礦用本安型高清攝像儀設計與實現

天地（常州）自動化股份有限公司 樊 山

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礦用本安型高清攝像儀設計與實現

天地（常州）自動化股份有限公司 樊 山

【摘要】針對煤礦井下對本安型高清攝像儀的需求，以及現場使用網絡標清及模擬攝像儀存在的不足，本文提出一種基于RAM9的礦用本安型高清攝像儀的硬件設計，具體從系統架構、器件選型、電路設計以及硬件實現為切入點，完成一款礦用本安型高清攝像儀的設計。

【關鍵詞】煤礦；本安型；以太網；高清；視頻監控

1 引言

煤礦井下環境復雜，危險性較大，安全生產十分重視視頻監控系統建設，最近幾年發展較為迅速，目前，圖像識別技術已在下井人員唯一性檢測、煤炭產量檢測、防作弊等方面應用。隨著圖像識別技術快速發展，還將在煤倉煤位監測、水倉水位監測、煤巖識別、帶式輸送機監測等方面獲得越來越廣泛的應用[1]。但煤礦現場還主要以模擬攝像儀和網絡標清攝像儀為主，已經遠不能滿足煤礦現場由“看得見的需求”轉型為“看的清的需求”。

2 煤礦視頻監控現狀分析

煤礦井下采、掘工作面地質條件復雜，環境惡劣，自然災害多，嚴重影響煤礦生產和人身安全，通過工業視頻監控系統，直觀形象地將井下實時畫面傳輸到地面，為礦井生產自動化提供有力的保障，也為礦井安全生產、調度指揮、科學決策提供不可缺少的依據[2]。因此工業視頻監控系統作為綜合自動化系統的重要組成部分，已經越來越受到礦井的重視和廣泛推廣，煤礦的高清視頻發展也刻不容緩。

目前井下視頻監控系統的視頻采集前端還主要以模擬和網絡標清攝像儀為主，雖然它們在煤礦安全生產中發揮了巨大作用，但是它們明顯存在以下弊端：

（1）模擬信號主要通過同軸線傳輸，距離受限，布線復雜；

（2）由于模擬視頻信號為高頻信號，傳輸易受干擾，監控圖像不佳；

（3）模擬視頻監控系統較為封閉，靈活性較差，擴展困難；

（4）目前井下用的網絡標清攝像儀雖實現網絡傳輸，但壓縮率和圖像分辨率較低，不具備井下環境接入功能[3]。

針對目前煤礦視頻采集的技術現狀及存在問題，本文研究一種既符合本質安全型要求，又具有視頻監控、井下環境參數接入、以太網傳輸等多功能礦用本安型高清攝像儀。

3 系統架構設計

3.1 系統硬件總體設計

目前安防芯片市場由安霸、TI、海思主導，各自都有自己豐富的產品線，也能滿足不同的需求，我們經過前期深入調研及研究不同廠家的方案特點，結合本身實際需求，從性能、開發周期、價格等綜合考慮，本項目最終選擇TI的TMS320DM368作為該產品的主控芯片。

圖1　系統硬件總體設計

圖2　系統軟件總體設計

基于TMS320DM368設計的硬件架構框圖如圖1所示，從圖中可以看出該攝像儀的設計主要包括五部分：DM368核心模塊、以太網接口模塊、圖像傳感器采集模塊、485接口模塊、本質安全電路模塊。DM368核心模塊為處理器單元，是整個系統運行的中心；以太網接口模塊完成井下信息參數傳輸；圖像傳感器模塊用于視頻信號的前端采集；485接口模塊主要完成現場控制、參數等信號接入；本質安全電路實現各個模塊供電。

3.2 系統軟件總體設計

由于本系統采用TMS320DM368作為該產品的主控芯片，該軟件系統是基于嵌入式 Linux 操作系統開發的，系統的軟件總體設計如圖2所示，由于該部分內容不是本人研究的重點，這里只做簡單介紹。

圖3　傳感器接口部分原理圖

圖4　網絡交換模塊原理圖

4 硬件電路設計與實現

4.1 圖像采集單元

圖像傳感器是圖像采集單元的核心器件，根據元件的不同可分為CCD和CMOS。CCD傳感器的特點是靈敏度高，但響應速度低，不適用于高清監控攝像儀采用的高分辨率逐行掃描方式，因此本方案選用CMOS傳感器。由于煤礦環境特殊，對低照度要求較高，我們綜合考慮其圖像質量、性能及價格等因素，選用鎂光公司的CMOS數字圖像傳感器MT9P031，感光面支持的最大像素分辨率為2592 * 1944。

該圖像傳感器接口較為簡單，在進行圖像采集之前，CPU可以通過串行接口配置傳感器。在完成相應的配置后，圖像傳感器就能在不需要CPU干預的情況下完成圖像的采集，通過數據線將視頻采集前端采集的視頻數據轉移到內部存儲器。接口部分原理如圖3所示。

圖5　TMS320DM368功能框圖

圖6　視頻處理單元核心模塊原理圖

4.2 視頻信號處理單元

TMS320DM368是TI公司推出的一款支持超高像素影像的數字媒體處理器，支持多種視頻格式，網絡帶寬要求和系統存儲容量均滿足數字攝像機的需求它支持的格式有：MPEG2、MPEG4、H.264等。DM368具有的多速率、多格式的高清視頻編解碼支持，同時保持了與傳統視頻編解碼器的高度共通性，很大程度上降低了設計的復雜性，更顯靈活，具體功能框圖如圖5所示。TMS320DM368集成了眾多的組件以及一系列外設電路，核心模塊的實現部分原理圖如圖6所示。

4.3 網絡接口單元設計

常用的PHY芯片有麥瑞半導體公司的KSZ8995XA、賽思公司的LAN9512。由于LAN9512的供電范圍較窄，典型值為2.5V，但是DM368的外圍供電為3.3V，它們電平不兼容。需通過電平轉換芯片來兼容DM368和LAN9512，增加硬件成本。因此本系統選擇麥瑞半導體公司生產的KSZ8995XA作為以太網的物理層接口芯片，KSZ8995XA的輸入電壓范圍為2.2V到3.6V，能很好的與DM368的MAC口進行電平匹配。此外，KSZ8995XA內置了電壓調節器和ESD保護組件，降低硬件成本，實現部分原理圖如圖4所示。

4.4 485模塊單元設計

485模塊單元是井下環境參數接入單元，通過該轉換模塊實現以太網傳輸，它由網絡接口單元、控制單元、電源單元組成。

圖7　485轉以太網模塊系統方框圖

該電路的控制單元選用STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器STC89LE52，該控制單元具有 8K可編程Flash存儲器，內部使用經典的MCS-51內核，在單芯片上，擁有8位CPU和在系統可編程Flash。該電路模塊負責把RS485串口電平信號，通過控制器轉換成網絡電平信號輸出，使之符合TCP/IP協議。

4.5 本安電源單元

礦用本質安全電路的整體框圖如圖8所示，輸入端通過本安電源DC18供電，在電源轉換模塊的輸入輸出端分別增加過流過壓保護，首先理論上滿足本質安全電路的設計要求，進而通過火花實驗驗證該電路的本質安全特性。

圖8　本安電源模塊整體框圖

該電路的設計過程中分別采用了兩種不同的保護機制，即雙重過壓保護、過流保護機制以確保電源電路的可靠性，符合本質安全電路的要求。

5 性能參數測試

經實驗驗證，攝像儀各項技術指標均達到設計要求，具體如表1所示。

表1　

6 結語

本文對礦用本安型高清攝像儀進行研究與設計，該攝像儀彌補了模擬攝像儀與網絡標清攝像儀的不足，為井下視頻監控的拓寬應用提供必要的技術基礎。目前有些煤礦已經引進智能視頻監控系統，實現遠程自動化控制，工作面無人值等，這些應用都對視頻清晰度提出更好的要求，該設備能更好地滿足自動化應用的需求，因而在煤礦的安全生產將有良好的應用前景。

參考文獻

[1]孫繼平,田子建.礦井圖像監視系統與關鍵技術[J].煤炭科學技術.Vol.42,No.01,2014.08:65～68.

[2]田慶軍,周曉娟.當前煤礦電氣設備安全管理存在的問題和對策[J].煤炭技術,2009,2:35-37.

[3]李文峰,徐精彩.礦用本安型全數字攝錄放一體機技術[J].煤炭科學技術.Vol.33,No.08,2005.08:23～24.