采用無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)圖像音頻傳輸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：高青松，陳旭文，郭世明

引 言

長期以來，我國鐵路各大機(jī)務(wù)段對電力機(jī)車進(jìn)行動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般是將被測試機(jī)車上的視頻信號以及狀態(tài)信號通過有線電纜傳輸?shù)絼?dòng)力試驗(yàn)車上。考慮到機(jī)車現(xiàn)場環(huán)境的特殊性，有線電纜傳輸方式使用不便且易損壞，本系統(tǒng)就是針對這種情況而開發(fā)的，采用無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能，其使用方便、性能可靠，在很大程度上提高了牽引實(shí)驗(yàn)的工作效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)通過無線圖像音頻傳輸模塊將機(jī)車司機(jī)室攝像機(jī)拍攝的圖像信息傳送到試驗(yàn)車端顯示器，以及實(shí)現(xiàn)兩端語音傳輸。通過開關(guān)量采集模塊采集試驗(yàn)車端云臺控制器發(fā)出的控制指令，采用點(diǎn)對點(diǎn)的無線通信方式，將采集來的數(shù)據(jù)按GFSK調(diào)制方式通過無線數(shù)傳模塊調(diào)制成微波信號發(fā)送；接收端無線數(shù)傳模塊接收到數(shù)據(jù)后，由開關(guān)量接收與驅(qū)動(dòng)模塊給出攝像機(jī)與云臺控制指令，以對司機(jī)室攝像機(jī)和云臺進(jìn)行遠(yuǎn)程無線操作，讓試驗(yàn)車上工作人員觀察到機(jī)車司機(jī)室和機(jī)車前方路況的清晰圖像。

硬件系統(tǒng)由無線圖像音頻傳輸系統(tǒng)、攝像頭與云臺無線控制系統(tǒng)組成，包括無線圖像音頻發(fā)射模塊、無線圖像音頻接收模塊、云臺控制器無線發(fā)射模塊、云臺控制器無線接收與驅(qū)動(dòng)模塊、攝像機(jī)與云臺、顯示器以及相關(guān)電源模塊，如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無線圖像音頻傳輸系統(tǒng)

采用2.4 GHz無線圖像音頻傳送器，該傳送器利用微波無線電傳輸技術(shù)，可靠傳輸距離可達(dá)1 000 m。具有良好的微波抗干擾性能，載波頻率達(dá)2.4 GHz，有效地避免了900 MHz等頻段擁擠不堪的無線電話信號和其他電磁干擾信號，也避免了本系統(tǒng)對其他無線通信設(shè)備的干擾。同時(shí)具有優(yōu)良的視／音頻接收品質(zhì)，采用性能優(yōu)越的調(diào)頻方式，具有寬頻特性，且信噪比高。

2.2 攝像機(jī)與顯示器

采用具有22X光學(xué)變焦鏡頭和數(shù)碼變焦IC，以及多達(dá)220X的變焦監(jiān)視能力。具有低光監(jiān)視、白平衡、背光補(bǔ)償以及自動(dòng)聚焦等功能，可拍攝到高清晰遠(yuǎn)距離的視頻圖像，滿足機(jī)車現(xiàn)場環(huán)境的需要。顯示器采用普通彩色電視機(jī)。

2.3 攝像頭與云臺無線控制系統(tǒng)

2.3.1 開關(guān)量采集模塊

由位于試驗(yàn)車的云臺控制器產(chǎn)生11路開關(guān)量控制信號，分別為：攝像機(jī)變焦小、變焦大，聚焦近、聚焦遠(yuǎn)，光圈開、光圈關(guān)，云臺上、下、左、右，自動(dòng)掃描。微處理器采用ATMEL公司的AT89C52，AT89C52與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，耗電量低。內(nèi)部含有8KB Flash存貯器，可以方便地利用編程器對其進(jìn)行編程和擦除操作。

AT89C52的資源分配為：P0口采集攝像機(jī)控制信號，P1口用于看門狗電路和指示燈控制，P2口采集云臺控制信號。串口TXD和RXD通過MAX485芯片與無線數(shù)傳模塊相連。P0口和P2口分別通過2個(gè)9腳1 kΩ排電阻將其電平可靠上拉。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為11.059 2 MHz。按鍵按下時(shí)低電平“0”有效，無按鍵按下時(shí)P0口和P2口的狀態(tài)都為“0xFF”，如圖2所示。

2.3.2 開關(guān)量接收與驅(qū)動(dòng)模塊

本模塊微處理器同樣采用AT89C52，通過AT89C52的串口接收無線數(shù)傳模塊發(fā)來的控制指令數(shù)據(jù)，將其解碼后輸出到P0口和P2口，再通過74LS04反向輸出到繼電器驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803，ULN2803將數(shù)據(jù)再反向后輸出到DC5V繼電器線圈，如圖3所示。圖3中只畫出前4路信號，D10到D13為AT89C52輸出數(shù)據(jù)，通過DO0到DO3控制繼電器線圈得失電，以接通或關(guān)斷AC24V云臺控制電源和DC±5 V攝像機(jī)控制電源。將ULN2803的輸入輸出腳兩兩并聯(lián)起來，以提高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

為防止攝像機(jī)與云臺的控制電機(jī)同時(shí)施加反向電壓而造成電機(jī)損壞的事故，對于相關(guān)繼電器進(jìn)行了互鎖處理。

2.4 無線通信模塊

采用STR-15低功率無線數(shù)傳模塊，最大發(fā)射功率為500 mW，載波頻率433 MHz，基于GFSK調(diào)制方式。采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，提高數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾能力，在信道誤碼率為10-3時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率10-5～10-6。提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議。提供2個(gè)串口、3種接口方式，COM1為TTL電平UART接口，COM2由用戶自定義為標(biāo)準(zhǔn)RS232／RS485口。STR-15的結(jié)構(gòu)組成原理如圖4所示。

STR-15可靠傳輸距離達(dá)200 m，完全滿足試驗(yàn)車與機(jī)車之間的距離要求。

2.5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

電力機(jī)車上各種電磁干擾十分嚴(yán)重，必須著重考慮系統(tǒng)的抗干擾性能。

2.5.1 看門狗電路的設(shè)計(jì)

采用Xicor公司X25045芯片，它將EEPROM、看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控3種功能組合在單個(gè)芯片內(nèi)，簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾，程序“跑飛”時(shí)，看門狗定時(shí)器在預(yù)置時(shí)間內(nèi)沒有總線活動(dòng)，則X25045從RESET輸出一個(gè)高電平信號，使AT89C52復(fù)位?？撮T狗電路原理圖如圖5所示。

2.5.2 無線通信可靠性設(shè)計(jì)

RS485是一種平衡差分驅(qū)動(dòng)，半雙工的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中配置了MAX485進(jìn)行TTL電平和RS485電平的轉(zhuǎn)換，使AT89C52與STR-15之間進(jìn)行可靠的通信?？紤]到車內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，采用阻抗匹配的外置天線，將其安裝在車廂外，確保無線傳輸?shù)目煽坑行А?/p>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用查詢式算法，采集發(fā)送程序和接收驅(qū)動(dòng)程序都是循環(huán)執(zhí)行的?？刂浦噶顢?shù)據(jù)幀格式如表1所示，將鏡頭控制數(shù)據(jù)，云臺控制數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)和3個(gè)字節(jié)作為1幀數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。

AT89C52串口波特率初始化為19 200 bps，與STR-15波特率相匹配，選用較快的波特率可以保證操縱鏡頭和云臺動(dòng)作的時(shí)效性，操作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較明顯的延遲感。系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。程序中包括了對開關(guān)量的消抖處理、通信握手、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等環(huán)節(jié)。

4 結(jié) 論

本文從硬件和軟件2個(gè)方面對該系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對于系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述。由于采用了切實(shí)有效的抗干擾措施，在該系統(tǒng)投入成都鐵路局現(xiàn)場運(yùn)行之后，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。該系統(tǒng)也具有一定的推廣性，可用于其他無線監(jiān)控場合，如銀行、社區(qū)監(jiān)控等。

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