基于C8051F005單片機的多功能鏡頭控制器設計

呂瑞云,周 磊,趙艷麗

河南中光學集團研發中心,河南南陽 473006

視頻監控系統主要由前端設備、后端設備、通信傳輸系統等組成。其中前端設備包括一臺或多臺攝像機以及與之配套的鏡頭、云臺、解碼器等；傳輸部分包括電纜或光纜，以及可能的有線/無線信號調制解調設備；控制部分主要包括視頻切換器、云臺控制器、鏡頭控制器、操作鍵盤、種類控制通信接口、電源和與之配套的控制臺、監視器機柜等；顯示記錄設備主要包括監視器、硬盤錄像機、畫面分割器等。鏡頭控制部分的主要功能是對鏡頭的變焦、聚焦、光圈進行控制。

1 系統硬件設計

多功能鏡頭控制器通過串行通信方式接收上位機的控制命令，對電動三可變鏡頭的變焦、聚焦、光圈電機進行控制，單片機輸出脈寬可連續可調的PWM信號送給電機驅動芯片，達到控制電機速度的連續可調。變焦電位器輸出連接到單片機的模擬輸入端AIN，經過A/D轉換后，將模擬量轉換為數字量，然后通過串口將焦距值傳送給上位機。

多功能鏡頭控制器主要由電源電路、通訊電路、溫度采集電路、光學預置位電路、開關量控制電路、鏡頭控制電路等六部分組成。

1.1 單片機C8051F005介紹

C8051F系列單片機是Cygnal公司出品的高速單片機，它既彌補了80C51系列的不足，又與MCS-51指令集兼容。C8051F000系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片，具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核，它在單片內集成了12位8通道ADC、片內JTAG在系統調試接口、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、UART、定時器、可編程計數器/定時器陣列（PCA）、內部振蕩器、看門狗定時器等。這些外設的高集成度為設計低功耗、小體積、高性能、高可靠性的單片機應用系統提供了極大的方便，同時也大大降低了系統的成本。

1.2 電源電路

為確保數字化監控系統的高可靠性，本鏡頭控制器采用4組電源，它們之間互相獨立且不共地。其中12 V為繼電器、攝像機及紅外熱像儀提供電源，+5 V分別用于串口收發芯片、電機驅動芯片等，3.3VD為單片機提供數字電源，3.3VA為單片機提供模擬電源。各部分電源互相獨立且不共地，大大提高了系統的可靠性。

1.3 通訊電路

系統采用RS-485串行通信協議與主機進行通信，RS-485串行通訊總線接口標準以差分平衡方式傳輸信號，具很強的抗共模干擾能力。通訊電路由單片機的UART串口、光耦、串口收發器等組成。光耦采用雙通道的芯片HCPL-2630，其速度可達10MBit/s。串口收發器采用TI公司的低功耗全雙工RS-485收發器芯片SN65HVD53，該收發器可在多種工作速率下實現交流性能，在RS-485總線上可支持256個器件。并具有15KV以上的ESD保護功能，能夠為RS-485及RS-422應用提供強大可靠的接口。SN65HVD53工作在全雙工模式，一方面，接收主機發送的命令，包括地址、控制命令、光學預置位數據等；另一方面，還將當前焦距值、溫度值等數據回送給主機。本系統具有遠程賦地址、查地址功能，最多可同時掛接256個鏡頭控制器。

1.4 溫度采集電路

溫度采集電路主要由單片機和DS18B20 數字溫度傳感器構成。DS18B20是DALLAS 公司生產的新一代溫度傳感器，它可直接將測得的結果以串行數字信號輸出給單片機，由于片內ROM 中有唯一的64 位序列號做為地址，所以可以將多片DS18B20以總線的方式連接在一條線上，同時進行多點測溫，并將多個溫度值通過串口上傳給上位機。

DS18B20 的測溫范圍為-55℃～125℃，溫度轉換時間93ms～750 ms 。

1.5 光學預置位電路

光學預置位電路由變焦電機、變焦電位器、A/D轉換器等組成。當接收到上位機的預置位數據后，將預置位數據與當前焦距值進行比較，控制變焦電機向正確方向轉動。電機轉動過程中，變焦電位器的阻值隨電機轉動而變化，將電阻值轉換為電壓值后，再經過A/D轉換器轉換為數字量，并與接收到的預置位數據進行比較。當該數字量達到預置位數據后，變焦電機停止轉動，并將當前數據通過串口上傳給上位機。

該電路實現了變焦鏡頭的光學預置位，減輕了上位機軟件的工作量，并且不影響圖像質量，還能兼容各種變焦鏡頭，使光學預置位的實現更加簡單、迅速，提高了可靠性及準確度。結構簡單，可靠性和準確度高，能夠迅速準確地達到設置時的光學位置。

1.6 開關量控制電路

開關量控制電路由繼電器組成。設有兩路報警輸入通道，可外接標準報警傳感器，主機用索取報警狀態命令可獲知報警狀態。系統提供2路繼電器常開觸點，用于開關量輸出控制，可控制攝像機、紅外熱像儀等設備的電源開、關，使用的繼電器是密封繼電器，具有較高的環境適應性，其觸點具有2A/28VDC切換能力。

1.7 鏡頭控制電路

鏡頭控制電路由三組電機驅動芯片、電動三可變鏡頭的三組電機等組成，當接收到上位機的控制命令后，根據命令字響應控制變焦+/-、聚焦+/-、光圈+/-等命令。其中，變焦、聚焦分別為PWM控制，可根據使用情況對其進行無級調速，以便在不同的視場觀察到清晰的圖像。當接收到停止命令后，電機停止轉動，并將當前數據通過串口上傳給上位機。

2 系統軟件設計

系統的軟件主要有兩部分組成，一部分是C8051F005單片機與主機的通信軟件，另一部分是實現對鏡頭、輸入輸出報警的控制軟件。

C8051F005單片機的UART可提供四種工作方式（一種同步方式，三種異步方式），可以通過設置SCON寄存器中的配置位來選擇其工作方式。這四種方式提供不同的波特率和通信協議。本系統選用的是方式1：即8位UART、可變波特率。方式1提供標準的異步、全雙工通信。方式1的波特率是定時器溢出周期的函數。UART可以使用定時器1工作在8位自動重裝載方式產生波特率，或使用定時器2工作在波特率發生器方式產生波特率。本系統選用的是用定時器T2作為波特率發生器，波特率=T2溢出率/16。

單片機采用串口中斷方式進行接收。系統首先判斷主機發送的控制協議字頭、地址碼是否與本解碼器相同，若相同則接收控制命令并執行相應動作。3 結論

多功能鏡頭控制器已廣泛應用于邊海防視頻監控系統、機場防衛系統、車載轉臺系統等200余套產品中。實踐表明，本系統軟硬件設計合理、成本低、可靠性高，值得推廣使用。

由本人設計的多功能鏡頭控制系統、變焦鏡頭光學預置位裝置分別獲得實用新型專利，專利號分別為：200920091218、200920091221。

[1]童長飛.C8051F系列單片機開發與C語言編程.北京：北京航空航天大學出版社，2005，1.