隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)和電視技術(shù)的發(fā)展，在許多場(chǎng)合，為了監(jiān)視和控制現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況，提出了電視監(jiān)控系統(tǒng)，用以實(shí)施集中控制，尤其是控制點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)，需要的監(jiān)視點(diǎn)比較多時(shí)，控制點(diǎn)和各個(gè)監(jiān)視點(diǎn)形成多微機(jī)系統(tǒng)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，CAN總線(xiàn)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)始登上舞臺(tái)。CAN總線(xiàn)的傳輸距離可以達(dá)到10km，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mbit/s，很好的解決了本電視監(jiān)控系統(tǒng)中的要求傳輸距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的問(wèn)題。同時(shí)，CAN總線(xiàn)在報(bào)文傳送中不包含目的地址，以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各接收站根據(jù)報(bào)文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識(shí)過(guò)濾報(bào)文。這種報(bào)文中不含目的地址的報(bào)文格式縮短了幀的長(zhǎng)度，減少了傳輸中地址匹配的麻煩，提高了傳輸速率。而這種全網(wǎng)廣播形式，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)站沒(méi)有主從之分，可以平等的向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，減輕了將作為主節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)，也避免了主從機(jī)之間的通信。這種多主式總線(xiàn)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了本電視監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、較高數(shù)據(jù)要求的系統(tǒng)功能。

1. 多通道多微機(jī)電視監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

如圖1所示，本系統(tǒng)設(shè)有64臺(tái)彩色攝像機(jī)，每臺(tái)攝像機(jī)配有可自動(dòng)調(diào)整的鏡頭和云臺(tái)，每個(gè)單元作為CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，64個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成被控單元。這64臺(tái)設(shè)備分布在室外、室內(nèi)、廣場(chǎng)、站臺(tái)等場(chǎng)所。其中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)以主控室為中心，通過(guò)CAN總線(xiàn)和64條視頻電纜與主控制室的上位機(jī)連接。

主控制室為系統(tǒng)控制中心，在CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)上位機(jī)的角色。本系統(tǒng)雖為多 主式控制系統(tǒng)，但需要一個(gè)總控制中來(lái)對(duì)各個(gè)子控制室進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理。主控制室主要由一個(gè)帶有CAN接口的上位機(jī)構(gòu)成，還有一個(gè)用彩色監(jiān)視器組成的電視屏幕墻，作為系統(tǒng)的總監(jiān)視。其余個(gè)控制臺(tái)設(shè)1太彩色監(jiān)視器作為輔助監(jiān)視。

本系統(tǒng)可連接4個(gè)獨(dú)立的控制臺(tái)終端，每個(gè)控制臺(tái)終端與彩色攝像機(jī)和云臺(tái)的角色一樣，構(gòu)成一個(gè)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。4個(gè)控制臺(tái)形成主控單元，但必須聽(tīng)從上位機(jī)主控室的協(xié)調(diào)。它是編程，設(shè)定攝像機(jī)控制的發(fā)令終端。4個(gè)控制臺(tái)分別設(shè)在各樓的主管部門(mén)，與主調(diào)度室最遠(yuǎn)可達(dá)1km。

2 通信電路設(shè)計(jì)原理

2.1 云臺(tái)、鏡頭控制器

云臺(tái)有上、下、左、右旋轉(zhuǎn)控制，是通過(guò)控制2臺(tái)電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，鏡頭有光圈大、小，焦距遠(yuǎn)、近，變倍大、小6個(gè)通電和斷點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制。此外，還有雨刷動(dòng)作控制。

如圖2所示，89C51作為CPU控制器，TXD和RXD兩條通訊線(xiàn)分別經(jīng)過(guò)光隔和CAN控制器連接，通過(guò)CAN總線(xiàn)收發(fā)器連接到CAN總 線(xiàn)上，完成與帶有CAN接口卡的上位機(jī)的連接電路，使用CAN總線(xiàn)協(xié)議。另外，2732是一個(gè)EPROM，存 放控制程序。P1口P3口作為11個(gè)開(kāi)關(guān)量。P1口除了作為8個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入輸出以外，還用2個(gè)74LS244實(shí)現(xiàn)8位撥碼開(kāi)關(guān)作為輸入64個(gè)控制器的硬件序號(hào)設(shè)定。

2.2控制臺(tái)電路設(shè)計(jì)

控制臺(tái)電路基本有以下三部分組成：

1. 鍵盤(pán)接口。采用行輸出列輸入程序?qū)崟r(shí)掃描方案。74LS373作為行輸出接口，74LS244作為列出入接口。按鍵分為三類(lèi)：0～9為數(shù)字鍵;一類(lèi)功能鍵，包括動(dòng)作、執(zhí)行、左移、右移、鎖定、循環(huán)、方式、讀出、時(shí)間等功能;另一類(lèi)就是攝象機(jī)動(dòng)作控制鍵，包括了上、下、左、右、光圈大、小，焦距遠(yuǎn)、近，變倍大、小，雨刷動(dòng)等。

2. LED數(shù)碼顯示接口。

3. 撥碼開(kāi)關(guān)接口。參考圖2。

4. 發(fā)光二極管顯示燈。作為運(yùn)行狀態(tài)指示。

5. CAN控制單元接口。這是一個(gè)與云臺(tái)、鏡頭控制電路中相同功能的接口。

2.3主控制室電路設(shè)計(jì)

從圖1可知，該系統(tǒng)所形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為分布式網(wǎng)絡(luò)。接口電路有兩種接口，視頻矩陣切換控制電路和多路控制的串行接口——-CAN總線(xiàn)。主控室的上位機(jī)通過(guò)CAN接口卡（以SJA1000為控制器）實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的連接。視頻矩陣切換控制電路主要是接收攝像機(jī)與云臺(tái)傳送過(guò)來(lái)的視頻圖像，并將視頻圖像輸出到各個(gè)子控制室。由于視頻信號(hào)要經(jīng)過(guò)CAN總線(xiàn)的數(shù)字通道傳輸，必須通過(guò)A/D、D/A轉(zhuǎn)換，這樣增加了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。所以，在進(jìn)行視頻信號(hào)的傳輸時(shí)，采用了專(zhuān)用模擬通道——-視頻電纜。為提高其工作效率，采用D S87C520單片機(jī)來(lái)控制DG884芯片進(jìn)行圖像信號(hào)切換。

1. CAN接口卡

這是一個(gè)位于上位機(jī)的接口卡，用來(lái)連接下位機(jī)的單片機(jī)與上位機(jī)的PC機(jī)。這個(gè)卡采用的控制器收發(fā)器均和云臺(tái)、鏡頭控制器電路以及控制器電路中的一樣，下面詳細(xì)的介紹這個(gè)接口的典型電路。

該接口電路主要微控制器89C52、PHILIPS公司的CAN控制器SJA1000 及收發(fā)器 PCA82C250組成。CAN 控制器功能像是一個(gè)時(shí)鐘源復(fù)位信號(hào)，由外部復(fù)位電路產(chǎn)生。SJA1000 的片選由微控制器的P2.7口控制。

PCA82C250與CAN總線(xiàn)接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)一個(gè)5歐姆的電阻與CAN總線(xiàn)相連電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過(guò)流的沖擊。CANL何CANH與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30P的小電容可以起到濾除總線(xiàn)上的高頻干擾和一定的放電磁輻射的能力。另外，在兩根CAN總線(xiàn)接入端與地之間分別反接了一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)CAN總線(xiàn)有較高的負(fù)電壓時(shí)通過(guò)二極管的短路起到一定的過(guò)壓保護(hù)作用。82C250的RS腳上接有一個(gè)斜率電阻，斜率電阻大小可根據(jù)通信速度適當(dāng)調(diào)整一般在16K-140K之間。

2. 視頻切換矩陣電路設(shè)計(jì)

主控制室中可接視頻64路，視頻輸出16通道，而每一個(gè)輸出通道均可接入64路中任一路輸入。將這個(gè)矩陣分為8塊標(biāo)準(zhǔn)的8入16出的切換板，只加一個(gè)8選1的板號(hào)即可，每塊板上有4片DG884電路，每片DG884的 視頻輸入信號(hào)IN1～I(xiàn)N8構(gòu)成8個(gè)視頻輸入信號(hào);每個(gè)DG884的視頻輸出信號(hào)OU1～OUT4各自獨(dú)立輸出，構(gòu)成每板16通道輸出。8塊輸入相連，則構(gòu)成了64路輸入16通道輸出的切換矩陣。

DG884是一個(gè)數(shù)碼型可選擇的8路輸入4路輸出單片矩陣開(kāi)關(guān)切換集成電路，其內(nèi)部功能如圖4。信號(hào)通道由矩陣?yán)锏腡形開(kāi)關(guān)和串聯(lián)于每個(gè)輸出的附加低阻值開(kāi)關(guān)組成。

DG884與DS87C520單片機(jī)接口的數(shù)字信號(hào)中，RESET用作電源復(fù)位，它把現(xiàn)存項(xiàng)目鎖定器的資料去除，并使所有輸出關(guān)斷。RESET只對(duì)現(xiàn)存項(xiàng)目地址鎖定器有效，而對(duì)存放在另一組設(shè)定資料的鎖存器是無(wú)效的。A2A1A0為8路選入地址，A3=1時(shí)為導(dǎo)通，A3=0時(shí)為關(guān)斷。B1B0為輸出通道選擇地址，WR為寫(xiě)信號(hào)，置低后再返回高，這一動(dòng)作重復(fù)3次，可將4個(gè)通道設(shè)定。但是，內(nèi)部邏輯禁止把兩個(gè)不同輸入連到同一個(gè)輸出地址上。當(dāng)存入4個(gè)輸入輸出通路的資料后，只要把SALVO變低后再返回高，現(xiàn)存項(xiàng)目鎖存器就把舊資料去除并載入了新的設(shè)定信息。

3.軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要集中在信息的傳遞上，以CAN2.0協(xié)議為基礎(chǔ)，自定義通信協(xié)議，采用模塊化設(shè)計(jì)。

3.1用戶(hù)協(xié)議

在動(dòng)作幀中，000是幀號(hào)，用來(lái)識(shí)別幀的類(lèi)型。根據(jù)驗(yàn)收濾波器中的內(nèi)容來(lái)選擇傳送幀的目的地。這利用了CAN2.0協(xié)議的 特點(diǎn)。動(dòng)作包括了對(duì)攝像機(jī)的動(dòng)作控制命令和對(duì)圖像切換的控制命令，根據(jù)前面的內(nèi)容而定。

切換幀中， 001為幀號(hào)。工作方式有四種：00為定點(diǎn);01為循環(huán);10為四畫(huà)面循環(huán)。

數(shù)據(jù)部分主要根據(jù)工作方式的不同，來(lái)確定所傳輸?shù)耐ǖ捞?hào)、定點(diǎn)路號(hào)、循環(huán)路號(hào)等等。

時(shí)間幀中，010為幀號(hào)。循環(huán)時(shí)間是指畫(huà)面的循環(huán)時(shí)間。

在CAN系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間發(fā)送和接收以四種不同類(lèi)型的幀出現(xiàn)和控制，其中：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳至接收器;遠(yuǎn)程幀由節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)志符的數(shù)據(jù)幀;出錯(cuò)幀可由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以檢測(cè)總線(xiàn)錯(cuò)誤，而超載幀用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的附加延時(shí)。另外，數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀以幀間空間隔同先前幀隔開(kāi)。

有了完整的底層和上層協(xié)議，就可以設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件部分。主要集中在信息傳送上，采用模塊化設(shè)計(jì)。以下具體描述信息傳遞的程序設(shè)計(jì)，其他的部分讀者可參閱參考文獻(xiàn)中的涉及論文。

3.2軟件框圖

1. 主程序模塊

主程序模塊如圖5所示，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度。

2. 初始化模塊

在這個(gè)模塊中主要是對(duì)系統(tǒng)的初始化，其中包括了CAN控制器SJA1000、DG884等的初始化。在這里詳細(xì)的介紹SJA1000的初始化程序流程。由于獨(dú)立的CAN控制器SJA1000有兩種不同的工作模式BasicCan 模式 和PeliCan模式。上電時(shí)BasicCan模式是默認(rèn)工作模式。PeliCan是新的工作模式，它能夠處理所有的CAN2.0定義的幀了類(lèi)型。還提供一些增強(qiáng)功能，本系統(tǒng)采用PeliCan模式。在進(jìn)行信息傳遞時(shí)，首先必須對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化，這對(duì)SJA1000是一項(xiàng)很重要的工作。分別對(duì)其模式寄存器、時(shí)鐘分頻寄存器、接收代碼寄存器、接收屏蔽寄存器、總線(xiàn)定時(shí)寄存器0、1、輸出控制寄存器、發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器、錯(cuò)誤代碼捕捉寄存器及中斷使能寄存器按照PeliCan的模式進(jìn)行初始化。接下來(lái)才能進(jìn)行信息的接收和發(fā)送。

3. 發(fā)送信息和接收信息模塊

根據(jù)CAN協(xié)議的約定，信息的發(fā)送和接收由SJA1000初始化完成。如圖6和圖7。

當(dāng)SJA1000初始化完成后，SJA1000進(jìn)入了工作模式。可以讀狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，判斷其中的發(fā)送完成狀態(tài)位、接收狀態(tài)位、發(fā)送緩沖器狀態(tài)位是否符合允許發(fā)送的前提條件。當(dāng)狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容完全符合發(fā)送數(shù)據(jù)的要求，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入到發(fā)送緩沖區(qū)，然后將命令寄存器中的“發(fā)送請(qǐng)求”標(biāo)志置位標(biāo)志控制。本系統(tǒng)中，采用中斷發(fā)送。

收到的信息放到接受緩沖器中。可以發(fā)送給主控制器的信息，有狀態(tài)寄存器地接受緩沖器狀態(tài)標(biāo)志“RBS”標(biāo)出和接收中斷標(biāo)志“RI”標(biāo)出。主控制器會(huì)將這條信息發(fā)送到本地的信息存儲(chǔ)器，然后釋放接受緩沖器并對(duì)信息進(jìn)行操作。接收過(guò)程采用查詢(xún)接受的方式。

4. 幀信息處理模塊

主要是從緩沖區(qū)中把各幀的信息存入。從用戶(hù)協(xié)議可知，幀有動(dòng)作幀、切換幀和時(shí)間幀三種類(lèi)型。所以，在這個(gè)模塊中，根據(jù)判斷接收到的是哪一種的幀來(lái)具體執(zhí)行相應(yīng)的內(nèi)容。

5. 圖象切換模塊

按通道順序逐個(gè)的切換。

4.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用CAN工業(yè)網(wǎng)真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)通訊，發(fā)揮了CAN總線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。CAN作為多主總線(xiàn)，傳輸速率可以達(dá)到1Mbps，這個(gè)速度很好的滿(mǎn)足了工業(yè)控制的需要，也提高了本系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)CAN的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不受限制，最多可以?huà)旖?10個(gè)節(jié)點(diǎn)，方便了大型工業(yè)控制網(wǎng)的組建，在傳輸距離上，最遠(yuǎn)可以傳輸10Km，達(dá)到了遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?實(shí)踐證明，CAN總線(xiàn)網(wǎng)通訊效率高，準(zhǔn)確度高，值得在工業(yè)控制系統(tǒng)中推廣。

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