0 引言

　　視頻圖像智能監(jiān)控[1]在安防領(lǐng)域越來越受到重視，在一些大范圍的公共場所(如停車場、寫字樓、學(xué)校等)。都設(shè)置了大量的圖像采集區(qū)，用于安全監(jiān)管，便于突發(fā)事件的報警。智能監(jiān)控一般利用相關(guān)圖像識別算法，提取圖像特征來判斷事件是否發(fā)生，不要求記錄整個事件的過程。所以，如果每個攝像機(jī)都實(shí)時傳輸畫面到終端，會大量使用傳輸線和接收設(shè)備，不但布線麻煩，而且成本很高。分時傳輸則可以用一臺計算機(jī)和一根電纜對多個對象輪詢進(jìn)行監(jiān)控管理，不但方便布線，而且大大降低了購買設(shè)備的成本。本文介紹一種實(shí)用的多路視頻信號分時遠(yuǎn)距離傳輸方法，并已經(jīng)應(yīng)用在某大型地下停車場，實(shí)現(xiàn)每個車位的視頻信號輪詢采集傳輸，用于識別每輛車的車牌信息。分時傳輸方案也可應(yīng)用于多傳感器共用一個采集通道，解決電路規(guī)模較大的問題。

1 系統(tǒng)整體組成

　　硬件系統(tǒng)由一臺計算機(jī)、若干攝像機(jī)、發(fā)射器、微控制器、電子開關(guān)、一個接收器和一個視頻采集卡組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示，攝像機(jī)輸出的單端逐行倒相(Phase Alteration Line，PAL)制式視頻信號經(jīng)差分雙絞線驅(qū)動器(發(fā)射器)轉(zhuǎn)換成差分信號，但信號由于被電子開關(guān)關(guān)斷，無法被傳輸。此時計算機(jī)通過485總線用微控制器控制每一個多輸入多輸出的電子開關(guān)，對差分信號分別進(jìn)行通斷，并在一條雙絞線上分時傳輸某一路的視頻信號，終端則由一個接收器把差分信號轉(zhuǎn)換回單端PAL視頻信號，之后送入視頻采集卡處理，計算機(jī)通過讀取采集卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，可獲取攝像機(jī)的畫面并進(jìn)行分析。其中，微控制器選用STC公司的STC15F2K61S2單片機(jī)，發(fā)射器和接收器分別選用Intersil公司的先進(jìn)、高速、低成本視頻差分放大器EL5171、EL5172芯片，電子開關(guān)選擇CMOS 4000系列的CD4066，選擇帶有BNC接口的攝像機(jī)。視頻采集卡選購市面通用型號即可，視頻采集卡的作用是將攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可識別的數(shù)字信號，輸入計算機(jī)后成為可編輯的數(shù)據(jù)文件。傳輸線可以選用屏蔽雙絞線(Shielded Twisted Pair，STP)。

2 硬件設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

　　2.1 視頻發(fā)射/接收電路設(shè)計

　　我國視頻信號制式一般是PAL制式或NTSC制式[2]，其幅度(Vp-p)一般是0.9～1.2 V，場掃描頻率為50 Hz，行掃描頻率為15 625 Hz，另外還包含亮度等高頻率細(xì)節(jié)信號，所以視頻信號的標(biāo)稱視頻帶寬為6 MHz。單端信號受傳輸距離增大或混入干擾的影響，會造成幅度衰減或信號變形，在遠(yuǎn)距離傳輸時會出現(xiàn)畫面不清晰甚至出現(xiàn)黑場的情況。所以，選擇EL5171用作單端信號轉(zhuǎn)換成平衡差分信號傳輸，以及用EL5172再將差分信號轉(zhuǎn)換回單端信號的方式，可延長傳輸距離和抵抗部分傳輸干擾。該芯片對輸入信號的最大帶寬是250 MHz(-3 dB)。在±5 V供電方式下，最大輸出電流可在90 mA，滿足視頻信號的轉(zhuǎn)換和傳輸。通過調(diào)節(jié)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)還可以改變帶寬和增益[3]，適用不同距離傳輸，保證信號質(zhì)量最佳。視頻信號轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

　　在可靠性設(shè)計方面，EL5171供電電源必須經(jīng)過低頻和高頻信號濾波，使紋波盡可能小，保證轉(zhuǎn)換質(zhì)量。

　　2.2 電子開關(guān)電路設(shè)計

　　系統(tǒng)根據(jù)主控設(shè)備的命令要求實(shí)現(xiàn)多路視頻信號的傳輸，因此電子開關(guān)電路的設(shè)計是非常關(guān)鍵的。信號通斷可利用繼電器或三極管分立元件電路實(shí)現(xiàn)，但由于繼電器本身功耗大、工作頻率低、觸點(diǎn)壽命短等缺點(diǎn)，一般用于控制電機(jī)等大功率器件。三極管模擬電路對頻率響應(yīng)不易調(diào)節(jié)，容易造成信號丟失或失真。選擇集成CMOS芯片可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的通斷，CD4066是四雙向模擬開關(guān)集成電路[4]，管腳圖如圖3(a)所示，控制端接高電平開關(guān)導(dǎo)通，接低電平截止，導(dǎo)通電阻在幾十歐姆，斷開電阻達(dá)100 MΩ。在選通狀態(tài)下的頻率帶寬為40 MHz。在正負(fù)雙電源供電下，可傳輸幅度不大于電源的模擬或數(shù)字信號。其具備功耗低、導(dǎo)通速度快、抗干擾能力強(qiáng)、無機(jī)械觸點(diǎn)等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在視頻信號通斷的設(shè)計中。

　　用CD4066的前兩路輸入/輸出傳輸平衡差分信號(1、4腳輸入，2、3腳輸出)，并把這兩路的控制端(5腳、13腳)接在一起，控制端接入的高低電平和芯片的正負(fù)電源電平是一樣的，是±5 V。用單片機(jī)I/O口控制光電耦合器實(shí)現(xiàn)CD4066控制端電平的切換，系統(tǒng)上電后，MCU初始化管腳是高電平，則光耦輸出端默認(rèn)是低電平-5 V，故所有的開關(guān)均處于關(guān)斷狀態(tài)；等接到開啟命令后，MCU_CTRL管腳輸出低電平，光耦工作，輸出高電平+5 V，CD4066的前兩路處于同時導(dǎo)通狀態(tài)，視頻信號可以通過。電路結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。

　　在可靠性設(shè)計方面，CD4066輸入端加入雙向鉗位二極管(BAT54S)，防止輸入端電壓超過芯片電源電壓損壞電子開關(guān)，如圖3(b)。

　　2.3 微控制器通信電路設(shè)計

　　出于成本和應(yīng)用環(huán)境考慮，通信電路采用半雙工的485總線通信方式，選擇MAX485作為通信芯片，遵循RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。

　　可靠性設(shè)計方面,MAX485使用隔離電源供電和光耦隔離，上電默認(rèn)接收狀態(tài)，輸出AB線兩側(cè)加TVS(瞬態(tài)抑制二極管)保護(hù)防電壓浪涌，AB線上加500 mA自恢復(fù)式保險絲防雷擊短路。每隔300 m接入485中繼器，增強(qiáng)信號。同時，避免和強(qiáng)電一起走線。

3 微控制器軟件及通信協(xié)議設(shè)計

　　3.1 微控制器與PC通信協(xié)議設(shè)計

　　實(shí)現(xiàn)多路視頻信號的傳輸，需制定微控制器與計算機(jī)的通信協(xié)議，協(xié)議中需要包含哪路視頻信號的開關(guān)命令。表1為開啟第一路視頻信號的協(xié)議。考慮到遠(yuǎn)距離通信，波特率不宜設(shè)置太高，選擇4 800 b/s、1個起始位、1個停止位、無硬件校驗(yàn)。

　　協(xié)議中，幀頭和幀尾字節(jié)固定為0x68H和0x16H，控制通信的發(fā)起和結(jié)束。地址字節(jié)范圍是0x01H～0x1EH,總線可以接入30個微控制器，0x00H、0x1FH地址可用于廣播控制，如全部關(guān)閉。由于只有單個開關(guān)的開啟命令，沒有單個關(guān)閉命令，命令和數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)字節(jié)留作擴(kuò)展功能。校驗(yàn)字節(jié)是所有字節(jié)的累加和，便于計算機(jī)在接到返回的校驗(yàn)失敗信息時重發(fā)命令。

　　3.2 微控制器軟件設(shè)計

　　STC15F2K61S2微控制器使用MAX485芯片通過485總線接收計算機(jī)的指令，決定是否通斷各自的視頻信號。在485通信中，每個從設(shè)備都有不同的地址，可用5位撥碼開關(guān)來設(shè)定不同的地址，最多可設(shè)置32個從設(shè)備地址，實(shí)際中只用了1～30號地址，0和31號可用于廣播地址。通信協(xié)議中包含的地址字節(jié)，用于指向要發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備。本設(shè)計利用485通信的廣播特性，當(dāng)發(fā)送打開某個攝像頭信號的指令時，所有的微控制器都會收到同樣的指令，然后比對是否和設(shè)定的本機(jī)地址相同，如果相同則控制電子開關(guān)打開視頻信號，否則就保持或執(zhí)行關(guān)閉，微控制器軟件流程如圖4所示。只用一條指令即可控制信號傳輸，實(shí)現(xiàn)了雙絞線上總是只有一個攝像機(jī)的圖像信號存在，避免了信號混疊。計算機(jī)端的指令發(fā)送方式可以選用自動定時輪詢方式或者手動選擇方式。

　　計算機(jī)運(yùn)行VC++6.0軟件環(huán)境和界面，來發(fā)起輪詢命令?？梢赃x擇專業(yè)的工控機(jī)代替普通計算機(jī)，工控機(jī)一般含有多個串口，可以提高帶負(fù)載數(shù)量。但受篇幅限制，不在本文討論范圍之內(nèi)。

4 測試結(jié)果

　　由于電子開關(guān)CD4066在導(dǎo)通狀態(tài)下，仍有幾十歐姆的導(dǎo)通電阻，故需使用示波器觀察視頻信號經(jīng)過開關(guān)之前和之后的差別，以及從攝像機(jī)輸出的信號和最終視頻采集卡的輸入信號的差別，主要觀測值為信號幅度和頻率，幅度單位是 mV，包括峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin，測量頻率單位是kHz。測試位置點(diǎn)如圖5所示。在開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下，差分信號經(jīng)過CD4066前后對比波形如圖6所示。圖6中(A)、(B)為轉(zhuǎn)換后的差分信號，(C)、(D)分別為經(jīng)過電子開關(guān)后的差分信號。單端視頻信號波形和恢復(fù)后的波形如圖7所示, 圖7中(A)為攝像機(jī)輸出信號，(B)為接收器恢復(fù)后的信號。在開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)下，電子開關(guān)輸出的波形如圖8所示。

　　對比圖6，可以觀察到差分信號經(jīng)過電子開關(guān)后會有幾十毫伏的衰減，但對比圖7又可以觀察到，這種衰減可由雙絞線接收器給予一定的補(bǔ)償，幅度變大。圖8表明在關(guān)斷狀態(tài)下，信號幅度很弱，不會影響總線上的其他信號,實(shí)測結(jié)果可能由于測試方法的原因而引入了高頻噪聲,Vp-p實(shí)際值會接近0 mV。通過波形測試發(fā)現(xiàn)，CD4066可以有效關(guān)斷視頻信號，同時也可以真正傳輸視頻信號。

　　另外，視頻頻段的信號在用雙絞線傳輸時，由于線上電阻損耗和介質(zhì)損耗，信號的功率從進(jìn)入雙絞線傳送到負(fù)載時會衰減，衰減大小和信號的頻率有關(guān)，信號的頻率越高，衰減量越大，主要衰減在信號頻點(diǎn)為5～6 MHz時較明顯。用頻譜儀可以觀察到高頻成分的幅度衰減，這種衰減會影響畫面邊緣和細(xì)節(jié)質(zhì)量。通過對高頻信號的幅度提升補(bǔ)償，可以改善傳輸損耗的情況[5]。但受篇章限制，不在本文討論范圍之內(nèi)。

5 結(jié)束語

　　本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了多路視頻信號分時傳輸?shù)姆椒?，并成功?yīng)用于某大型停車場的車位圖像信息采集系統(tǒng)。設(shè)計新穎，布線簡單，節(jié)約成本，可部署在各種視頻安防監(jiān)控場所，用于智能識別。其優(yōu)點(diǎn)主要在于復(fù)用雙絞線傳輸多路視頻信號，并可以和485總線同時走線，所以一根普通雙絞線電纜即可傳輸兩種信號；還可制作水晶頭與RJ45接口接駁，便于安裝和系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行。同時，利用這種分時傳輸方法，也可為各種多傳感器數(shù)據(jù)分時采集提供方案。

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