基于SPCE061A单片机的云台镜头控制系统设计

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摘要：介绍了应用于数字视频监控系统中的云台镜头控制系统的主要功能，结构及原理，并给出了一种基于SPACE061A单片机的云台镜头控制系统的软硬件设计与实现方法。

关键词：云台镜头控制；解码器；单片机；串行通信

中图分类号：TP302文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2007)05-11306-01

1 引言

在数字视频监控系统的设计与实现中，对云台的方位控制是系统执行的重要任务之一。云台控制系统主要包括两大功能：一是控制摄像机在上、下、左、右四个方向进行运动以达到控制摄像方向的目的；二是控制摄像机进行变焦、聚焦、光圈调整等动作以保证图像的清晰。基于上述两大功能，结合应用实际，利用单片机能够实现对云台的准确控制。

2 系统总体设计

系统的组成框图如图1所示，系统通过计算机串口和解码器进行通信，云台通过解码器作为中间设备与服务器端计算机的RS485串口相连接。解码器的主要作用是：通过串口接收服务器端计算机的控制码，并对控制码进行地址解析和命令解析，将解析的命令转换成相应能够驱动云台转动和摄像机镜头动作的控制电压，驱动云台控制电路和摄像机镜头控制电路以控制云台转动，摄像机镜头的调节等操作[1]。

图1 云台系统的组成框图

客户端计算机与服务器断计算机通过Internet相连接，对云台和镜头的控制命令进行编码，通过TCP/IP协议发送到服务器端的计算机，服务器端计算机对客户端发来的控制命令进行接收，通过解码器转换成对云台和镜头控制的信号，从而实现对云台和镜头的远程控制。

3 云台镜头控制系统解码器的硬件设计与实现

在云台镜头控制系统中，终端解码器是整个系统的核心部件。解码器能够完成将接收到的各项操作指令正确解析，并且转换为相应的电信号，进而控制云台的运动和镜头的调节。

3.1 终端解码器硬件电路设计

3.1.1 解码器工作原理

云台镜头解码器主要由电源电路、通信电路、云台控制电路、镜头控制电路、看门狗电路构成，由于本系统采用的spce061a自身具有Watchdog功能，所以省去了看门狗电路。其中单片机是核心部分，结构如图2所示。单片机负责对控制信号进行接收、检验、确认后，将控制命令解码，由I/0端口发出相应的控制命令实现对云台和镜头的控制与调节。

图2 云台/镜头解码器硬件原理图

3.1.2 电源电路设计[2]

根据所选器件的需要，确保系统工作可靠，本云台镜头解码器各部分采用独立电源供电，且不共地。其中一路＋3.6V用于单片机系统供电；一路＋5V和两路＋12V、－12V用于串行通信、云台控制电路和镜头控制电路部分；一路＋12V用于给继电器和摄像机提供电源。

3.1.3 通信电路设计

系统采用RS-485串行通信协议与主机通信[4]。当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M。解码器与主控系统之间的数据传送采用RS-485收发器MAX485，由单片机的通用异步串行数据发送管脚Tx（IBO10）和通用异步串行数据接收管脚Rx（IBO7）发送和接收。图3为单片机和MAX485构成的RS-485半双工点对点通信电路。在该电路中，单片机负责发送指令，指令数据通过RS-485传送到云台，云台按照接收到的指令，执行相应的动作。

3.1.4 云台控制电路设计

云台通常分为固定云台和电动云台两种。固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后锁定调整机构即可。电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围。电动云台高速运动状态由两台执行电动机来实现，每个电动机有两个绕组，当交流电源从一个绕组接入时，电机正向旋转；从另外一个绕组接入时，电动机反向旋转。云台有四个控制端和一个公共端，公共端接地，由交流220V或24V控制云台的四个控制端分别完成云台上下左右运动，以实现精确地运行定

位。单片机发出的控制信号完成电动机的正向和反向控制。图4是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）[3]。

图3 采用MAX485构成的RS-485半双工点对点通信电路

图4 云台控制电路

3.1.5 镜头控制电路设计

对镜头的控制包括光圈大小、焦距远近和变焦大小控制。变焦镜头有光圈、聚焦、变倍三个直流电机，三个电机有一个公共接地端，在非公共端加正、负电压时电机正反旋转。单片机发出的镜头控制信号对镜头直流电机的正、反向电压进行控制，镜头控制电路如图5所示。

3.2 终端解码器软件设计[5]

系统的软件设计主要包括通信中断服务程序、云台电机控制子程序、镜头电机控制子程序等。软件设计采用模块化程序设计结构。图6是系统程序设计简要流程图。

4 结束语

本文介绍了基于一种SPCE061A单片机的新型智能远程云台控制系统，能够实现自动跟踪，自动聚焦，自动光圈调整等功能。在此基础上，进行改进，加上适当的保护措施，可以应用于自然保护区，矿山等特殊环境进行实时监控。有很好的应用前景。

参考文献：

[1]丰洪才，邓华来，刘年波．用ActiveX控件实现对云台和镜头的远程控制[J]．计算机应用研究，2004：234-235

[2]谭克俊，孟宪尧，房丽萍．基于89C51单片机的云台镜头解码器设计[J]．大连海事大学学报，2001,(27,3).

[3]董蕴化，魏辉．云台镜头控制系统终端解码器的设计与实现．河南机电高等专科学校学报[J]，2005，(13,2).

[4]吴益飞，李胜，蔡骅．基于 MSP430 单片机的云台控制系统设计与实现．微计算机与信息嵌入式与SOC[J]，2006，(22,72)．

[5][美]Mark Nelson,著．串行通信开发指南[M]．中国水利水电出版社，2000．

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