基于无线通信平台监控系统主控和摄像头硬件设计简介

2012-05-18山东省广播电影电视局蒙山转播台张俊秀

电子世界 2012年22期

山东省广播电影电视局蒙山转播台张俊秀

1.主控部分

主控部分的硬件框图如图1所示。

由以下几部分组成：单片机及辅助电路，采用AT89S52单片机外接22.1184M的晶体震荡器；地址锁存器，采用一74HC573；随机存储器，采用的存储器是61C1024；可擦写存储器，采用的是AT24C02；看门狗电路，采用的是一片MAX813，四总线三态门电路，采用的是两片74HC125。设计时充分考虑了系统的稳定性设计，由于终端在运行中，会受到干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象，导致系统无法正常工作。为了克服这一现象，我们在硬件使用了看门狗。此外为了保证终端工作的可靠性以及与AT89C52兼容，除了充分利用AT89S52本身的看门狗定时器外，我们还外加了看门狗电MAX813。MAX813的主要特点如下：系统上电、掉电以及供电电压降低时，第7脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms，高电平有效，复位门限为4.65V；如果在1.6s内没有触发该电路（即第6路无脉冲输入），则第8脚输出一个低电平信号，即看门狗电路输出信号；手动复位输入，低电平有效，即第1脚输入一个低电平，则第7脚产生复位输出；具有1.25V门限值检测器，第4脚为输入，第5脚为输出；在使用时，将第1脚与第8脚相连，第7脚接AT89S52的复位脚，第6脚与AT89S52的一个I/O引脚相连，在终端运行过程中，此I/O引脚不断输出脉冲信号。如果因某种原因AT89S52进入死循环，则无脉冲输出。于是1.6秒后在MAX813的第8脚输出低电平，该低电平加到第1脚，使MAX813产生复位输出，使AT89S52有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于门限值4.65V时，MAX813也产生复位输出，AT89S52处于复位状态，不执行任何指令，直到电源电压恢复正常，因此可有效防止因电源电压较低时AT89S52产生错误的动作。

2.摄像头部分

图1 主控制部分硬件框图

摄像头部分负责完成移动图像监控终端的视频采集压缩功能，摄像头主要由镜头、图像传感器以及压缩芯片构成。图像压缩芯片通过编码去除图像信息中的冗余信息以及图像中包含的人眼不敏感的高频信息，从而减少传递及存储的数据量。而在实时监控系统中由于实时性强，所以采用的都是专用压缩芯片。

2.1 摄像头简介

摄像头(CAMERA)又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输入设备，在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。近年以来，随着互联网技术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头的制造上，这使得它的价格降到普通人可以承受的水平。

2.2 摄像头的分类

摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。模拟摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。

2.3 摄像头的工作原理

摄像头的工作原理大致为：景物通过镜头(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D(模数转换)转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片(DSP)中加工处理，再通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像了。

2.4 摄像头的主要结构和组件

从摄像头的工作原理就可以列出摄像头的主要结构和组件：

(1)主控芯片(DSP)

USB1.1的摄像头中，中星微(VIMICRO)301Plus主控芯片，是目前摄像头中最好的核心IC之一。

在DSP的选择上，是根据摄像头成本、市场接受程度来进行确定。现在DSP厂商在设计、生产DSP的技术已经逐渐成熟，在各项技术指标上相差不是很大，只是有些DSP在细微的环节及驱动程序要进行进一步改进。

(2)感光芯片(SENSOR)

是组成数码摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为：

CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)应用在摄影摄像方面的高端技术元件。

CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件)应用于较低影像品质的产品中。

目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。

CCD的优点是灵敏度高，噪音小，信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。

CMOS的优点是集成度高、功耗低(不到CCD的1/3)、成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。在相同像素下CCD的成像往往通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好。

所以我们在使用摄像头，尤其是采用CMOS芯片的产品时就更应该注重技巧：

首先不要在逆光环境下使用(这点CCD同)，尤其不要直接指向太阳，否则“放大镜烧蚂蚁”的惨剧就会发生在您的摄像头上。其次环境光线不要太弱，否则直接影响成像质量。克服这种困难有两种办法，一是加强周围亮度，二是选择要求最小照明度小的产品，现在有些摄像头已经可以达到5lux。最后要注意的是合理使用镜头变焦，不要小瞧这点，通过正确的调整，摄像头也同样可以拥有拍摄芯片的功能。在采用CMOS为感光元器件的产品中，通过采用影像光源自动增益补强技术，自动亮度、白平衡控制技术，色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术，完全可以达到与CCD摄像头相媲美的效果。

(3)镜头

五层“全玻”，也算目前顶级的摄像头镜头了。镜头的组成是透镜结构，由几片透镜组成，一般有塑胶透镜(plastic)或玻璃透镜(glass)。通常摄像头用的镜头构造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等。透镜越多，成本越高；玻璃透镜比塑胶贵。因此一个品质好的摄像头应该是采用玻璃镜头，成像效果就相对塑胶镜头会好。现在市场上的大多摄像头产品为了降低成本，一般会采用塑胶镜头或半塑胶半玻璃镜头(即：1P、2P、1G1P、1G2P等)。

(4)电源

摄像头内部需要两种工作电压：3.3V和2.5V，因此好的摄像头内部电源也是保证摄像头稳定工作的一个因素。

2.5 摄像头的一些技术指标

(1)图像解析度/分辨率(Resolution)：图像的解析度、分辨率有SXGA(1280x1024)又称130万像素、XGA(1024x768)又称80万像素、SVGA(800x600)又称50万像素、VGA(640x480)又称30万像素(35万是指648X488)、CIF(352x288)又称10万像素、SIF/QVGA(320x240)、QCIF(176x144)、QSIF/QQVGA(160x120)。

(2)图像格式(imageFormat/Colorspace)：RGB24，420是目前最常用的两种图像格式。RGB24：表示R、G、B三种颜色各8bit，最多可表现256级浓淡，从而可以再现256*256*256种颜色。I420：YUV格式之一。其它格式有：RGB565，RGB444，YUV4:2:2等。

(3)自动白平衡调整(AWB)：定义：要求在不同色温环境下，照白色的物体，屏幕中的图像应也是白色的。色温表示光谱成份，光的颜色。色温低表示长波光成分多。当色温改变时，光源中三基色(红、绿、蓝)的比例会发生变化，需要调节三基色的比例来达到彩色的平衡，这就是白平衡调节的实际。

(4)图像压缩方式：JPEG：(jointphotographicexpertgroup)静态图像压缩方式。一种有损图像的压缩方式。压缩比越大，图像质量也就越差。当图像精度要求不高存储空间有限时，可以选择这种格式。目前大部分数码相机都使用JPEG格式。

(5)彩色深度(色彩位数)：反映对色彩的识别能力和成像的色彩表现能力，实际就是A/D转换器的量化精度，是指将信号分成多少个等级。常用色彩位数(bit)表示。彩色深度越高，获得的影像色彩就越艳丽动人。现在市场上的摄像头均已达到24位，有的甚至是32位

(6)图像噪音：指的是图像中的杂点干挠。表现为图像中有固定的彩色杂点。

(7)视角：与人的眼睛成像是相成原理，简单说就是成像范围。

(8)输出/输入接口

串行接口(RS232/422)：传输速率慢，为115kbit/s

并行接口(PP)：速率可以达到1Mbit/s

红外接口(IrDA)：速率也是115kbit/s，一般笔记本电脑有此接口

通用串行总线USB：即插即用的接口标准，支持热插拔。USB1.1速率可达12Mbit/s，USB2.0可达480Mbit/s