智能楼宇对讲系统 自动化与计算机等专业毕业设计 毕业论文.doc

装订线安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书第1章 绪论11研究的背景及意义智能楼宇的发展史，是一个从监控到管理的发展史。1984年在美国康涅狄格州哈特福德市，人们对一座旧的金融大楼进行了翻修改造，在楼内铺设了大量的通信电缆，增加了程控交换机和计算机等办公自动化设备，并将楼内的机电设各(如变配电、供水、空调和防火等设备)均用计算机控制和管理，实现了计算机与通信设施连接，向楼内的住户提供文字处理、语音传输、信息检索、发送电子邮件和信息资料等服务，实现了办公自动化、设备自动控制和通信自动化，成为智能楼宇第一次在世界上出现的标志。智能楼宇主要是考虑建筑物的结构、机电系统、通信系统、办公系统和物业管理系统之间的内在关系，进行优化组合，来提供一个投资合理，具有高效、节能、舒适、便利的环境，使住户的生活更加便捷、舒适。从20世纪80年代起，由于微电脑技术的发展以及信号传输技术的进步，楼宇内部的中央监控系统发生了巨大变化，对楼宇内的各种设备不需要一对一地进行配线和状态监测。一对信号线就可以传送多种信号，所有设备的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。但是在控制方面，由于当时的现场控制器价格昂贵，功能也不完善，大部分的系统运算处理，仍需要集中到中央控制室内由主机进行处理。当时中央监控系统的功能，多限于设备初级状态的变化显示，直接进行控制管理，以及对现场传来的数据进行运算处理等。以前需要由中央监控主机完成的各种功能，在2l世纪的今天，已经由一些低价格、高处理能力的现场控制器所取代。中央监控室的管理人员只要下达所需的指令，现场控制器就会自动参考其它数据，进行运算处理并控制相关的设备，以达到管理者的要求。这样，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，而中央监控系统的功能也逐渐由控制变为提供各种数据报表和专项统计文件。此时，“中央监控系统”的名称就逐渐变为“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、集中管理以及分散式控制。中央管理系统不断地将各种数据报表提供给管理人员，管理人员通过分析数据报表，求得楼宇最低的运营成本(如节省能源、节省人工成本等)，从而进一步提高楼字的附加值。当有灾害发生时，可以通过中央管理系统得知何时何地发生了何事故，便于事故处理人员迅速进行处理，减小事故带来的危害和影响。智能楼宇是多学科、高新技术的巧妙集成，也是综合经济实力的表现，大量高新技术竞相在此应用，使得高层建筑不再是一个城市的“孤岛”，而是一个充满活力的、具有高工作效率的、有利于激发人们创造性的环境。智能楼宇是将楼宇自动化系统BAS(Building Automation System)、办公自动化系统OAS(Office Automation System)和通信自动化系统CAS(Communication Automation System)通过综合布线系统GCS(Generic Cabling System)有机地结合在一起，并利用系统软件构建智能楼宇软件平台；实时信息、管理信息、决策信息、视频信息、语音信息以及各种其它信息通过网络进行传输，实现信息共享，以达到安全、舒适和便捷的工作环境；以提高工作效率为目的，达到节约能源和管理费用；克服重复投资、控制系统的分离、服务缺乏保证、管理功能不全等缺点，来达到实现可持续发展的目标。因此，智能楼宇代表了21世纪高层建筑的走向，具有强大的生命力。12相关研究的发展动态与现状(1)可视对讲技术的发展动态与现状对讲系统从上个世纪80年代兴起于日本和欧美，在欧美国家、香港、台湾等地区已经采用了近20年，国外的可视对讲产品主要有韩国和日本品牌。自从1992年起，国外的楼宇对讲产品制造商，陆续到中国大陆开拓市场。楼字对讲产品最早进入国内市场的是单户型与单元型楼宇对讲产品，并且功能比较单一，只能简单实现访客系统的基本功能。自从2000年以来，有实力的生产厂家集中开发联网型楼宇智能产品，楼宇智能系统的集成度越来越高，首先实现了多门口机与多管理机系统，接着集成了安防报警、小区服务及信息发布等功能，另外，还有一些厂家还集成了三表远抄、监控以及巡更等系统，产品的性能也有进一步提高。对讲系统的数字化、网络化、信息化以及智能化是楼宇监控今后发展的主要方向。MOTOLORA公司2003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系统，该系统不但具有对讲、监视等基本功能，还有多媒体帮助、访客留影、信息发布、广告服务等先进功能。当前采用的可视对讲系统是通过遥控摄像机及其辅助设备(如镜头，云台等)直接监看被监视场所的情况，把被监视场所的图像和声音传送到监控中心，用长时间录像机将图像记录在录像带上，为突发事件的及时反应和以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，但是在居住小区和楼宇公共安全防范系统中的应用却很少，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、长时间录像机等硬件设备价格昂贵。随着可视对讲产品成本的进一步降低、市场继续扩大、新技术的不断引入，可视对讲产品的功能也日趋多元化。如门口机模块中引入图像识别技术、指纹识别技术使系统更加人性化；采用音频和视频数字化技术、ARM嵌入式技术可以使系统直接接入宽带网络；采用蓝牙技术可以实现免布线的无线楼宇对讲系统等。目前，规模较大的生产厂家在销售、工程安装、服务方面的成本居高不下，然而随着产品日趋标准化，工程安装服务社会化，产品成本也会逐步降低。总之，楼宇可视对讲产品的发展已经到了一个全新的阶段，但是还有很多方面不很成熟，未来楼宇可视对讲产品将向新的高度发展。(2)通信控制方式的发展动态与现状楼宇可视对讲系统需要传输的信号主要有三类，分别是音频信号、视频信号和数据信号。在系统布线的过程中，需要重点考虑的是：音频传输质量、视频传输质量以及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、数据以及电源线通常用RVV线，也可以使用网络线。传统工业控制的通信方式一般采用RS232和RS485总线，其主要缺点是无法构成多主结构，主节点任务繁忙，一旦主节点出现故障就可能引起整个系统瘫痪。数据通信方式为命令响应式，数据传输效率较低，同时当通信下端出现异常时，数据不能立即上传，灵活性较差，不能适应实时性要求较高的场合，显然RS232和不能满足可视对讲系统的要求。本文采用二级总线结构，一级总线采用CAN总线，二级总线采用RS485总线。从当前国内外现场总线在楼宇智能化系统中的应用情况来看，Lon works总线和CAN(Controller Area Network)总线使用较为广泛。CAN总线在数据传输方面有着显著的优势(详见第3章)，它能够完全适应和胜任智能楼字可视对讲系统的工作环境与要求，其协议的充分性和完整性，使CAN总线在数据通讯中具有很强的可靠性、实时性和灵活性，不会因网络负载重而导致网络瘫痪，其采用短帧结构使数据出错率极低，并且CAN总线的通信芯片价格低廉，使用方便；然而相比之下，Lon works总线的成本较高，虽然它兼容TCPIP协议，但是并不能取代上层局域网直接挂接到INTERNET网上，另外，其仲裁方式很容易因数据无限重发而导致网络瘫痪，由此可见，Lon works总线与CAN总线相比，前者在智能楼宇中应用没有优势。所以，该设计方案采用CAN总线来构建智能楼宇可视对讲系统的网络平台。13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，这些粗劣产品在刚开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，极坏影响，严重影响楼宇对讲系统的形象，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IC，尽可能地替代独立元件，楼宇对讲系统的质量及使用寿命会大幅提高，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(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。14本文的结构及研究系统内容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CAN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CAN通信的硬件接口电路进行分析、研究与设计。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流程图。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。第五章 内容的总结和展望。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CAN总线通信，需要解析CAN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、CAN智能节点的电路实现、CAN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CAN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。2、对讲系统硬件研究与设计部分21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PICl6F877A芯片作为主CPU，PICl6F877A是一个省电，高效的8位CMOS微型计算机并且具有16K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。PICl6F877A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CAN通信，CAN网络为分布式网络结构。系统的显示部分采用的是四片164来驱动四个LED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的可视通话；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，可访问的用户室的可视通话；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。设计方案如图2-1所示:图2-1 设计方案可视对讲系统各部分主要作用：管理机：可以与楼内任一个住户分机通话，也可以与门口机通话，可以进行全局广播或局部广播，发布各种服务信息等。当住户分机自带防区功能时，管理机还可以显示楼内任一个住户家庭的警情。门口机：摄录访客的图像和声音，并通过相应的信号线分配传输至住户分机或管理机。住户分机：可以显示门口机传送来的声音和图像，进行远程控制开锁等。此外，住户分机还可以与管理中心直接联系，如紧急求救等。智能楼宇可视对讲系统可以实现以下具体功能：(1)互联 组网系统采用标准总线结构，不同类型的住户分机和不同楼宇单元的管理机都可以通过总线互联组网。系统模块组合灵活，便于扩充，能满足住户不同需求。(2)多路内部通讯系统能使住户与管理中心、住户与住户之间相互呼叫和通话，亦可以实现附件如中继器的作用是将传输的音频和视频信号放大，减少信号的衰减和失真。隔离保护器的作用是当住户分机发生故障时，隔离保护器会自动将该住户分机与系统隔离，保证系统正常运行。门口机与住户分机之问的可视对讲功能，管理机还能同时接收楼字内所有住户的报警求助。(3)保安 防盗系统中保安防盗可以采用两种方式：一种是住户分机自身具有多路防区的报警功能；一种是专用的住户多路防区报警系统。它们都具有延时防区和24小时紧急防区，可以外接门窗监控、火警监控、瓦斯监控以及安全报警等报警设施，也可向管理中心的电脑报警。管理中心的电脑能记录报警的地点、房号等。(4)远程控制开锁一般在楼门处安装有摄像头，每个住户室内配置一个可视对讲住户分机。当来访者在门口机上按下住户房号时，门口机即把该房号的编码送入信号控制线，并开启声讯连接，被选中的住户分机与声讯线接通产生呼叫信号，门口机接收到住户分机发出的回铃响应，门口机与该选中的住户分机之间即可进行双向通话，同时住户分机上的显示屏开启，住户通过住户分机的屏幕，可以看来访者的图像，通过图像决定是否开门。管理中心的管理机也具有远程控制开锁功能。22硬件部分221 PICl6F877A引脚简介PIC16F877A是40脚的芯片， PIC16F877A引脚图及使用情况说明，如图2-2所示。RB口一接模拟电子开关，以便选择相应的住户，接通信号RA口一接显示模块，由CPU发送相应的字模表值，显示相应数码RA2一接显示字模表时钟线RA3一接显示字模表的选通端RE2一接X25045芯片的片选端RE0(RD)，REI(WR)分别接数据线TX_DATA，数据线RX_DATARC6(Ix)，RC7(Tx)一接LBCl84通讯芯片的R、D端图2-2 PIC16F877A引脚图222显示部分 显示部分采用的是LED液晶显示，数码管为共阳极，其中所有发光二极管连后接到用于控制LED是否点亮控制引脚，正常显示时，该控制脚接+5v，各发光二极管是否点亮取决于a-g各引脚上是否有低电平0V。223 X25045芯片 8引脚的X25045把二种常用的功能：看门狗定时器，电压监视和EEPROM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。X25045的存贮器部分是CMOS的4096位串行EEPROM，它在内部按512*8来组织。X25045的特点是具有允许简单的二线总线工作的串行外设接口(Sena Perpheral Interface，SPI)和软件协议。224 SN75LBCl84通讯芯片SN75LBCl84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400v(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RS-485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LBCl84，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。23模拟设计部分231对讲部分2311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。2312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2-3所示。图2-3双拾音输入电路图该电路中，集成运算放大器1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2-4所示。图2-4 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L1和L2，环境噪声到达两只驻极拾音话筒的距离分别为L3和L4，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IAL3=0，而声源离话筒的距离相对较近，被放大的语音信号为L2LI0，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。2313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2-5所示。图2-5 阻抗匹配变压器连接示意图但是，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70110V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70110V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。2314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3W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。2315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正反馈，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2-6所示。图2-6 啸叫产生示意图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。232可视部分2321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；把视频信号调制成射频信号的传输方式；视频信号转换成数字信号的传输方式。1视频信号的基带传输方式这种视频传输方式对摄像头出来的图像不作任何的处理，直接通过同轴电缆传输，其特点是：视频信号不作任何改变，省略了视频信号转换电路，降低了相关设备的生产成本，缺点是信号传输距离短，虽经放大，但其传输距离一般不超过1Km，基带传输的视频信号一旦受到干扰，就难以消除；此种传输方式被现在的楼宇对讲系统普遍采用。2把视频信号调制成射频信号的传输方式这种传输方式把视频信号转换成射频信号，经放大后，使用同轴电缆最远距离可达5KM，但其传输设备需要相关的调制和解调电路，成本较高，此种方式被广泛应用到电视信号的传输上。3视频信号转换成数字信号的传输方式这种视频传输方式是视频信号的数字化传输，但由于视频信号转换成数字信号时，数据量过大，相关转换设备成本过高，在普通的民用系统中，一般不采用此种方式。2322视频信号传输原理及过程在图像光纤传输中，就信号的调制方式而言，可分为数字光纤传输和模拟光纤传输。数字信号便于进行数字处理，传输中抗干扰、抗杂波能力强，无噪声积累，并且多路低速数字信号可很方便地复接成一路高速的数字信号，它是多路图像、远距离、高品质传输的主要方式。然而，模拟光纤传输具有技术成熟、设备简单、价格便宜，且与现有的模拟图像信号相兼容的特点，因此在图像监控工程中，模拟光纤传输仍得广泛应用。监控图像模拟光纤传输方式中，常用的有基带视频信号直接光强度调制(简称AM)、脉冲频率调制(PFM)等方式。1基带视频信号直接光强度调制基带视频信号直接光强度调制的工作原理是在光发射端通过基带视频信号直接调制光源，使输出光的强度随电视信号的幅度线性变化，然后在光接收端通过光电探测器将光信号还原成电信号，经过放大和增益控制电路，得到稳定的视频信号。在该系统中，通常采用发光二极管(LED)作为光源。LED的特点是性能稳定，线性度好，在多模光纤中不会产生模噪声，因此能得到较好的信噪比、微分增益和微分相位。实验证明：以LED为光源的光传输系统中，系统性能指标：加权信噪比为54dB，微分增益为5，微分相位为5度，目前LED的工作波长为850nm，适合在多模光纤850 nm窗口传输。LED光源的输出光功率典型值为-16dBm，而光电探测器的灵敏度为-30 dBm，因此光传输动态范围为14 dB，在多模光纤中最远可传输4公里。当然也可以采用LD作为光源。LD可工作在单模1310nm窗口，由于单模1310nm窗口损耗小(考虑附加损耗后每公里045dB)，可以满足远距离应用要求，传输距离可达30公里。但是和LED相比，LD光源的线性度不好，在电路设计中必须增加预失真电路。因此增加了硬件成本和调试难度。在接收端，必须具有自动增益控制电路，其作用除了可以使接收机的信号动态范围扩大外，更重要的是因为这种系统接收端的输出信号是随着收到的光功率的大小而变化的，因而自动增益控制使接收端电视信号输出电平维持衡定的接口电平。2脉冲频率调制脉冲频率调制传输方式是目前模拟视频光纤传输方式中传输质量最高的方式之一，其原理是调制脉冲重复频率随信号幅度大小呈线性变化，而脉宽保持不变。PFM是信号光强度调制前的一种预处理过程，信号经过脉冲调制后，频谱会变宽，并以此可以换取传输质量的提高。而PFM处理带来的传输带宽的增加，对于带宽极宽的光纤来说并不存在什么问题，而且由于光源的非线性对系统的影响不大，故光调制深度可以增加，进一步提高系统的信噪比。通过脉冲频率调制可实现单路视频传输，多路视频传输，视频数据传输。下面对几种方案做简要描述。(1)单路视频传输单路视频传输系统工作原理如图2-7，在发射端基带视频信号经过预加重，进行PFM调制，然后去调制激光器。而在接收端通过PIN管将光信号转化成电信号，经过PFM解调恢复出视频信号。图2-7 单路视频传输系统工作原理视频信号经过PFM后，频谱里第一类贝塞尔函数分布，频谱中含有无穷多个频率分量，但功率谱主要集中在载波和低次谐波分量上，高次边频分量可略去不计，因此FM信号可近似认为具有有限频谱。基带视频信号的带宽为8MHz，经过PFM调制后，信号带宽可限定在30MHz以上而不会明显影响PFM性能。不同于基带视频信号直接光强度调制方式，该系统对发光器件没有特殊要求，可以根据实际工程需要选用不同的发光器件。如多模850nm波长LED满足4公里以内应用，单模1310nm波长LD满足30公里以内应用，单模1550nm波长DFB激光器满足100公里以内应用。无论是多模LED，还是单模LD，系统都具有良好的性能。批量测试结果表明，系统经过光纤传输后，系统主要指标为：加权信噪比为60dB，微分增益为3，微分相位为3度。由于PFM信号解调输出噪声功率谱密度和调频信号解调输出噪声功率谱密度一样，呈三角形噪声特性，造成高频端噪声大而低频端噪声小的现象。为了克服这种现象，在设计中往往采用预加重和去加重电路。预加重使视频信号在频率上人为地加以预倾斜，使高频端升高，低频端压低。在接收端解调时，由于信号高频端电平提升而使解调信噪比有所提高，而低频端则有所降低，从而均衡了带内信噪比的分布。另外，预加重对低频成分起着压缩作用，也压缩了亮度信号的动态范围，从而降低了微分增益和微分相位的失真。(2)多路视频传输通过将多路视频分别调制于不同的频率范围，然后进行频分复用，可以在单根光纤中实现多路视频传输。从理论上讲，光纤和光器件的带宽极大，完全满足8路以上多路视频频分复用的带宽要求。但实际上由于目前采用的分立元件，特别是高频电容和电感的精密度和稳定性不够，使得PFM中心频率的稳定性不好，中心频率会随时间和温度漂移，加上带通滤波器的特性也会随温度变化，给多路视频复用带来很多不稳定因素。所以目前较为成熟的也只是四路图像的频分复用。(3)视频数据传输通过PFM方式不仅可以完成较高质量的视频传输，而且可以完成一路甚至多路双向数据传输。正向数据工作原理是在发射端首先将数据信号进行FSK调制，再将FSK信号和视频基带信号混合，然后将混合信号进行PFM调制。在接收端首先进行PFM解调，通过带通滤波器分离出视频信号和FSK信号，最后进行FSK解调，还原出数据信号。反向数据则直接对发光器件进行强度调制。视频、数据混合传输存在两个问题：视频和正向数据间相互干扰。由于数据信号经过FSK调制和带通滤波后仍存在较丰富的谐波成分，这些谐波成分会影响视频信号，使视频信号受到干扰。为了降低这种干扰，可以通过降低FSK幅度的方法来实现，但FSK幅度过低会造成数据解调不出来或数据误码过高。数据速率不高。目前比较成熟的FSK技术适合于速率为1Mbps的数掘信号的调制解调，在异步数据通信中往往采用8倍的过采样，所以这种FSK技术可以传输一路速率为1152Kbps的高速异步数据。但如果要传输多路异步数据，异步数据的速率则远低于1152Kbps。总之，模拟光纤传输系统可采用基带视频信号直接光强度调制和脉冲频率调制方式。基带视频信号直接光强度调制方式设备简单、价格便宜，适合于单路视频传输。脉冲频率调制方式得到的视频质量高，满足0100公里不同距离视频传输要求。该方式虽然可以完成多路视频传输及视频和数据的混合传输，但由于模拟技术的局限，这种应用不久将会被数字方案所取代。2323视频捕捉视频捕获是指由专用的视频采集卡捕获视频信息，然后将其进行数据化处理，再经过软件的压缩进行处理，这时就可对这些数据进行保存、回放、传输等各种操作。Windows专门提供了Video for Windows来对视频处理进行支持，提供的接口可以被大多数的视频采集卡支持，并有多种视频压缩驱动供选择。1VFW简介VFW是Microsoft 1992年推出的关于数字视频的一个软件包，它能使应用程序数字化并播放从传统模拟视频源得到的视频剪辑。VFW的一个关键思想是播放时不需要专用硬件，为了解决数字视频数据量大的问题，需要对数据进行压缩。它引进了一种叫AVI的文件标准，该标准未规定如何对视频进行捕获、压缩及播放，仅规定视频和音频该如何存储在硬盘上，在AVI文件中交替存储视频帧和与之相匹配的音频数据。AVI给程序员提供VBX和AVI Cap窗口类的高级编程工具，使程序员能通过发送消息或设置属性来捕获、播放和编辑视频剪辑。VFW主要由以下6个模块组成：(I)AVICAPDLL包含了执行视频捕获的函数，它给AVI文件IO和视频、音频设备驱动程序提供一个高级接口；(2)MSVIDEODLL用一套特殊的Draw Dib函数来处理屏幕上的视频操作：(3)MCIAVIDRV此驱动程序包括对VFW的MCI命令的解释器；(4)AVIFILEDLL支持由标准多媒体IO(mmio)函数提供的更高的命令来访问avi文件；(5)压缩管理器(ICM)管理用于视频压缩解压缩的编解码器(CODEC)：(6)音频压缩管理器ACM提供与ICM相似的服务，不同的是它适于波形音频。Visual C+在支持VFW方面提供有vfw321ib，msacm321ib，winmm1ib等类似的库。特别是它提供了功能强大、简单易行、类似于Mclwnc的窗口类AVI Cap。AVI Cap为应用程序提供了一个简单的、基于消息的接口，使之能访问视频和波形音频硬件，并能在将视频流捕获到硬盘上的过程中进行控制。2AVI Cap编程AVI Cap支持实时的视频流捕获和单帧捕获并提供对视频源的控制。虽然MCI也提供数字视频服务，比如它为显示AVI文件的视频提供了avi video命令集，为视频叠加提供Yove day命令集，但这些命令主要是基于文件的操作，它不能实时地直接从视频缓存中取数据，对于使用没有视频叠加能力的捕获卡的PC机来说，用MCI提供的命令集是无法捕获视频流的。而AVI Cap在捕获视频方面具有一定的优势，它能直接访问视频缓冲区，不需要生成中间文件，实时性很强，效率很高。同时，它也可将数字视频捕获到文件中。在视频捕获之前需要创建一个捕获窗口，所有的捕获操作及其设置都以它为基础。用AVI Cap窗口类创建的窗口(通过cap Create Capture Window函数创建)被称为“捕获窗”，其窗口风格一般为WSCHILD饼WSVISIBLE。在概念上，捕获窗类似于标准控制(如按钮、列表框等)。捕获窗具有下列功能：(1)将一视频流和音频流捕获到一个AVI文件中；(2)动态的同视频和音频输入器件连接或断开：(3)以Ovef lay或Preview模式对输入的视频流进行实时显示；(4)在捕获时可指定所用的文件名并能将捕获文件的内容拷贝到另一个文件；(5)设置捕获速率；(6)显示控制视频源、视频格式、视频压缩的对话框；(7)创建、保存或载入调色板；(8)将图像和相关的调色板拷贝到剪贴板；(9)将捕获的一个单帧图像保存为DIB格式的文件。这里需要解释一下AVI Cap在显示视频时提供的两种模式：预览(Preview)模式该模式使用CPU资源，视频帧先从捕获硬件传到系统内存，接着采用CDI函数在捕获窗中显示。在物理上，这种模式需要通过VGA卡在监视器上显示。叠加(Overlay)模式该模式使用硬件叠加进行视频显示，叠加视频的显示不经过VGA卡，叠加视频的硬件将VGA的输出信号与其自身的输出信号合并，形成组合信号显示在计算机的监视器上。只有部分视频捕获卡才具有视频叠加能力。除了利用捕获窗119个功能外，灵活编写AVI Cap提供的回调函数还可满足一些特殊需求，比如，将宏CaptIlre Sequencj No File同用capSelCallBackonvideoStream登记的回调函数一起使用可使应用程序直接使用视频和音频数据，在视频会议的应用程序中可利用这一点来获得视频帧，回调函数将捕获的图像传到远端的计算机。应用程序可用捕获窗来登记回调函数(由用户编写，而由系统调用)，以便在发生下列情况时它能通知应用程序做出相应的操作：(1)捕获窗的状态改变；(2)出错；(3)视频帧和音频缓存可以使用； 。(4)在捕获过程中，其它应用程序处于让步(Yidld)地位。与普通SDK编程一样，视频捕获编程也要用到涉及视频捕获的结构、宏、消息和函数。让编程人员感到轻松的是，发送AVICap窗口消息所能完成的功能都能调用相应的宏来完成。例如，SendMessage(hWndCap,WM_CAP_DRIVER_CONNECT，0，0)，与capDriverConnect(hWndCap，0)的作用相同，都是将创建的捕获窗同视频输入器件连接起来。AVICap：编程时，还有几个与视频捕获相关的结构，下面对常用的4个结构做一简要介绍(对于前3个结构都有对应的函数来设置和获得结构包含的信息)：(1)CAPSTATUS定义了捕获窗口的当前状态，如图像的宽、高等：(2)CAPDRIVERCAPS定义了捕获驱动器的能力，如有无视频叠加能力，有无控制视频源、视频格式的对话框等；(3)CAPTUREPARMS包含控制视频流捕获过程的参数，如捕获帧频、指定键盘或鼠标键以终止捕获、捕获时间限制等；(4)VIDEOHDR定义了视频数据块的头信息，在编写回调函数时常用到其数据成员pData(指向数据缓存的指针)和dw Buffer Length(数据缓存的大小)。3视频捕捉步骤利用VFW接口，视频捕捉可以分为以下几个步骤。(1)建立视频采集窗该窗口用来接收视频捕捉驱动程序传来的数据和消息。VFW提供eapCreateCaptureWindow函数用于建立视频采集窗口。(2)连接视频驱动程序将建立的视频捕捉窗口与视频设备驱动程序相连。VFW接口如下capDriverConnect(hWndCap，nlndex)式中：hWndCap所建立的视频捕捉窗口的句柄；nlndex为查询得到的视频卡驱动程序的索引号。(3)视频捕捉初始化(4)视频捕捉设置VFW下视频捕捉参数的设置可以通过调用函数或弹出对话框的形式来实现。一般视频驱动程序允许设置的参数包括视频源选择、视频格式、视频显示格式等。(5)设置回调函数通过回调函数来通知程序视频事件的发生，比如捕捉一帧图像成功的消息，捕捉出错的消息等。(6)结束捕捉结束捕捉是应该有一些清除工作。如释放分配的内存，断开捕捉窗口与视频捕捉驱动程序的连接，清除视频捕捉窗口等。窗口类为捕获数字视频流及其相关操作提供了很大的方便，灵活编写其中的回调函数可满足实时视频传输的需要，例如应用程序可直接从缓冲中取得数字视频并对其进行压缩编码后实时地传到远端的计算机。2324信号衰减远距离传输视频信号引起信号衰减是不可避免的，衰减主要是由于传输线的电阻和电感能量消耗引起的。在减少信号衰减，提高视频传输距离的方法上，设计中采用阻抗为75欧姆的同轴电缆，有效减少视频信号的衰减。如果接收端视频信号依然较弱，设计又考虑采用有源视频信号放大器，在条件允许下，在视频信号到达前级安装视频信号滤波器，可以进一步增强图像减小失真。由于现在的楼宇延伸距离较远，一般需要在视频信号输出口安装视频放大器，一个质量不好的图像经视频放大器放大后可以减少雪花点，增强图像清晰度。设计中选用了带宽为45M-750M，增益30DB，动态范围35-75BUV的专业视频信号放大器。视频信号到达每一楼层后，需要采用视频分配器和分支器，视频信号经过分配后连接到每个用户房间的监视器，这样的考虑是为了使视频信号互不干扰并且输出阻抗匹配。视频放大连接图如图2-8所示。图2-8 视频放大连接图2325门前机上装配的CCD摄像头 随着CCD(Chang-Coupled Device电子耦合器)CMOS成像器件技术的成熟，大量用于摄像头这里采用的是数字摄像头，数字摄像头是将摄像头和视频捕捉单元做在一起，通常数字摄像头是彩色的，后而拖一个小盒子。它的优点是使用简单，一般都通过微机并行通讯口连接(新型的也有USB连接的)，是即插即用的，安装简单。整体的价格往往要比买同档次的摄像头和捕捉卡要便宜。CCD摄像头是较常用的摄像头，该种摄像头具有重量轻、体积小、寿命长、不受磁场干扰、抗震动和抗击等特性，图像象素为25万，水平分辨率250线。同时考虑到晚上的使用，摄像头具有远红外线功能，在夜间月光级的亮度下仍可清晰显现图像。为了节省工作电流，待机工作时把摄像头电源切断。语音和摄像继电器切换功能表如表2-9所示。表2-9 语音和摄像继电器切换功能表 动作方式人员关系主摄像头控制继电器主机话筒和扬声器控制继电器第N号分机话筒和扬声器控制继电器工作状态来访人员和用户合上（可视）同时合上（对讲）同时合上（对讲）工作可视对讲方式监控管理人员和用户断开 主机话筒开，扬声器合上分机话筒断开，扬声器断开工作在监听方式 主机话筒开，扬声器断开所有分机话筒断开，扬声器合上工作在群呼方式233直流稳压电源设计电源的设计是比较重要的，由于电源直接接入用户房间并直接接触到人，所以首先要考虑电压的安全性。很多特殊场合如监狱、幼儿园等不允许直流电压大于36V，更加不允许出现交流电压220V。本系统采用分网段电源集中总线供电方式，采用该方案可以使电源故障不易扩散并节约成本。同时在网段接口处用电流隔离器，防止浪涌电流和过载电流从危险区传输到安全区，传输直流电压可以选用直流电缆RVVO5X2等。电源分为主机电源和子机电源两部分，由于主机位于控制室内需要各种电源比较方便，所以设计中主要考虑分机电源。分机电源主要是提供单片机工作电源+5V 06A，根据电压在传输中的损失以及结合工程经验，分机总电源考虑采用单路+12V 10A总线输送。到达每个分机板电源需要经过稳压器将电源电压稳定在正常工作电压，在稳压器选择上考虑采用具有高输入输出电压差的LM317，如果采用传统的78XX系列由于输入输出压差范围小将会使稳压器发热过高，影响寿命。考虑到停电情况的发生会影响系统的正常运行，设计中采用了6KW的UPS备用电源。供电电源正常情况下，UPS备用电源处于充电状态，当供电电源断电后能自动切换到备用电源，保证系统在断电下仍能正常运作12小时。24单片机设计部分241单片机系统采取的抗干扰技术单片机是根据软件进行相应操作的，如果软件程序跳飞或走乱将直接影响系统的正常运行。为了提供可靠性，系统在硬件和软件上采取了一些必要的措施，保证单片机的正常工作。根据工程经验，在硬件上容易干扰单片机运行的是电源，如果电源电压不稳定或过多的杂波高频干扰将使单片机程序跑飞或不断复位。系统中采DSl232作为“看门狗”电路，该“看门狗”具有电源监视作用和软件复位作用。当电源电压出现10电压波动时，能自动复位单片机，当单片机没有按时输出“喂狗”使能信号时，能及时复位单片机，使程序重新从0000H开始运行。在软件上，系统又采取了软件冗余和软件令牌编程方式，软件只有取得允许的令牌后才能执行重要的操作命令。242数码显示和键盘输入监控室主机的人机交互单元部分主要分显示和输入两部分。显示分发光管状态指示和四位共阴数码管显示，发光管状态主要指示可视对讲、监听、群呼三种状态，四位共阳数码管显示的是三位用户房问号和一位状态号，可视对讲时显示DXXX，监听时显示TXXX，群呼时显示PPPP，其中最高位显示状态代码，XXX显示的是用户房间号。键盘设计时要考虑的是：数字键和功能键设计。键盘列表如表2-10所示。表2-10键盘列表(四乘四键盘)123呼叫456挂机789群呼确认0取消监听243