礦用攝像機嵌入式CAN總線(xiàn)遠程控制技術(shù)

攝像機在煤礦監控系統中使用廣泛，尤其對一些重要場(chǎng)所更需要在集控室遠程操控攝像機實(shí)現移動(dòng)、調焦等功能。對攝像機的控制使用RS一485總線(xiàn)的較多，文獻[1]以AT89C52單片機為控制器設計了構建于RS.485總線(xiàn)基礎上的礦用攝像機工作臺控制系統。在現場(chǎng)使用這種方法進(jìn)行控制的過(guò)程中，筆者發(fā)現：當控制距離較遠(超出1 km)以及掛接控制器較 (在某礦發(fā)電廠(chǎng)實(shí)測大于36臺)時(shí)會(huì )出現部分攝像機失控、誤動(dòng)現象，其中頻繁地誤動(dòng)還會(huì )導致工作臺的故障，給工作帶來(lái)不便。為解決以上問(wèn)題，本文以嵌入式處理器LPC2129為主控芯片設計了礦用攝像機控制器，并通過(guò)CAN(contoller area network)總線(xiàn)實(shí)現了遠程控制。CAN總線(xiàn)屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的一種，它具有可靠性 高、通信距離遠、連線(xiàn)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。

CAN采用非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù)，從而大大節省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò )負載很重的情況下，也不會(huì )出 現網(wǎng)絡(luò )癱瘓情況(以太網(wǎng)則可能)。CAN的通信距離最遠可達10 km(速率5 kbit/s以下時(shí)) ，因此煤礦 遠程控制很適合采用CAN總線(xiàn)。另外CAN總線(xiàn)可以使用雙絞線(xiàn)作為通信介質(zhì)，這使得原有RS-485網(wǎng)絡(luò ) 的控制系統不用重新布線(xiàn)就可以升級為CAN總線(xiàn)控制系統，可大大節約成本。

當前嵌入式系統技術(shù)成熟、應用廣泛。這主要得益于它的處理器將通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)精簡(jiǎn)到芯片內部，在保證特定功能的前提下使系統設計趨于小型化，便于系統集成。LPC2129是飛利浦公司生產(chǎn)的基于16/32位ARM7TDMI—S內核的嵌入式處理器。其內部具有256 KB的Flash、16 KB的 RAM、2路CAN控制器。其他外圍接口也很豐富，這樣無(wú)需外擴存儲器就可以移植實(shí)時(shí)操作系統。因此，本文選用LPC2129作為主控芯片，另外使用嵌入式系統所設計的控制器尺寸小，從而使其可方便地嵌入到防爆工作臺。

1 控制系統工作原理

控制系統如圖1所示，監控上位機通過(guò)RS-232串口與1/S.232-CAN轉接器相連，轉接器與控制器構成CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，控制器直接控制攝像機和工作臺。系統控制原理如下：上位機通過(guò)鼠標及鍵盤(pán)接收特定攝像機控制動(dòng)作命令，通過(guò)軟件轉換為攝像機控制器地址及控制命令，然后打包為控制字，再通過(guò)串口發(fā)送給轉接器。轉接器按協(xié)議將控制字轉換為CAN總線(xiàn)幀格式并將幀發(fā)送到總線(xiàn)上。地址相符的控制器接收該幀數據，根據控制命令產(chǎn)生控制信號，控制攝像機及工作臺完成相關(guān)動(dòng)作。

圖1 控制系統

2 控制系統電路設計

控制系統的電路設計按功能分為3個(gè)部分：控制器電路、CAN總線(xiàn)電路、轉接器電路。

2.1 控制器電路

考慮到本系統的被控對象是攝像機和工作臺，而攝像機選用索尼FCB系列的攝像模塊，該模塊支持RS-232串M通信，所以控制器電路設計如圖2上部所示。圖中利用LPC2129的串口0(P0.0、P0.1)經(jīng)電平轉換芯片ST3232構成控制器串口，外接攝像機模塊，完成對攝像機的控制。由于本設計沒(méi)有采用傳統的撥碼開(kāi)關(guān)設定控制器地址，地址的設定要通過(guò)上位機來(lái)完成，因此通過(guò)LPC2129的串口1(P0.8、P0.9)完成與上位機的通信，實(shí)現地址的寫(xiě)入。對工作臺的控制實(shí)際上是控制工作臺的兩個(gè)驅動(dòng)電機，使用LPC2129的PWM接口P0.7、P0.21以及通用I/O接口P1.17、P1.19經(jīng)光電隔離后進(jìn)行驅動(dòng)，控制電機的轉動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺的轉動(dòng)。

圖2 電路原理圖

2.2 CAN總線(xiàn)電路

LPC2129內部集成了CAN控制器，使用它無(wú)需外接單獨的CAN芯片就可以方便地構成CAN總線(xiàn)。電路如圖2下部所示，由LPC2129的CAN引腳P0.23、P0.24外掛收發(fā)器模塊CTM8250接入CAN總線(xiàn)系統。CTM8250是周立功公司生產(chǎn)的一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，該芯片內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件，芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線(xiàn)的差分電平并且具有DC 2500 V的隔離功能。此處使用該模塊是為了保證在煤礦現場(chǎng)總線(xiàn)工作的穩定性和可靠性。與RS-485總線(xiàn)類(lèi)似，在總線(xiàn)的最遠端要串接120Ω電阻R20a為防止掉電后控制器CAN地址丟失，系統外擴了一片I2C總線(xiàn)的非易失性存儲器24C04，I2C總線(xiàn)上的電阻R4、R5的作用是進(jìn)行電位上拉。

2.3 轉接器電路

轉接器的作用是連接上位機與CAN總線(xiàn)。由圖2可以看出，只需將對攝像機和工作臺的控制部分去掉就可以完成此功能。為簡(jiǎn)化沒(méi)計，本文沒(méi)有使用其他處理器，轉接器仍然利用LPC2129的串口1完成與上位機的通信，并通過(guò)CAN引腳外掛收發(fā)器模塊CTM8250完成CAN總線(xiàn)通信。在轉接器里也外擴了24C04，主要用于存儲控制器的地址映射表。

3 控制協(xié)議

控制系統中上位機要首先與轉接器通信，傳送控制命令，這部分需要一個(gè)串口通信協(xié)議。通信時(shí)采用兩次握手的方法，地址使用邏輯地址(詳見(jiàn)控制器地址配置部分)，數據的格式直接采用后面的CAN數據格式，在數據之后加一個(gè)字節的校驗和作為通信校驗。鑒于串口通信的文獻較多，此處不再贅述。

由于轉接器里的控制命令要通過(guò)CAN總線(xiàn)遠距離傳輸，而CAN V2.0B規范只規定了底層協(xié)議標準，并沒(méi)有對高層協(xié)議做統一規定，因此高層的控制協(xié)議需要單獨開(kāi)發(fā)。CAN的報文由4個(gè)不同的幀類(lèi)型表示和控制，即數據幀、遠程幀、錯誤幀、過(guò)載幀。鑒于攝像機控制系統中控制命令不多，故本文采用數據幀的標準格式發(fā)送控制命令，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以減少網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據量，提高控制系統響應的實(shí)時(shí)性。協(xié)議具體設置如圖3所示，數據幀包括幀起始、仲裁域、控制域、數據域、CRC域、應答域以及幀結束共7個(gè)部分。其中幀起始、CRC域、應答域、幀結束4個(gè)部分在文獻[5]中已經(jīng)詳細規定，此處從略。

圖3 CAN控制數據報文幀格式圖