動(dòng)力試驗車(chē)圖像無(wú)線(xiàn)傳輸控制系統的開(kāi)發(fā)應用

0 引 言

長(cháng)期以來(lái)，我國鐵路各大機務(wù)段對電力機車(chē)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)實(shí)驗時(shí)，一般是將被測試機車(chē)上的視頻信號以及狀態(tài)信號通過(guò)有線(xiàn)電纜傳輸到動(dòng)力試驗車(chē)上?？紤]到機車(chē)現場(chǎng)環(huán)境的特殊性，有線(xiàn)電纜傳輸方式使用不便且易損壞，本系統就是針對這種情況而開(kāi)發(fā)的，采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)現系統所需功能，其使用方便、性能可靠，在很大程度上提高了牽引實(shí)驗的工作效率。

1 系統總體結構

該系統通過(guò)無(wú)線(xiàn)圖像音頻傳輸模塊將機車(chē)司機室攝像機拍攝的圖像信息傳送到試驗車(chē)端顯示器，以及實(shí)現兩端語(yǔ)音傳輸。通過(guò)開(kāi)關(guān)量采集模塊采集試驗車(chē)端云臺控制器發(fā)出的控制指令，采用點(diǎn)對點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信方式，將采集來(lái)的數據按GFSK調制方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊調制成微波信號發(fā)送；接收端無(wú)線(xiàn)數傳模塊接收到數據后，由開(kāi)關(guān)量接收與驅動(dòng)模塊給出攝像機與云臺控制指令，以對司機室攝像機和云臺進(jìn)行遠程無(wú)線(xiàn)操作，讓試驗車(chē)上工作人員觀(guān)察到機車(chē)司機室和機車(chē)前方路況的清晰圖像。

硬件系統由無(wú)線(xiàn)圖像音頻傳輸系統、攝像頭與云臺無(wú)線(xiàn)控制系統組成，包括無(wú)線(xiàn)圖像音頻發(fā)射模塊、無(wú)線(xiàn)圖像音頻接收模塊、云臺控制器無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、云臺控制器無(wú)線(xiàn)接收與驅動(dòng)模塊、攝像機與云臺、顯示器以及相關(guān)電源模塊，如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

2.1 無(wú)線(xiàn)圖像音頻傳輸系統

采用2.4 GHz無(wú)線(xiàn)圖像音頻傳送器，該傳送器利用微波無(wú)線(xiàn)電傳輸技術(shù)，可靠傳輸距離可達1 000 m。具有良好的微波抗干擾性能，載波頻率達2.4 GHz，有效地避免了900 MHz等頻段擁擠不堪的無(wú)線(xiàn)電話(huà)信號和其他電磁干擾信號，也避免了本系統對其他無(wú)線(xiàn)通信設備的干擾。同時(shí)具有優(yōu)良的視／音頻接收品質(zhì)，采用性能優(yōu)越的調頻方式，具有寬頻特性，且信噪比高。

2.2 攝像機與顯示器

采用具有22X光學(xué)變焦鏡頭和數碼變焦IC，以及多達220X的變焦監視能力。具有低光監視、白平衡、背光補償以及自動(dòng)聚焦等功能，可拍攝到高清晰遠距離的視頻圖像，滿(mǎn)足機車(chē)現場(chǎng)環(huán)境的需要。顯示器采用普通彩色電視機。

2.3 攝像頭與云臺無(wú)線(xiàn)控制系統

2.3.1 開(kāi)關(guān)量采集模塊

由位于試驗車(chē)的云臺控制器產(chǎn)生11路開(kāi)關(guān)量控制信號，分別為：攝像機變焦小、變焦大，聚焦近、聚焦遠，光圈開(kāi)、光圈關(guān)，云臺上、下、左、右，自動(dòng)掃描。微處理器采用ATMEL公司的AT89C52，AT89C52與MCS-51系列單片機完全兼容，采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，耗電量低。內部含有8KB Flash存貯器，可以方便地利用編程器對其進(jìn)行編程和擦除操作。

AT89C52的資源分配為：P0口采集攝像機控制信號，P1口用于看門(mén)狗電路和指示燈控制，P2口采集云臺控制信號。串口TXD和RXD通過(guò)MAX485芯片與無(wú)線(xiàn)數傳模塊相連。P0口和P2口分別通過(guò)2個(gè)9腳1 kΩ排電阻將其電平可靠上拉。系統時(shí)鐘頻率為11.059 2 MHz。按鍵按下時(shí)低電平“0”有效，無(wú)按鍵按下時(shí)P0口和P2口的狀態(tài)都為"0xFF”，如圖2所示。

2.3.2 開(kāi)關(guān)量接收與驅動(dòng)模塊

本模塊微處理器同樣采用AT89C52，通過(guò)AT89C52的串口接收無(wú)線(xiàn)數傳模塊發(fā)來(lái)的控制指令數據，將其解碼后輸出到P0口和P2口，再通過(guò)74LS04反向輸出到繼電器驅動(dòng)芯片ULN2803，ULN2803將數據再反向后輸出到DC5V繼電器線(xiàn)圈，如圖3所示。圖3中只畫(huà)出前4路信號，D10到D13為AT89C52輸出數據，通過(guò)DO0到DO3控制繼電器線(xiàn)圈得失電，以接通或關(guān)斷AC24V云臺控制電源和DC±5 V攝像機控制電源。將ULN2803的輸入輸出腳兩兩并聯(lián)起來(lái)，以提高負載驅動(dòng)能力。

為防止攝像機與云臺的控制電機同時(shí)施加反向電壓而造成電機損壞的事故，對于相關(guān)繼電器進(jìn)行了互鎖處理。

2.4 無(wú)線(xiàn)通信模塊

采用STR-15低功率無(wú)線(xiàn)數傳模塊，最大發(fā)射功率為500 mW，載波頻率433 MHz，基于GFSK調制方式。采用高效前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高數據抗突發(fā)干擾和隨機干擾能力，在信道誤碼率為10-3時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率10-5～10-6。提供透明的數據接口，能適應任何標準或非標準的用戶(hù)協(xié)議。提供2個(gè)串口、3種接口方式，COM1為T(mén)TL電平UART接口，COM2由用戶(hù)自定義為標準RS232／RS485口。STR-15的結構組成原理如圖4所示。

STR-15可靠傳輸距離達200 m，完全滿(mǎn)足試驗車(chē)與機車(chē)之間的距離要求。

2.5 系統抗干擾設計

電力機車(chē)上各種電磁干擾十分嚴重，必須著(zhù)重考慮系統的抗干擾性能。

2.5.1 看門(mén)狗電路的設計

采用Xicor公司X25045芯片，它將EEPROM、看門(mén)狗定時(shí)器、電壓監控3種功能組合在單個(gè)芯片內，簡(jiǎn)化了硬件設計，提高了系統的可靠性。當系統受到干擾，程序“跑飛”時(shí)，看門(mén)狗定時(shí)器在預置時(shí)間內沒(méi)有總線(xiàn)活動(dòng)，則X25045從RESET輸出一個(gè)高電平信號，使AT89C52復位?？撮T(mén)狗電路原理圖如圖5所示。

2.5.2 無(wú)線(xiàn)通信可靠性設計

RS485是一種平衡差分驅動(dòng)，半雙工的串行通信接口標準，具有傳輸距離遠、抗干擾性強等優(yōu)點(diǎn)。系統中配置了MAX485進(jìn)行TTL電平和RS485電平的轉換，使AT89C52與STR-15之間進(jìn)行可靠的通信?？紤]到車(chē)內環(huán)境的復雜性，采用阻抗匹配的外置天線(xiàn)，將其安裝在車(chē)廂外，確保無(wú)線(xiàn)傳輸的可靠有效。

3 系統軟件設計

采用查詢(xún)式算法，采集發(fā)送程序和接收驅動(dòng)程序都是循環(huán)執行的?？刂浦噶顢祿袷饺绫?所示，將鏡頭控制數據，云臺控制數據以及校驗和3個(gè)字節作為1幀數據進(jìn)行發(fā)送。

AT89C52串口波特率初始化為19 200 bps，與STR-15波特率相匹配，選用較快的波特率可以保證操縱鏡頭和云臺動(dòng)作的時(shí)效性，操作時(shí)不會(huì )產(chǎn)生較明顯的延遲感。系統程序流程圖如圖6所示。程序中包括了對開(kāi)關(guān)量的消抖處理、通信握手、數據校驗等環(huán)節。

4 結 論

本文從硬件和軟件2個(gè)方面對該系統進(jìn)行了介紹，對于系統的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了詳細論述。由于采用了切實(shí)有效的抗干擾措施，在該系統投入成都鐵路局現場(chǎng)運行之后，未發(fā)現異?，F象，系統運行狀況良好。該系統也具有一定的推廣性，可用于其他無(wú)線(xiàn)監控場(chǎng)合，如銀行、社區監控等。