基于無線通信平臺監控系統主控和攝像頭硬件設計簡介

2012-05-18 08:48:38山東省廣播電影電視局蒙山轉播臺張俊秀

電子世界 2012年22期

山東省廣播電影電視局蒙山轉播臺張俊秀

1.主控部分

主控部分的硬件框圖如圖1所示。

由以下幾部分組成：單片機及輔助電路，采用AT89S52單片機外接22.1184M的晶體震蕩器；地址鎖存器，采用一74HC573；隨機存儲器，采用的存儲器是61C1024；可擦寫存儲器，采用的是AT24C02；看門狗電路，采用的是一片MAX813，四總線三態門電路，采用的是兩片74HC125。設計時充分考慮了系統的穩定性設計，由于終端在運行中，會受到干擾等各種因素的影響，有可能出現死機現象，導致系統無法正常工作。為了克服這一現象，我們在硬件使用了看門狗。此外為了保證終端工作的可靠性以及與AT89C52兼容，除了充分利用AT89S52本身的看門狗定時器外，我們還外加了看門狗電MAX813。MAX813的主要特點如下：系統上電、掉電以及供電電壓降低時，第7腳產生復位輸出，復位脈沖寬度的典型值為200ms，高電平有效，復位門限為4.65V；如果在1.6s內沒有觸發該電路（即第6路無脈沖輸入），則第8腳輸出一個低電平信號，即看門狗電路輸出信號；手動復位輸入，低電平有效，即第1腳輸入一個低電平，則第7腳產生復位輸出；具有1.25V門限值檢測器，第4腳為輸入，第5腳為輸出；在使用時，將第1腳與第8腳相連，第7腳接AT89S52的復位腳，第6腳與AT89S52的一個I/O引腳相連，在終端運行過程中，此I/O引腳不斷輸出脈沖信號。如果因某種原因AT89S52進入死循環，則無脈沖輸出。于是1.6秒后在MAX813的第8腳輸出低電平，該低電平加到第1腳，使MAX813產生復位輸出，使AT89S52有效復位，擺脫死循環的困境。另外，當電源電壓低于門限值4.65V時，MAX813也產生復位輸出，AT89S52處于復位狀態，不執行任何指令，直到電源電壓恢復正常，因此可有效防止因電源電壓較低時AT89S52產生錯誤的動作。

2.攝像頭部分

圖1 主控制部分硬件框圖

攝像頭部分負責完成移動圖像監控終端的視頻采集壓縮功能，攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感器以及壓縮芯片構成。圖像壓縮芯片通過編碼去除圖像信息中的冗余信息以及圖像中包含的人眼不敏感的高頻信息，從而減少傳遞及存儲的數據量。而在實時監控系統中由于實時性強，所以采用的都是專用壓縮芯片。

2.1 攝像頭簡介

攝像頭(CAMERA)又稱為電腦相機、電腦眼等，它作為一種視頻輸入設備，在過去被廣泛的運用于視頻會議、遠程醫療及實時監控等方面。近年以來，隨著互聯網技術的發展，網絡速度的不斷提高，再加上感光成像器件技術的成熟并大量用于攝像頭的制造上，這使得它的價格降到普通人可以承受的水平。

2.2 攝像頭的分類

攝像頭分為數字攝像頭和模擬攝像頭兩大類。模擬攝像頭可以將視頻采集設備產生的模擬視頻信號轉換成數字信號，進而將其儲存在計算機里。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號必須經過特定的視頻捕捉卡將模擬信號轉換成數字模式，并加以壓縮后才可以轉換到計算機上運用。

2.3 攝像頭的工作原理

攝像頭的工作原理大致為：景物通過鏡頭(LENS)生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉為電信號，經過A/D(模數轉換)轉換后變為數字圖像信號，再送到數字信號處理芯片(DSP)中加工處理，再通過USB接口傳輸到電腦中處理，通過顯示器就可以看到圖像了。

2.4 攝像頭的主要結構和組件

從攝像頭的工作原理就可以列出攝像頭的主要結構和組件：

(1)主控芯片(DSP)

USB1.1的攝像頭中，中星微(VIMICRO)301Plus主控芯片，是目前攝像頭中最好的核心IC之一。

在DSP的選擇上，是根據攝像頭成本、市場接受程度來進行確定。現在DSP廠商在設計、生產DSP的技術已經逐漸成熟，在各項技術指標上相差不是很大，只是有些DSP在細微的環節及驅動程序要進行進一步改進。

(2)感光芯片(SENSOR)

是組成數碼攝像頭的重要組成部分，根據元件不同分為：

CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)應用在攝影攝像方面的高端技術元件。

CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體元件)應用于較低影像品質的產品中。

目前CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜選擇元件尺寸較大的為好。

CCD的優點是靈敏度高，噪音小，信噪比大。但是生產工藝復雜、成本高、功耗高。

CMOS的優點是集成度高、功耗低(不到CCD的1/3)、成本低。但是噪音比較大、靈敏度較低、對光源要求高。在相同像素下CCD的成像往往通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準確。而CMOS的產品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好。

所以我們在使用攝像頭，尤其是采用CMOS芯片的產品時就更應該注重技巧：

首先不要在逆光環境下使用(這點CCD同)，尤其不要直接指向太陽，否則“放大鏡燒螞蟻”的慘劇就會發生在您的攝像頭上。其次環境光線不要太弱，否則直接影響成像質量?？朔@種困難有兩種辦法，一是加強周圍亮度，二是選擇要求最小照明度小的產品，現在有些攝像頭已經可以達到5lux。最后要注意的是合理使用鏡頭變焦，不要小瞧這點，通過正確的調整，攝像頭也同樣可以擁有拍攝芯片的功能。在采用CMOS為感光元器件的產品中，通過采用影像光源自動增益補強技術，自動亮度、白平衡控制技術，色飽和度、對比度、邊緣增強以及伽馬矯正等先進的影像控制技術，完全可以達到與CCD攝像頭相媲美的效果。

(3)鏡頭

五層“全?！?，也算目前頂級的攝像頭鏡頭了。鏡頭的組成是透鏡結構，由幾片透鏡組成，一般有塑膠透鏡(plastic)或玻璃透鏡(glass)。通常攝像頭用的鏡頭構造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等。透鏡越多，成本越高；玻璃透鏡比塑膠貴。因此一個品質好的攝像頭應該是采用玻璃鏡頭，成像效果就相對塑膠鏡頭會好?，F在市場上的大多攝像頭產品為了降低成本，一般會采用塑膠鏡頭或半塑膠半玻璃鏡頭(即：1P、2P、1G1P、1G2P等)。

(4)電源

攝像頭內部需要兩種工作電壓：3.3V和2.5V，因此好的攝像頭內部電源也是保證攝像頭穩定工作的一個因素。

2.5 攝像頭的一些技術指標

(1)圖像解析度/分辨率(Resolution)：圖像的解析度、分辨率有SXGA(1280x1024)又稱130萬像素、XGA(1024x768)又稱80萬像素、SVGA(800x600)又稱50萬像素、VGA(640x480)又稱30萬像素(35萬是指648X488)、CIF(352x288)又稱10萬像素、SIF/QVGA(320x240)、QCIF(176x144)、QSIF/QQVGA(160x120)。

(2)圖像格式(imageFormat/Colorspace)：RGB24，420是目前最常用的兩種圖像格式。RGB24：表示R、G、B三種顏色各8bit，最多可表現256級濃淡，從而可以再現256*256*256種顏色。I420：YUV格式之一。其它格式有：RGB565，RGB444，YUV4:2:2等。

(3)自動白平衡調整(AWB)：定義：要求在不同色溫環境下，照白色的物體，屏幕中的圖像應也是白色的。色溫表示光譜成份，光的顏色。色溫低表示長波光成分多。當色溫改變時，光源中三基色(紅、綠、藍)的比例會發生變化，需要調節三基色的比例來達到彩色的平衡，這就是白平衡調節的實際。

(4)圖像壓縮方式：JPEG：(jointphotographicexpertgroup)靜態圖像壓縮方式。一種有損圖像的壓縮方式。壓縮比越大，圖像質量也就越差。當圖像精度要求不高存儲空間有限時，可以選擇這種格式。目前大部分數碼相機都使用JPEG格式。

(5)彩色深度(色彩位數)：反映對色彩的識別能力和成像的色彩表現能力，實際就是A/D轉換器的量化精度，是指將信號分成多少個等級。常用色彩位數(bit)表示。彩色深度越高，獲得的影像色彩就越艷麗動人?，F在市場上的攝像頭均已達到24位，有的甚至是32位

(6)圖像噪音：指的是圖像中的雜點干撓。表現為圖像中有固定的彩色雜點。

(7)視角：與人的眼睛成像是相成原理，簡單說就是成像范圍。

(8)輸出/輸入接口

串行接口(RS232/422)：傳輸速率慢，為115kbit/s

并行接口(PP)：速率可以達到1Mbit/s

紅外接口(IrDA)：速率也是115kbit/s，一般筆記本電腦有此接口

通用串行總線USB：即插即用的接口標準，支持熱插拔。USB1.1速率可達12Mbit/s，USB2.0可達480Mbit/s