礦用攝像機(jī)嵌入式CAN總線遠(yuǎn)程控制技術(shù)

攝像機(jī)在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中使用廣泛，尤其對(duì)一些重要場所更需要在集控室遠(yuǎn)程操控攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、調(diào)焦等功能。對(duì)攝像機(jī)的控制使用RS一485總線的較多，文獻(xiàn)[1]以AT89C52單片機(jī)為控制器設(shè)計(jì)了構(gòu)建于RS.485總線基礎(chǔ)上的礦用攝像機(jī)工作臺(tái)控制系統(tǒng)。在現(xiàn)場使用這種方法進(jìn)行控制的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)：當(dāng)控制距離較遠(yuǎn)(超出1 km)以及掛接控制器較 (在某礦發(fā)電廠實(shí)測大于36臺(tái))時(shí)會(huì)出現(xiàn)部分?jǐn)z像機(jī)失控、誤動(dòng)現(xiàn)象，其中頻繁地誤動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致工作臺(tái)的故障，給工作帶來不便。為解決以上問題，本文以嵌入式處理器LPC2129為主控芯片設(shè)計(jì)了礦用攝像機(jī)控制器，并通過CAN(contoller area network)總線實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。CAN總線屬于現(xiàn)場總線的一種，它具有可靠性 高、通信距離遠(yuǎn)、連線簡單、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

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

當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)技術(shù)成熟、應(yīng)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)精簡到芯片內(nèi)部，在保證特定功能的前提下使系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，便于系統(tǒng)集成。LPC2129是飛利浦公司生產(chǎn)的基于16/32位ARM7TDMI—S內(nèi)核的嵌入式處理器。其內(nèi)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，這樣無需外擴(kuò)存儲(chǔ)器就可以移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。因此，本文選用LPC2129作為主控芯片，另外使用嵌入式系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的控制器尺寸小，從而使其可方便地嵌入到防爆工作臺(tái)。

1 控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)如圖1所示，監(jiān)控上位機(jī)通過RS-232串口與1/S.232-CAN轉(zhuǎn)接器相連，轉(zhuǎn)接器與控制器構(gòu)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，控制器直接控制攝像機(jī)和工作臺(tái)。系統(tǒng)控制原理如下：上位機(jī)通過鼠標(biāo)及鍵盤接收特定攝像機(jī)控制動(dòng)作命令，通過軟件轉(zhuǎn)換為攝像機(jī)控制器地址及控制命令，然后打包為控制字，再通過串口發(fā)送給轉(zhuǎn)接器。轉(zhuǎn)接器按協(xié)議將控制字轉(zhuǎn)換為CAN總線幀格式并將幀發(fā)送到總線上。地址相符的控制器接收該幀數(shù)據(jù)，根據(jù)控制命令產(chǎn)生控制信號(hào)，控制攝像機(jī)及工作臺(tái)完成相關(guān)動(dòng)作。

圖1 控制系統(tǒng)

2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)按功能分為3個(gè)部分：控制器電路、CAN總線電路、轉(zhuǎn)接器電路。

2.1 控制器電路

考慮到本系統(tǒng)的被控對(duì)象是攝像機(jī)和工作臺(tái)，而攝像機(jī)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)換芯片ST3232構(gòu)成控制器串口，外接攝像機(jī)模塊，完成對(duì)攝像機(jī)的控制。由于本設(shè)計(jì)沒有采用傳統(tǒng)的撥碼開關(guān)設(shè)定控制器地址，地址的設(shè)定要通過上位機(jī)來完成，因此通過LPC2129的串口1(P0.8、P0.9)完成與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)地址的寫入。對(duì)工作臺(tái)的控制實(shí)際上是控制工作臺(tái)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(qū)動(dòng)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 電路原理圖

2.2 CAN總線電路

LPC2129內(nèi)部集成了CAN控制器，使用它無需外接單獨(dú)的CAN芯片就可以方便地構(gòu)成CAN總線。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總線系統(tǒng)。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(nèi)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(zhuǎn)換為CAN總線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(xiàn)場總線工作的穩(wěn)定性和可靠性。與RS-485總線類似，在總線的最遠(yuǎn)端要串接120Ω電阻R20a為防止掉電后控制器CAN地址丟失，系統(tǒng)外擴(kuò)了一片I2C總線的非易失性存儲(chǔ)器24C04，I2C總線上的電阻R4、R5的作用是進(jìn)行電位上拉。

2.3 轉(zhuǎn)接器電路

轉(zhuǎn)接器的作用是連接上位機(jī)與CAN總線。由圖2可以看出，只需將對(duì)攝像機(jī)和工作臺(tái)的控制部分去掉就可以完成此功能。為簡化沒計(jì)，本文沒有使用其他處理器，轉(zhuǎn)接器仍然利用LPC2129的串口1完成與上位機(jī)的通信，并通過CAN引腳外掛收發(fā)器模塊CTM8250完成CAN總線通信。在轉(zhuǎn)接器里也外擴(kuò)了24C04，主要用于存儲(chǔ)控制器的地址映射表。

3 控制協(xié)議

控制系統(tǒng)中上位機(jī)要首先與轉(zhuǎn)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(詳見控制器地址配置部分)，數(shù)據(jù)的格式直接采用后面的CAN數(shù)據(jù)格式，在數(shù)據(jù)之后加一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)和作為通信校驗(yàn)。鑒于串口通信的文獻(xiàn)較多，此處不再贅述。

由于轉(zhuǎn)接器里的控制命令要通過CAN總線遠(yuǎn)距離傳輸，而CAN V2.0B規(guī)范只規(guī)定了底層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并沒有對(duì)高層協(xié)議做統(tǒng)一規(guī)定，因此高層的控制協(xié)議需要單獨(dú)開發(fā)。CAN的報(bào)文由4個(gè)不同的幀類型表示和控制，即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀。鑒于攝像機(jī)控制系統(tǒng)中控制命令不多，故本文采用數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)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?shù)臄?shù)據(jù)量，提高控制系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。協(xié)議具體設(shè)置如圖3所示，數(shù)據(jù)幀包括幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC域、應(yīng)答域以及幀結(jié)束共7個(gè)部分。其中幀起始、CRC域、應(yīng)答域、幀結(jié)束4個(gè)部分在文獻(xiàn)[5]中已經(jīng)詳細(xì)規(guī)定，此處從略。

圖3 CAN控制數(shù)據(jù)報(bào)文幀格式圖