆以避免射频干扰 RFI 问题 通过把管脚 8 接地可选择高速模式 在一些应用中由于考虑到系统的成本等问题 而使用非屏蔽的总线电缆 然 而 使用非屏蔽电缆意味着收发器要满足额外的要求 例如 电磁兼容性 EMC 问题 如果使用非屏蔽总线电缆 PCA82C250 的总线信号转换速度应被特意降 低 转换速度可以通过连接在控制引脚 Rs 上的串连阻抗值 Rext 来调整 根据 CAN 的位定时要求 转换速度下降将增加总线节点的循环延迟 因此在给定的 高校教师硕士学位论文 53 位速率下 总线长度减少 或者说在给定的总线长度下 位速率降低 斜率控制 模式中 总线输出的转换速度大致和流出引脚 Rs 的电流成比例 对于较低速度或较短总线长度 可使用非屏蔽双绞线或平行线作为总线 为 降低射频干扰 RFI 应限制上升斜率和下降斜率 上升斜率和下降斜率可通过由 管脚 8 接至地的连接电阻进行控制 如果高电平被接至管脚 8 则电路进入低电流待机模式 在这种模式下 发 送器被关闭 而接收器转至低电流 若在总线上检测到显性位 差动总线电压 0 9V RXD 将变为低电平 微控制器应将收发器转回至正常工作状态 通过管 脚 8 以对此信号作出响应 4 2 3 DC DC 电源模块 随着电子设备的微型化 紧凑型电子设备的供电是一个非常重要的问题 目 前 DC DC 转换器普遍地应用于电源供电的设备要求省电的紧凑型电子设备中 应用 DC DC 转换器的目的一方面是要进行电压转换 给一些器件提供合适的工 作电压 但更重要的是在电压转换的同时保证有较高的系统效率和较小的体积 在正常情况下优秀的 DC DC 转换器有高 95 以上的转换效率 较高的系统效率 不仅可以延长电源使用周期 也可以进一步减小设备体积 1 概述 概述 定压输入 稳压单输出隔离电源模块效率高 体积小 可靠性高 耐冲击 隔离特性好 温度范围宽 国际标准引脚方式 阻燃封装 UL94 V0 自然冷 却 无需外加散热片 无需外加其他元器件可直接使用 并可直接焊接于PCB板 上 该系列电源模块具有良好的电磁兼容性 输出纹波及噪声非常小 适合用于 供电电源稳定 波动范围小于 5 对输出电压及纹波要求较高的场合 如A D D A转换电路 信号采样电路 2 产品特性 产品特性 稳压单输出 效率高达72 外壳及灌封材料符合UL94 V0标准 无需外加散热器 工作温度 40 85 封装 SIP7 DIP14等与国际 国内同类型产品PIN对PIN兼容 不适用于输入电压波动范围大于 5 本次设计采用的是 ZY IBS D 1W 系列型号 定压输入隔离稳压单输出的 DC DC 电源模块 表 4 4 说明了其工作的一些基本参数 基于 CAN 总线的视频监控系统数字控制模块设计 54 表 4 4 ZY IBS D 1W 工作的参数 输入电压 外接电容 C1 输出电压 外接电容 C2 5V 4 7uF 5V 10uF 12V 2 2uF 9V 4 7uF 12V 2 2uF 24V 1uF 15 1uF 4 3 通信模块的电路设计 视频切换矩阵和解码器均采用 Atmel 公司的 AT89C51 单片机作为微处理器 在 CAN 总线通信接口电路中 CAN 通信控制器采用 SJA1000 CAN 总线驱动 器采用 82C250 SJA1000 与 82C250 通过高速光耦 6N137 隔离 视频切换矩阵 和解码器的通信电路基本相同 只是解码器增加一个拨码开关用于设置地址码 60 67 从图 4 1 可知 在一个视频监控控制系统中可以有多个解码器 为了便 于系统辩识 在解码器通信电路中 设置了一个 8 位的拨码开关 这样 在一个 视频监控控制系统中 最多可挂接 256 个解码器 解码器 CAN 通信部分电路见 图 4 4 4 5 从图 4 6 4 7 中可以看出 SJA1000 的 AD0 AD7 连接到 AT89C51 的 P0 口 CS连接到 AT89C51 的 P2 0 P3 4 为 0 时 CPU 可选中 SJA1000 CPU 可通过访 问外部 RAM 低地址区的方法对 P0 口进行读 写 对 SJA1000 相应寄存器执行读 写操作 SJA1000 的RD WR ALE 分别与 AT89C51 的对应脚相连 INT接 AT89C51 的 0INT AT89C51 也可以通过中断方式访问 SJA1000 为了增加系统 的稳定性采用双晶振的方式 AT89C51采用12MHZ的晶振 SJA1000选用16MHZ 的晶振 复位电路可选用上电和按键复位 同时看门狗电路监视 82C250 与 CAN 总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施 82C250 的 CANH 和 CANL 引脚各自通过一个 5 的电阻与 CAN 总线相连 电阻可起 到一定的限流作用 保护 82C250 免受过流的冲击 CANH 和 CANL 与地之间并 联了两个 30PF 的小电容 可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射 的作用 另外在两根 CAN 总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管 当 CAN 总线有较高的负电压时 通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用 82C250 的 Rs 脚上接有一个斜率电阻 电阻大小可根据总线通信速度适当调整一 般在 16K 到 140K 之间 从图 4 1 可知 在一个视频监控控制系统中可以有多个解码器 为了辨识 在解码器通信电路中 设置了一个 8 位的拨码开关 这样 在一个视频监控控制 系统中 最多可挂接 256 个解码器 60 66 高校教师硕士学位论文 55 C1100nF C2 30pF C3 30pF C4 30pF 30pF XT2 16MHz XT1 12MHz R2 390 R1 390 R3 6 2k R4 4 7k 5V A RST EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 RD 17 WR 16 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 40 GND 20 U1 AT89C51 VCC AD0 23 AD1 24 AD2 25 AD3 26 AD4 27 AD5 28 AD6 1 AD7 2 WR 6 CS 4 RD 5 INT 16 ALE 3 XTAL1 9 VSS3 15 VSS2 21 VSS1 8 VDD3 12 VDD2 20 VDD1 21 MODE 11 CLKOUT 7 XTAL2 24 RX1 20 RX0 19 TX1 14 TX0 13 RST 17 U2 SJA1000 RST1 CANINT CANINT 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 S1 SW DIP 8 C1100nF 30pF C1 30pF XT1 12MHz R2 390 R1 390 R3 6 2k R4 4 7k 5V RST EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 RD 17 WR 16 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 40 GND 20 U1 AT89C51 VCC AD0 23 AD1 24 AD2 25 AD3 26 AD4 27 AD5 28 AD6 1 AD7 2 WR 6 CS 4 RD 5 INT 16 ALE 3 XTAL1 9 VSS3 15 VSS2 21 VSS1 8 VDD3 12 VDD2 20 VDD1 21 MODE 11 CLKOUT 7 XTAL2 24 RX1 20 RX0 19 TX1 14 TX0 13 RST 17 U2 SJA1000 RST1 CANINT CANINT 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 S1 SW DIP 8 P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1 ACINT 图 4 4 解码器 CAN 通信电路 单片机与 SJA1000 接口 基于 CAN 总线的视频监控系统数字控制模块设计 56 C1100nF C5 100nF 30pFC730pF C6 100nF C3 30pF C4 30pF XT2 16MHz R5 390 R2 390 R1 390 R3 6 2k R4 4 7k R9 5 R10 5 R11 47K D2 IN4001 D1 IN4001 TXD 1 RXD 4 VREF 5 VCC 3 CANH 7 CANL 6 RS 8 GND 2 U6 82C250 CAN总线 CANH CANL 光电隔离 VCCVDD 4 3 1 2 U5 6N137 1 2 4 3 U4 6N137 AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 WR CS RD INT ALE XTAL1 9 VSS3 15 VSS2 21 VSS1 8 VDD3 12 VDD2 20 VDD1 21 MODE 11 CLKOUT 7 XTAL2 24 RX1 20 RX0 19 TX1 14 TX0 13 RST 17 U2 SJA1000 12 7406 U3 R6 330 R8 330 R7 390 RST1 34 U3B 7406 C1100nF 100nF C830pF 30pF 100nF R5 390 R2 390 R1 390 R3 6 2k R4 4 7k R9 5 R10 5 R11 47K D2 IN4001 D1 IN4001 TXD 1 RXD 4 VREF 5 VCC 3 CANH 7 CANL 6 RS 8 GND 2 U6 82C250 CAN总线 CANH CANL 光电隔离 VCCVDD 4 3 1 2 U5 6N137 1 2 4 3 U4 6N137 AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 WR CS RD INT ALE XTAL1 9 VSS3 15 VSS2 21 VSS1 8 VDD3 12 VDD2 20 VDD1 21 MODE 11 CLKOUT 7 XTAL2 24 RX1 20 RX0 19 TX1 14 TX0 13 RST 17 U2 SJA1000 12 7406 U3 R6 330 R8 330 R7 390 RST1 34 U3B 7406 图 4 5 解码器 CAN 通信电路 SJA1000 与 82C250 接口 高校教师硕士学位论文 57 IN 1 IN 2 OUT 3 NC 4 GND 5 U7 ZY IBS D C8 10uF C7 4 7uF DC DC电 源 模 块 VDD VCC 需要特别说明的是 光耦部分所采用的两个电源 VCC和 VDD必须完全隔离 否则采用光耦也就失去了意义 电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带 多 5V 输出的开关电源模块实现 这里 我们采用 DC DC 电源模块进行隔离 DC DC 电源模块电路见图 4 6 图 4 6 DC DC 电源模块电路 4 3 通信模块的软件设计 在国内视频监控领域 不同厂商的视频切换矩阵与解码器之间的通信都有自 己的传输控制协议 不同厂商的传输控制协议互不兼容 这里我们采用市场运用 较为广泛的 PELCO 协议 实现矩阵与解码器的通信 67 68 69 4 3 1 通信模块的控制协议 1 通信模块的控制协议格式 通信模块的控制协议格式 通信模块的控制协议格式见表 4 5 表 4 5 通信模块的控制协议 字节 值 功能 1 0 xA0 起始码 2 0 x 00 to 0 x FF 地址码 3 Data byte 1 数据字节 1 4 Data byte 2 数据字节 2 5 Data byte 3 数据字节 3 6 Data byte 4 数据字节 4 7 0 x AF 停止码 在表 4 5 中 数据字节 1 4 定义了云台 镜头的控制命令 云台 镜头的 控制命令的格式见表 4 6 基于 CAN 总线的视频监控系统数字控制模块设计 58 表 4 6 云台镜头的控制命令 根据协议 要使2号解码器控制的云台左转 需要发出的控制命令为 A0H 02H 60H 05H 00H 10H AFH 2 控制协议的实现 2 控制协议的实现 控制协议中命令字节的发送和接收 是通过CAN信息帧进行的 报文的传输 由SJA1000控制 SJA1000内部CAN 核心模块负责CAN 信息帧的收发和CAN 协议的实现 接口 管理逻辑负责同外部主控制器的接口 SJA1000中的每一个寄存器都可由单片机 通过SJA1000 的地址 数据总线访问 发送缓冲区可存贮一个完整的信息帧长度 为13个字节 主控制器即AT89C51单片机可直接将标识符和数据送入发送缓冲区 然后置位SJA1000的命令寄存器CMR 中的发送请求位TR 启动CAN核心模块读取 发送缓冲区中的数据 按CAN 协议封装成一完整CAN 信息帧 通过收发器发往总 线 验收滤波器单元完成接收信息的滤波 只有验收滤波通过且无差错 才把接 收的信息帧送入接收FIFO 缓冲区 且置位接收缓冲区状态标志SR 0 表明接收 缓冲区中已有成功接收的信息帧 接收帧的数量可通过访问接收信息计数器RMC 得知 接收FIFO共有64个字节 视频切换矩阵发控制命令时 应将控制命令字节写入SJA1000的发送缓冲器 然后启动发送 解码器接收控制命令时 应从SJA1000的接收缓冲器读取数据 再根据协议 完成相应的控制动作 4 3 2 SJA1000 的初始化程序设计 SJA1000的初始化只有在复位模式下才可以进行 初始化主要主要包括工作 方式的设置 接收滤波方式的设置 接收屏蔽寄存器AMR和接收代码寄存器ACR 的设置 波特率参数设置和中断允许寄存器IER的设置等 在完成SJA1000的初 始化设置以后 SJA1000回到工作状态 才能进行正常的通信任务 Bit number 7 6 5 4 3 2 1 0 数据字 节 1 0 摄像机 打开 自动 扫描 摄像机打 开 关闭 光圈关 闭 光圈打 开 焦距拉 近 焦距拉 远 数据字 节 2 0 视角变 宽 视角 变窄 云台下 云台上云台左 云台右 云台 镜头 0 数据字 节 3 镜头动作速度 0 x00 停止 到 0 x3F 高速 数据字 节 4 云台动作速度 0 x00 停止 到 0 x3F 最高速 高校教师硕士学位论文 59 ACR0 A0H ACR1 02H ACR2 00H ACR3 00H AMR0 00H AMR1 00H AMR2 FFH AMR3 FFH 滤波器 接收 FIFO 4 3 2 1 SJA1000 接收滤波器的工作原理 SJA1000 验收滤波器由4个验收码寄存器 ACR0 ACR1 ACR2 和ACR3 和4 个验收屏蔽寄存器 AMR0 AMR1 AMR2 和AMR3 组成 这8个寄存器在SJA1000 的 复位模式下可由主控制器设置 通过对这些寄存器的设置 可对接收信息构成非 常灵活的滤波 SJA1000 的验收滤波器的滤波方式有单滤波和双滤波两种方式 这里我们采 用单滤波方式 单滤波是指只有一个由4个验收码寄存器和4个验收屏蔽寄存器组 成的验收滤波器 总线上的信息只有通过了它的验收滤波 才予以接收 无论是单滤波还是双滤波 ACR 和AMR 都是配合在一起工作 所有AMR 为0 的位 ACR 和CAN 信息帧的对应位必须相同才算验收通过 所有AMR 为1 的位 ACR 对应位的验收滤波功能则予以屏蔽 CAN 信息帧的相关位与验收结果无关 4 3 2 2 解码器滤波器的设置 在扩展帧中 与滤波有关的信息位是29位标识符和RTR位 解码器的滤波器 设置验收码寄存器ACR0的值为解码器的控制命令起始码 设置验收码寄存器ACR1 的值为解码器的地址码 这样 保证解码器接收到的信息帧只能是视频矩阵切换 主机发出的 对本解码器的控制命令 同样以2号解码器为例 图4 7表明了解码 器滤波器的设置情况 图 4 7 2 号解码器滤波器的设置 4 3 2 3 解码器滤波器设置程序设计 解码器滤波器初始化程序如下 根据硬件电路 解码器的地址码从单片机P1 口读入 INI MOV R0 MOD MOV A 01H 进入复位状态 MOVX R0 A 基于 CAN 总线的视频监控系统数字控制模块设计 60 MOV R0 ACR 初始化ACR 寄存器 MOV A 0A0H 设置起始码 MOVX R0 A INC R0 MOV A P1 读解码器地址码 MOVX R0 A 设置地址码 INC R0 MOV A 00H MOVX R0 A INC R0 MOV A 00H MOVX R0 A MOV R7 02H MOV R0 AMR 初始化AMR 寄存器 MOV A 00H LOOP MOVX R0 A INC R0 DJNZ R7 LOOP MOV A 0FFH MOVX R0 A INC R0 MOVX R0 A MOV R0 CDR 选择PeliCAN 模式 MOV A 80H MOVX R0 A MOV R0 MOD 选择单滤波方式并返回工作状态 MOV A 08H MOVX R0 A RET 4 3 2 4 波特率设置 1 波特率的计算波特率的计算 CAN总线通信的波特率是由总线定时寄存器0和总线定时寄存器1共同决定 的 总线定时寄存器0 BTR0 定义了波特率预置器 BRP 和同步跳转宽度 SJW 的值 复位模式有效时这个寄存器是可以读 写的 在PeliCAN模式下 此寄存器在工作模式中是只读的 表 4 7 总线定时寄存器 0 各位说明 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 SJW 1 SJW 0 BRP 5 BRP 4 BRP 3 BRP 2 BRP 1 BRP 0 CAN 系统时钟tSCL 的周期是可编程的 而且决定了相应的位时序CAN系统时 钟由如下公式计算 2 32 5 16 48 34 22 1 1 0 1 SCLCLK ttBRPBRPBRPBRPBRPBRP 4 1 高校教师硕士学位论文 61 式中 1 CLKXTAL tXTALf 的振荡周期 4 2 总线定时寄存器1 BRT1 定义了每个位周期的长度 采样点的位置和在每 个采样点的采样数目 在复位模式中这个寄存器可以被读 写访问 在PeliCAN 模 式的工作模式中这个寄存器是只读的 表 4 8 总线定时寄存器 1 各位说明 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 SAM TSEG2 2TSEG2 1 TSEG2 0TSEG1 3TSEG1 2TSEG1 1 TSEG1 0 采样位 SAM 采样位的功能说明见表4 9 表 4 9 采样位的功能说明 位 值功能 1 三次 总线采样三次 建议在低 中速总线 A和B级 上 使用 这对过滤总线上的毛刺波是有效的 SAM 0 单次 总线采样一次 建议使用在高速总线上 SAEC 级 时间段1 TSEG1 和时间段2 TSEG2 TSEG1和TSEG2决定了每一位的时钟周期数目和采样点的位置 这里 1 SYNCSEGSCL tt 4 3 1 81 341 221 1 11 0 1 TSEGSCL ttTSEGTSEGTSEGTSEG 4 4 2 42 222 1 12 0 1 TSEGSCL ttTSEGTSEGTSEG 4 5 12SYNCSEFTSEGTSEG Tttt 4 6 2 波特率设置程序波特率设置程序 解码器通信波特率设置程序如下 MOV DPTR BTR0