基于ARM微控器LPC2132嵌入式球機控制系統設計

莊志紅，伍 峰

ZHUANG Zhi-hong1, WU Feng2

（1. 常州工學院 電子信息與電氣工程學院，常州 213002；2. 常州神采電子有限公司，常州 213002）

0 引言

進入21世紀，隨著經濟的快速發展，安防監控市場逐年旺盛，巨大的應用市場、產品豐厚的利潤，吸引著許多企業涉足這一領域，隨之競爭也更激烈。球機作為安防監控系統中最關鍵的設備，不但要求性能可靠性、功能完善，更要求使用方便、靈活，成本低廉。

1 球機系統結構

系統以LPC2132作為控制核心，通過485總線接收上位機（如：硬盤錄像機、鍵盤等）所發出的操作命令，根據協議（如PelcoD協議、P協議等）對此進行解碼分析，主要實現兩大類功能：一是控制兩只步進電機，帶動球機實現左右360°無限位旋轉和上下90°轉動；通過協動兩只電機動作，帶動攝像機進行全方位監控；另一是視頻信號和鏡頭動作控制，根據要求疊加適當的字符、動態反映現場信息，鏡頭的FAR/NEAR、OPEN/CLOSE、WIDE/TELE等功能控制。

系統中鐵電存儲器用于存儲協議信息(包括通信協議、攝像機控制協議)、預置點信息、軌跡信息等等，實現預設的軌跡巡航、自學習運動等。為了使得系統夏天冬季、室內室外都能正常工作，系統中采用溫度傳感器感知攝像機工作環境溫度，通示控制風扇、加熱器實現恒溫控制，使球機更具適應性、可靠性。此外，系統接受雙鑒探頭所發出的報警信號，控制聲光機構，實現報警聯運功能。系統結構框圖如1所示。

圖1 系統結構框圖

2 硬件系統設計

2.1 ARM7微控器LPC2132

LPC2132是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，片內Boot裝載軟件可實現在系統/在應用中編程（ISP/IAP）[1]；借助EasyJTAG仿真器，在ADS1.2集成開發環境下，可實現程序固化、仿真等功能，研發成本非常低廉。

LPC2132帶有64KB高速Flash存儲器、16KB的靜態RAM、1個8路10位A/D轉換器、1個10位D/A轉換器、2個16C550工業標準的UART、2個高速I2C 接口及SPITM和SSP串行接口、2個32 位定時器/計數器、通過片內PLL可實現最高達60MHz的CPU操作頻率，這些優異性能對簡化系統結構、嵌入實時操作系統，鋪墊了良好條件。

由于球機一方面通過串行口與上位機通信，接受上位機所發出的各種命令、實現相關動作；另一方面借助串行口，完成對攝像機的鏡頭、圖像等控制；所以LPC2132雙串口性能正好滿足系統控制要求。

2.2 字符疊加芯片MB90092

安防監控場合一般是由一個主機 (監控室)和眾多球機 (監視點)構成的分布式系統，球機參數經常要根據控制場合、對象等要求進行修改，而球機一般安裝在高處或隱蔽處，參數修改只能通過遠程操作來完成。在視頻信號中疊加菜單、通過菜單修改參數是工程中最方便、最實用的方案。

MB90092是日本富士通公司推出的一款字符疊加芯片，內部集成了顯示內存（VRAM）、外掛字庫接口和視頻信號發生器，外部只需連接少量的元件就可以顯示漢字和圖形[3]，其主要性能有：雙屏顯示功能，主屏和子屏可單獨或重疊顯示；顯示容量：24字符×12行、多種模式字符，三線接口實現與外部控制系統通信，等等。

利用MB90092最多可實現顯示288個字符，可設計出顯示信息量較豐富的菜單，利用此菜單完成球機系統相關參數設置，具體參數包括：1）攝像機參數：圖像色彩、凍結、鏡像，幀累積功能、背光補償、低照度，光圈、變倍、對焦，亮度、銳度、白平衡等等；2）預置點參數：監控點位置（左右、上下）、攝像機ZOOM值、位置點特征標題等；3）隱私遮蔽參數：區域、大小、色彩、開關狀態等；4）軌跡參數：預置點號、速度、停留時間等；5）巡航參數：起點、終點、速度、時間等；6）報警參數；7）溫控參數；8）其他參數：口令、制式、顯示語言、ID等等。

2.3 步進電機驅動芯片A3980

高速球系統中所選用的攝像機一般是性能較強的一體化攝像機，不僅有光學變焦還有數碼變焦能力，如一款SONY FCB-EX480CP機芯，其18倍光學和12倍數碼變焦，可實現將監控對象放大216倍(即18*12),所以球機系統實際上是定位要求非常高的系統，定位稍有偏差，圖像就會“跑出”監視器。

A3980是Allegro公司推出的一款內置功率驅動的步進電機驅動電路,它可以整步、半步、1/8步和1/16步等四種工作模式來控制雙極性步進電機，且具有帶遲滯作用的熱關斷、過壓關斷、低電壓關斷和交叉電流保護等內部保護電路，芯片最高可達1A/35V驅動能力[6]。

A3980四個輸出腳可直接接到步進電機的四個電極，設置MS1、MS2二引腳狀態，最高可實現16細分；只要控制方向腳DIR和脈沖腳STEP，就可實現利用A3980完成對步進電機的控制，使用非常方便, 如圖2所示。借助細分驅動方式，并結合系統齒輪和同步帶減速，可以實現非常高的定位精度。

圖2 電機控制原理圖

2.4 其他電路

FM24CL64是一引腳與AT24C64完全兼容的鐵電存儲器，其不但具有一般E2PROM的優點，更主要是寫入后無需延時等待（一般E2PROM寫入后要延時幾ms才能繼續寫入下一頁），可大大提高系統數據存儲的實時性。

數字溫度傳感器、風扇、加熱器組成一套恒溫控制系統，使得球機無論夏天在室外，還是北方的冬天，攝像機都可工作在較合適的溫度環境，這樣不但提高系統的可靠性，還延長了使用壽命。

3 控制軟件設計

3.1 開發平臺

常見的嵌入式操作系統有Linux、Windows CE、uC/OS-II等，其中uC/OS-II是一個可移植、可固化、可裁剪的占先式實時操作系統[5]，相對其它操作系統而言，uC/OS-II正常運行只需十幾或幾十KB的Flash空間和SRAM空間，并且其所需的授權費用也相對較低。

ADS集成開發環境是ARM公司推出的ARM核控制器集成開發工具，ADS1.2是目前公認較成熟的版本，它支持軟件調試和JTAG硬件仿真，支持C和C++源程序。

3.2 MB90092控制

MB90092共有13種指令和2種保留指令，每條指令都由兩個字節組成，其中第一個字節的高5位是命令碼，其余位和第二字節是數據。圖3所示是MB90092的接口時序圖。當 引腳為低電平時，MB90092在每個時鐘的上升沿從最低位開始由SIN引腳一位一位讀取數據；讀完一個字節后， 和SCLK引腳置為高電平， 然后 引腳變為低電平,并開始讀取下一個字節；為了保持字節同步，在開始傳輸串行數據之前， 引腳應先置為高電平，然后再置為低電平。另外，除剛上電時外，在串行數據傳輸之前，SCLK引腳應強制設為高電平。

圖3 MB90092接口時序圖

3.3 電機控制

為了提高控制精度，本系統選用的是16細分工作模式，即將A3980 的MS1、MS2引腳接高電平。步進電機最大相電流Imax由基準電壓Vref和取樣電阻Rs決定：Imax=Vref/(8×Rs)。細分驅動時實際相電流波形和每拍時電流值（占最大值Imax的百分比）如圖4所示。

步進電機的位置由CPU向A3980 的STEP腳發出的脈沖總數決定；進退通過DIR控制；轉速由LPC2132中的定時器控制。通過對三個參數的控制，實現系統的快速、準確定位。

圖4 相電流波紋形及百分比

3.4 uC/OS-II在LPC2132的移植

系統移植建立在廣州周立功單片機發展有限公司所提供的專用工程模板[4]：ARM Image for uC/OS-II for ARM2131基礎上,該模板包括以下幾個文件組：scf文件組、*.h文件組、arm文件組、target文件組、uC/OS文件組和用戶文件組：

scf文件組包含：mem_a.scf、mem_b.scf和mem_c.scf，為分散加載描述文件，實現ADS的分散加載機制。

*.h文件組包含：OS_CFG.H、INCLUDES.H、uCOS_II.H、config.h、target.h、os_cpu.h、LPC2294等頭文件,用于定制操作系統、宏定義、文件包含操作等。

arm文件組包含：os_cpu_a.s、os_cpu_c.c，為uC/OS-II在LPC2132上的移植代碼，包括任務堆棧初始化代碼、鉤子函數、軟中斷服務函數。

target文件組包含：target.c、IRQ.s、Startup.s文件，實現目標代碼、中斷句柄、啟動代碼定義。

uC/OS文件組包含uC/OS-II實時操作系統的全部文件，用戶可以據實進行剪裁。

用戶文件組為包含主函數文件main.c在內的用戶所編寫的源文件。

“任務劃分”是實時操作系統應用軟件設計的關鍵，直接影響軟件設計的質量[2]。本系統任務包括：與上位通信和解碼任務void TaskCPU(void*pdata)、攝像機控制任務void TaskCamera(void*pdata)、定時器速度和電機位置控制任務void TaskMotor(void *pdata)、菜單系統任務void TaskMenu(void *pdata)、溫度采樣任務與控制任務void TaskTemp(void *pdata)、數據存儲任務void TaskEEPROM(void *pdata)等。利用main()函數進行系統初始化，創建數據存儲任務讀取有關參數，調用啟動函數OSStart()啟動相關任務執行。

表1 球機運動測試數據

4 系統調試

按照先主后次、先易后難原則，調試采用以模組為單位分組進行，參數調試采用先固定再可變、通信采用先模擬再在線等方法，分別實現電機控制、攝像機通信、上位機通信、菜單系統及溫控、報警聯動等功能，表1為球機系統運動參數。

5 結束語

嵌入式實時操作系統有助于提高系統可靠性和開發效率，且能夠充分發揮32位CPU的多任務處理能力，處理器嵌入操作系統系統進行開發也成必然趨勢。基于LPC2132所設計球機，已成為常州神采電子有限公司的主打產品，其優良性能得到眾多用戶的認可。

[1]周立功,等.深入淺出ARM7—LPC213X/214X[M].北京：清華大學出版社,2005.

[2]周航慈,等.基于嵌入式實時操作系統的程序設計技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2006.

[3]陳炳煌.基于MB90092的視頻字符疊加技術[J].單片機及嵌入式系統應用,2008.

[4]吳振謙.μC／OS-II在LPC213X上的多種移植方案[J].單片機及嵌入式系統應用，2007.10.

[5]Jean.Labrosse.MicroC/OS-II The Real-Time Kernel,Second Edition[M].Published by CMP Books,CMP Media LLC,2002.

[6]A3980 Automotive DMOS Microstepping Driver with Translator Datasheet[Z].Allegro Micro Systems,Inc.