电动云台和变焦镜头控制.ppt

第10章 电动云台和变焦镜头控制,10.1 基本驱动电路 10.2 串行传送控制信号 10.3 单片机解码器 10.4 硬件解码器 10.5 控制器和解码器的连接,10.1 基本驱动电路,在控制室，除了要对视频信号进行切换，在视频信号上叠加地点、日期、时间等附加信息外，还要对摄像机的电动云台和变焦镜头进行控制。 电动云台通常有水平旋转和俯仰旋转两个电机可以进行正、反向旋转，四个动作分别称为上、下、左、右。电动云台的电机大部分是交流电机，这种电机有两个绕组，两个绕组有一个公共端，当一个绕组接交流电压时，,另一绕组经移相电容接入交流电压，当交流电压分别从两个绕组接入时，可使电机作正向或反向旋转。两个电机的公共端接在一起，一共有五根控制线。 变焦镜头通常连接有光圈、聚焦和变倍三个控制电机，可以正、反向旋转。六个动作分别称为光圈大、光圈小、聚焦远、聚焦近、变倍进、变倍出。变焦镜头的电机大部分是直流电机，直流电机加正向电压后正转，加反向电压后就会倒转。三个电机共用一个接地端，共有四根控制线。,在摄像机离控制室比较近的情况下，可用多芯电缆将10个动作的控制电压从控制室传到摄像机处。图101是用多芯电缆传送电动云台和变焦镜头控制电压的电路图。在控制室利用琴键开关将交直流电压加到电机的控制线上。电动云台虚线框内的线路中4个常闭触点是4个限位开关，当云台旋转到压住限位开关后，常闭触点断开，云台不再往该方向旋转。 这种电路使用很多机械开关，因电机启动时的大电流和电机断开时的高反压，开关容易损坏，目前已很少采用这种电路。在控制器大都采用单片机的情况下，要用锁存的TTL电平去控制云台和镜头。,图101 用多芯电缆传送电动云台和 变焦镜头控制电压电路图,10.1.1 电动云台的驱动 单片机用锁存器输出的TTL电平来控制电动云台。通常有继电器驱动和双向可控硅驱动两种方法。 1.继电器驱动 用继电器驱动云台的电路如图102所示。当输入控制信号D3D0的电平是0001B时，继电器J0吸合，云台向右旋转；当D3D0的电平是0010B时，继电器J1吸合，云台向左旋转；当D3D0的电平是0100B时，继电器J2吸合，云台向下旋转；当D3D0的电平是1000B时，继电器J3吸合，云台向上旋转。,图102 继电器电动云台驱动电路,常用来驱动云台的继电器有JZC22FA型。其体积为22.5mm16.5mm16.5mm,触点负荷为220V(AC)、3A或28V(DC)、10A,JZC22FA有005、006、009、012、024等五种规格,其额定电压分别是5V、6V、9V、12V、24V(DC)；线圈电阻分别是70、100、220、400、1600；吸合电压分别为4V、4.8V、7.2V、9.6V、19.2V；释放电压分别为0.5V、0.6V、0.9V、1.2V、2.4V。,2.双向可控硅驱动 与继电器相比，可控硅驱动有体积小、重量轻、寿命长、价格低廉等优点。所以，目前较多的产品是用双向可控硅来控制电动云台的。 图103是双向可控硅和电路符号。面对双向可控硅正面，左边的引脚是主电极MT1或称A1，中间的引脚是主电极MT2或称A2，右边的引脚是控制极G或称门极。触发信号加在MT2和G两极之间。,图103(a)是双向可控硅的常用引脚排列。比如，BTA06C就是这种排列，也可能会有与此图不同的排列。初次使用时最好用多用表判别，方法如下：先找MT2极，多用表置于R100挡，将黑表笔接任意一个电极，用红表笔碰另外两个电极，如果表针都不动，说明黑表笔接的是MT2极。剩下两电极间有210的正反向电阻差，可用多用表R10挡或R1挡来量，电阻小时，接黑表笔的是MT1极，红表笔接的是G极。因为电阻差很小，要仔细观察才能判别出来。,图104是触发电路。其中，光电耦合器MOC3021是一种双向可控硅输出结构的光电耦合器，用来触发双向可控硅时电路最简单，而且能将单片机系统与可控硅、电机、市电隔离开来，以免电机启动时的感应电动势和火花影响单片机工作。表101是MOTOROLA公司MOC3000系列光电耦合器的主要参数。,图 103 双向可控硅和电路符号 (a)引脚排列；(b)电路符号,图104 双向可控硅触发电路,表101 MOC3000系列光电耦合器主要参数,对MOC3021，有下列典型值： 输入端电流II=1015mA。 发光管上的电压降U12=1.21.5V。 最大输出电流Ip=1A。 MOC3021的输入端限流电阻R,(101),当MC1413输出V2为低电平0.4V时，要求 MOC3021导通，这时,式中,Up为交流电压峰值，交流电压为220V，波动10%，最高电压有效值为242V，峰值电压为 。因而有,限流电阻R1用来限制MOC3021的输出电流Ip不要超 过极限值1A。,(102),可取R1=360。,最小触发电压UT：由于串入电阻R1，使触发电路有一个最小触发电压，低于这个电压时，双向可控硅不导通。UT按下式计算： UT=R1IGT+UGT+UTM 式中:IGT为双向可控硅最小触发电流；UGT为双向可控硅最小触发电压；UTM为MOC3021输出端压降,典型值1.8V，最大值3V。,对常用的双向可控硅BTA06C，在第13象限触发时，IGT为25mA；在第4象限触发时（A2电压为负，G触发电流为正），IGT为50mA，而UGT为1.5V。这时 UT=3600.025+1.5+3=13.5V 最小控制角,(103),对于电动云台，控制角在2.26以下时，双向可控硅不导通不会影响云台的转动。 当双向可控硅所带的负载是较大的电感时，电感在接通与断开瞬间的感应电动势容易引起光耦与双向可控硅的误触发。图105是防止误导通的双向可控硅保护电路。,图105 防止误导通的双向可控硅保护电路,双向可控硅一旦导通，控制极对双向可控硅就不起控制作用。要关断双向可控硅，必须使流过可控硅中的电流小于保持可控硅导通所需的电流，即维持电流。导通的可控硅从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的时间,由于电机是感性负载，电流滞后于电压，有可能会使得电压在过零时电流仍然存在而导致双向可控硅失控。在这种情况下，可在双向可控硅主电极MT1和MT2之间并联RC串联回路以减小电压上升率dUdt，常常R取51，C取0.1F。,在阻断状态下，双向可控硅的PN结相当于一个电容，如果突然受到正向电压，充电电流流过控制极PN结时，起了触发电流的作用，易造成MOC3021输出可控硅的误导通，在MOC3021的输出回路中加R2和C1，组成的RC回路，可降低电压上升率dUdt。一般情况下，R2为4701k，C1为0.050.15F。,MOC3021在输出关断状态下，也有小于或等于400A的电流，R3可以消除这个电流对外部双向可控硅的影响，防止双向可控硅误触发，提高可靠性。R3一般取3001k。图106是双向可控硅云台控制电路。这里没有画出防止误触发误导通的保护电路，因为在一般情况下没有这些保护电路也能正常工作。在印制板设计时，应留有安装这些保护电路中电阻、电容的位置，当出现误导通现象时再加上这些器件。,图106 双向可控硅云台控制电路,在选取双向可控硅的电流、电压极限值时，应留有较大的余量。云台的电压是220V，电流不超过200mA。一般取双向可控硅的电流为36A，耐压为600800V。 固态继电器是对双向可控硅及其光电隔离电路和附加电路进行了一体化封装的产品，使用起来比分立元件方便。GJH1L和GJH3L是常用于云台控制的固态继电器，它们的输入控制电压是312V(DC)，15mA，输出负载电压是380V(AC)。GJH1L的负载电流为1A，适用于小型电动云台；GJH3L的负载电流为3A，适用于室外云台和防爆云台。,10.1.2 变焦镜头的驱动 单片机用锁存器输出的TTL电平来控制变焦镜头。常有继电器驱动和运算放大器与晶体管驱动两种方法。 1.继电器驱动 图107是用继电器的变焦镜头驱动电路。当输入控制信号D5D0的电平是100000B时，J5吸合，U+加到光圈电机正端，光圈变大；当D5D0的电平是010000B时，J4吸合，U -加到光圈电机正端，光圈变小。当D5D0的电平是001000B时，J3吸合，U +加到聚焦电机的正端，聚焦变远；,当D5D0的电平是000100时，J2吸合，U -加到聚焦电机的正端，聚焦变近。当D5D0的电平是000010B时，J1吸合，U +加到变倍电机的正端，变倍变进；当D5D0的电平是000001B时，J0吸合，U -加到变倍电机正端，变倍变出。变焦镜头控制常用JRC5M型超小型密封继电器。,图107 用继电器的变焦镜头驱动电路,2. 运算放大器与晶体管驱动 运算放大器与晶体管驱动与继电器驱动相比，有寿命长，可靠性高和价格便宜等优点。 图108是用运算放大器与晶体管驱动变焦镜头的实用电路。图中当输入控制信号D5D0的电平是100000B时，运算放大器N1输出正电压，晶体管V1导通，电压U+加到光圈电机正端，电机正转，光圈变大；当D5D0的电平是010000B时，运算放大器N1输出负电压，,晶体管V2导通，电压U-加到光圈电机正端，电机反转，光圈变小；当D5D0的电平是001000B时，运算放大器N2输出正电压，晶体管V3导通，电压U +加到聚焦电机正端，电机正转，聚焦变远；当D5D0的电平是000100B时，运算放大器N2输出负电压，晶体管V4导通，电压U-加到聚焦电机正端，电机反转，聚焦变近；,当D5D0的电平是000010B时，运算放大器N3输出正电压，晶体管V5导通，电压U +加到变倍电机正端，电机正转，变倍变进；当D5D0的电平是000001B时，运算放大器N3输出负电压，晶体管V6导通，电压U -加到变倍电机正端，电机反转，变倍变出。 当电机旋转太快，不易对镜头进行精细调节时，可以降低U +、U -的幅度，或在输出电压与电机之间串接电阻来使电机转速降低。,图108 用运算放大器的变焦镜头驱动电路,10.2 串行传送控制信号,前面介绍的驱动电路中，变焦镜头的驱动电压有4根控制线，电动云台的驱动电压有5根控制线，再加上摄像机电源控制，雨刷控制等，控制线较多。当控制器与摄像机距离较远时，浪费大量线材，很多能量也消耗在传输线上，所以常常采用发串行控制信号的办法来节省线材和能量损失。具体做法是在控制器部分由单片机发出串行的控制信号，,在摄像机附近配置一个接收解码器，对接收到的串行命令进行解码，形成云台和变焦镜头的驱动电压。这样控制线改为二芯,可以节约线材，电机的驱动电压就地供给，避免了驱动电压长距离传送时的能量损失。 下面介绍串行通讯中的一些基本概念和标准通讯接口。,10.2.1 异步通讯和同步通讯 设备之间的通讯有并行通讯和串行通讯两种基本方式。若有多位数据，比如8位、16位数据同时传送称为并行通讯；若数据一位一位地顺序传送，则称为串行通讯。显然，串行通讯的速度比并行通讯慢，但在应用电视系统中设备之间要传送的数据量很少，所以常采用串行通讯。 串行通讯分异步通讯和同步通讯。,1.异步通讯 异步通讯规定了数据的传送格式，即数据以相同的帧格式传送。8031的串行通讯口，在方式1时规定为8位异步通讯口，传送格式是起始位(0)、8位数据、停止位（1）。在方式2和方式3时规定为9位异步通讯口，传送格式是起始位(0)、8位数据、第9数据位、停止位(1)。由此可见，异步串行通讯的帧格式总是由起始位、数据位和停止位组成。在通讯线上没有数据传送时处于1状态，要发送数据时先送一位0，作为起始位；接收设备在接收到0状态后就开始准备接收数据，发送完规定的数据以后是停止位，在发送的间隙中，通讯线路总是处于1状态。,2. 同步通讯 与异步通讯不同,同步通讯不是靠起始位在每帧数据开始时使发送和接收同步，而是通过同步码在每个数据块传送开始时使收发双方同步的。后面将要介绍的编解码电路VD5026与VD5027之间的通讯采用的就是同步通讯方式。,10.2.2 单工、半双工、全双工通讯 串行通讯中，要把数据从一台设备传送到另一台设备，要使用通讯线路，数据在通讯线路的两端的设备之间传送。按照通讯方式可以有三种通讯线路。 1.单工(Simplex)方式 单工方式时，通讯线路一端连接发送设备，另一端连接接收设备。,2.半双工(HalfDuplex)方式 半双工方式时，通讯线路两端的设备都有一个发送器和一个接收器，通过由单片机控制的电子开关接到通讯线路上。数据能从这一端传送到那一端，也能从那一端传送到这一端，但是不能同时在两个方向上传送，即每次只能一端发，另一端收。,3. 全双工(FullDuplex)方式 全双工方式不但两端的设备都有一个发送器和一个接收器，而且还增加了通讯线路，不是交替发送和接收，而是可以同时发送和接收，数据可同时在两个方向上传送。在应用电视系统中，因为数据量少，常采用单工方式和半双工方式通讯。,10.2.3 串行通讯标准接口 应用电视系统中常用的异步串行通讯接口有三类：RS232C、RS449和20mA电流环。 1.RS232C标准接口 RS232C是由美国电子工业协会(EIA)正式公布的在异步串行通讯中应用最广的标准总线。它包括按位串行传输的电气和机械方面的规定，适合于短距离和带调制解调器的通讯场合。,RS232C接口有22根线，采用标准的25芯插头座，后改为9芯插头座，每个引脚有定义。RS232C接口采用负逻辑，即逻辑1，-5-15V；逻辑0，+5+15V。RS232C电平与TTL电平接口时，必须进行电平转换，常用的芯片是传输线驱动器MC1488和传输线接收器MC1489。图109是RS232C电平转换芯片MC1488和MC1489的引脚图。,图109 MC1488和MC1489的引脚图,MC1488内部有三个与非门和一个反相器，供电电压为12V，输入为TTL电平，输出为RS232C电平。MC1489内部有四个反相器，输入为RS232C电平，输出为TTL电平，供电电压为+5V。MC1489中每个反相器都有一个响应控制端，高电平有效。图1010是RS232C接口电平转换电路。 RS232C接口设备之间通讯距离不大于15m，传输速率为20kbs。在实际使用中，距离远大于这个标准，当传输速率为1.2kbs时，传输距离达1km以上。,图1010 RS232C接口电平转换电路,2. RS449、RS422A、RS432A和RS485标准接口 RS232C是早期标准。它有数据传输速度慢，通讯距离短，接口处各位信号间易产生串扰等缺点。为了提高数据传输率和通讯距离，EIA制定了新标准RS449标准。 1) RS449标准接口 RS449接口与RS232C接口的主要差别是信号在导线上的传输方法不同。RS232C接口是利用传输信号线与公共地之间的电压差，RS449接口是利用信号导线之间的信号电压差。,RS449规定了两种标准接口连接器:一种为37脚，一种为9脚。在应用电视系统中，进行单工、半双工通讯，只有2根信号线，常采用三芯插座，因为电视监控报警系统中设备基本上是自成系统，所以没有必要采用标准的25芯、37芯和9芯插头座。 RS449接口不使用调制解调器，传输速率为90kbs时，在24AMG双绞线上能传送1200m以上。因为用平衡信号差分电路传送高速信号，所以噪波低，可以多点并联接收。,2) RS422A标准接口 RS422A文本给出了RS449应用中对电缆、驱动器和接收器的要求，规定了双端电气接口型式，其标准是双端线传送信号。它通过传输驱动器，把逻辑电平变成电位差，完成始端的信息传送；通过传输线接收器，把电位差转变成逻辑电平，实现终端的信息接收。,RS422A接口在最大传输速率10Mbs时；最大传送距离为300m；当传输速率为90kbs时，最大传送距离达1200m。RS422A接口每个通道要用两条信号线，一条信号线的信号是另一条线信号的反相信号。RS422A接口规定驱动器的输出电压为26V，接收器可以检测到的输入信号电平可低到0.2V。RS422A接口规定每个通道只许有一个发送器，可以有多个接收器。,AM26LS31是符合RS422A标准的有三态输出的四驱动器。四个驱动器共有一个三态输出控制，三态输出允许有两个：一个高电平有效，另一个低电平有效。AM26LS32是符合RS-422A标准的，有三态输出的四接收器。四个接收器共用一个三态输出控制，三态输出允许有两个：一个高电平有效，另一个低电平有效。,MC3487是符合RS422A标准的四驱动器。每两个驱动器共用一个三态输出允许端，该端为低电平时允许三态输出。MC3486是符合RS422A标准的四接收器，每两个接收器共用一个三态输出允许端，该端为低电平时允许三态输出。MC34050是符合RS422A标准的双驱动器和双接收器，两个驱动器共用一个驱动使能端，两个接收器共用一个接收使能端，使能端都是低电平有效。MC34051是符合RS422A标准的双驱动器和双接收器，每个驱动器各有一个驱动使能端，都是低电平有效，而接收器没有接收使能端。,3) RS423A标准接口 RS422A和RS423A文本中，分别给出RS449应用中对电缆、驱动器和接收器的要求。RS422A给出平衡信号差的规定，RS423A给出不平衡信号差的规定。 RS423A规定为单端线，而且与RS232C兼容，参考电平为地，规定正信号逻辑电平为0.26V，负信号逻辑电平为-0.2-6V。,RS423A驱动器在90m长电缆上传送数据最大速率为100kbs，若传输速率降为1kbs，则允许电缆长度为1km。RS423A允许在传送线上接多个接收器，接收器为平衡传输接收器，因此允许驱动器和接收器之间有个地电位差。这时逻辑“1”状态必须是46V，逻辑“0”状态必须是-6-4V。 常用的符合RS423A标准的驱动器有MC3488双驱动器和DS3691四驱动器。RS423A的接收器与RS422A通用，前面介绍的符合RS422A标准的接收器全部可用于RS-423A接口。,4) RS485标准接口 RS485是一种多发送器的电路标准，是RS422A性能的扩展。它允许在双绞线上，一个发送器驱动32个负载设备。负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器。RS485允许共同电话线通讯。电路结构是在平衡连接电缆两端有终端电阻，在平衡电缆上挂发送器、接收器和组合收发器。 RS485标准没有规定在何时控制发送器发送或接收器接收数据的规则，但对电缆的选择要求很严格。,因为RS485标准与RS422A兼容，所以所有符合RS485标准的驱动器和接收器都适用于RS422A标准；反之，则不然。 75172、75174是符合RS485标准的四驱动器。在75172中，四个驱动器共用一个三态输出控制。 三态输出允许有两个，一个高电平有效，另一个低电平有效。75174每两个驱动器共用一个三态输出控制，低电平有效。,75173、75175是符合RS485标准的四接收器。75173中四个接收器共用一个三态输出控制。 三态输出允许有两个，一个高电平有效，另一个低电平有效。75175每两个接收器共用一个三态输出控制，低电平有效。 图1011是RS485电平转换芯片7517275175的引脚图。,图1011 RS485电平转换芯片7517275175的引脚图,图1012是RS485接口电平转换电路。图中用虚线隔开三台设备，三台设备都用了光电隔离。光电隔离前后的电压要独立，否则起不了光电隔离的效果。在设备之间距离不远，现场电磁干扰较少的情况下，也可省去光电隔离。,图1012 RS485接口电平转换电路,75176是一种符合RS485标准的驱动器和接收器。图1013是其引脚图与真值表。利用75176可以进行半双工通讯，即在同一对线上分时完成双向通讯，只要控制芯片的DE、 两个引脚的电平，75176便可以处于发送数据状态或者处于接收数据状态。当只有一个RS485通道时，两端可以都用75176。在应用电视系统中，控制器要多路输出，常用四驱动器75172或75174。而在解码器端只需一个接收器，常采用75176。利用75176可以组成总线型结构的串行通讯，如图1014所示。长线两端都可以带32组收发器，图1014中一端只带了三组。,图1013 75176的引脚图和真值表,图1014 利用75176可以组成总线型结构的串行通讯,3.20mA电流环 20mA电流环是一种非标准的串行接口电路，但由于它有线路简单，对电气噪波不敏感的特点，在环境电磁干扰较多的场合被广泛采用。20mA电流环是一种异步串行接口电路。在每次发送数据时，必须以无电流的起始位作为一帧数据的开始，接收端检测到起始位后接收一帧数据。,图1015是一个20mA电流环线路图。在发送端，将TTL电平转换成环路电流信号，在接收端又将环路电流转换成TTL电平。其最大的优点是低阻传输线对电气噪声不敏感，即使传输线上感应有较高电压也不会损坏器件。解码器接收端光电耦合器件的发光二极管正向工作电流典型值为15mA，最大连续正向电流极限值在60mA以上，至于不连续的脉冲正向电流可达数百毫安。瞬时性的感应电流一般不会损坏光耦，所以用20mA电流环接口，其平均故障间隔时间MTBFMTBF:Mean Time Between Failures,平均故障间隔时间。较长。表102是常用光电耦合器的参数表，供选用时参考。,图1015 20mA电流环线路图,表102 常用光电耦合器的参数表,10.3 单片机解码器,控制器发出串行的控制信号由解码器接收。解码器对接收到的串行命令进行解码、形成云台和变焦镜头的驱动电压，控制云台和变焦镜头的电机动作。解码器可以以单片机为主加上附加电路构成，一般用与控制器相同型号的单片机比较方便。,也可以利用专门的编码、解码电路来发送、接收信号，那么在控制器里就应该用专门的编码电路发送信号，在解码器中要用与之配套的解码电路接收信号。下面详细介绍这两种解码器。,10.3.1 单片机解码器的构成 单片机解码器通常由隔离器、单片机、自动复位电路、电动云台驱动电路和变焦镜头驱动电路组成，如图1016所示。,图1016 单片机解码器方框图,1.隔离器 为了防止解码器中的开关元件影响控制器，在电气上完全隔离控制器和解码器，解码器的输入端要用隔离器。为了使基带信号能进行较长距离的传送，串行控制码的波特率取得很低，经常取12009600Bd(波特)，所以隔离器可采用频率较低的光电耦合器，或者用变压器进行耦合。,2.串行控制码的接收与解码 当控制器和解码器都用8031单片机串行口发送、接收数据时，发送、接收端的8031都置成多机通讯方式。发送端的8031先发8位地址码，其第9位数据为1，再发8位操作码，第四位数据为9。接收端8031置多机通讯方式时，SM2=1，接收数据的第9位进入RB8，地址字节会中断所有解码器的单片机，解码器单片机查看地址码是否与本机地址相符，相符时单片机清SM2，,准备接收后面发来的操作码；当地址码与本机地址不符时，单片机将保持SM2不变，那么后面发来的操作码不会引起中断。在这种情况下可取消校验码，也可以用地址码和操作码的某一位作校验码分别进行校验，因为地址码和操作码都不需要用8位。,3.解码器的抗干扰措施 解码器中的继电器、可控硅等开关元件在闭合、断开时，容易对解码器的单片机产生干扰，解码器附近大型设备的起动和关断也易引起对单片机的干扰，结果是解码器的硬件虽然没有损坏，但程序执行出错，且进入死循环，不经复位，回不到正常状态，产生软件故障，俗称程序跑飞。为了防止干扰，常常采取下列预防措施：,(1)交流电源滤波:滤波电路如图1017所示。 (2)直流电源去耦滤波:滤波电路如图1018所示，C1和C3是容量为0.010.1F的瓷片电容，C2和C4是容量为10004700F的电解电容。 (3)单片机及其附加电路的电源线和地线直接接到电源滤波电容，不要与开关元件驱动电路的电源线和地线交叠，见图1019。,图1017 交流电源滤波,图1018 直流去耦滤波,(4)继电器线包上接反向偏置二极管防止继电器线包的反电动势。继电器触点两端接0.0680.1F电容器，防止继电器触点接通和断开时产生电弧放电影响单片机工作。这里要注意电容器耐压值要大于触点断开时两点电压值的数倍。 (5)用压敏电阻抑制尖峰电压。当加于压敏电阻两端电压超过压敏电压UIMA时，压敏电阻上的电流迅速增大，呈短路状态，非常适于吸收瞬间尖峰电压。可以在电源变压器的初、次级加压敏电阻，选取压敏电压 。压敏电阻并联在感性负载两端，可以吸收电感负载接通或断开时产生的自感电动势。,图1019 直流电源线与地线不交叠,4.解码器的自动复位 无论采取何种抗干扰措施，只能减少软件故障产生的次数，要完全消除软件故障是不可能的。解码器在摄像机附近，离控制器很远，无法进行按钮复位，采用关断解码器总电源的方法又往往不易奏效，给使用者带来不便，所以应该设置自动复位电路，万一出现软件故障能进行补救，不致引起不良的后果。自动复位电路通常有硬件自动复位和软件故障诊断自动复位两种。,1) 硬件自动复位 硬件自动复位有硬件定时自动复位和利用串行控制信号产生复位信号两种方法。前者是利用定时器每隔一段固定时间对CPU复位一次，这种方法比较简单，缺点是复位可能会发生在接收串行信号的过程中，使得该次接收失败。后者是利用串行控制信号来产生复位信号，要求两次串行控制信号之间要有一定的时间间隔。,图1020是利用串行控制信号产生复位脉冲的实用电路。图中第1个单稳触发器D1是不可重触发单稳74LS221。它的外接电阻R1电容C1要保证0.7R1C1大于串行控制信号周期，这样在D1的A端接串行控制信号，在D1的Q端输出一个宽度大于串行控制信号周期的负脉冲，见图1020下部波形图。这样保证只有起始位的下降沿产生复位脉冲，而串行数据中的下降沿不产生复位脉冲。,第2个单稳触发器D2是74LS221的另一半，它的外接电阻R2、外接电容C2要使0.7R2C2等于复位脉冲要求的宽度，这样将D1的 端的宽脉冲变成窄脉冲在D2的Q端输出，去复位CPU。复位脉冲宽度要尽量窄，不要影响CPU接收串行信号。这种方法在每次接收串行控制信号之前复位CPU，实际效果很好。它适用于解码器CPU只有接收串行控制信号并解码、驱动这一任务没有其他附加工作的场合。,图1020 利用串行控制信号产生复位脉冲的电路,2) 软件故障诊断自动复位 当解码器CPU还有检测、计算等多种任务时，上述利用串行控制信号产生复位脉冲的方法会使检测、计算工作突然打断而出错，所以要采用软件故障诊断复位。软件故障诊断要求在程序的各个可能的支路，都要安排两条能使某输出口的某一位输出一个正(或负)脉冲的指令。在程序正常执行时，每隔一定的时间总会执行这条指令，使该位不断地输出正脉冲。当程序执行进入异常状态时，该位没有正脉冲输出，超过一定时间，判别电路就会输出一个复位信号使CPU复位，程序执行又恢复正常。,图1021是一种故障诊断复位电路。程序正常执行时输出的正脉冲加到可重触发单稳D1(74LS123)的输入端B，D1接成上升沿触发，Q端产生的正脉冲宽度由外接电阻R1和外接电容C1决定。当程序正常执行时，两正脉冲之间的间隔小于0.7R1C1，也就是不断地对D1触发，所以Q端不会输出下降沿。当有软件故障时，电路不再输入正脉冲，D1的Q端出现下降沿。而单稳D2接成下降沿触发，其外接电阻R2和外接电容C2的取值使0.7R2C2等于复位脉冲要求的宽度。当D1的Q端出现下降沿，D2的 端会输出正脉冲使CPU复位，从而使程序执行恢复正常。,图1021 故障诊断复位电路,有些单片机如增强型的51系列单片机83C51FA，具有监视跟踪定时器(WATCHDOG，俗称看门狗)，就是把软件故障诊断复位电路集成在单片机内。也可以采用单片看门狗电路，如MAX813等。,10.3.2 单片机解码器的实用电路 图1022是用89C51单片机组成的解码器实用电路。由拨动开关决定的本机地址经P0.0P0.7读入。串行接口采用20mA电流环，串行控制信号经光电耦合器4N25隔离并送到89C51的RXD端。“看门狗”电路由一片74LS123组成，价格比专用“看门狗”电路要便宜。编程序时要求每一可能支路安排能使P1.7输出一个正脉冲的指令，在程序正常运行时，P1.7每隔一定时间总会输出正脉冲，该脉冲的输入使D1不断地被重触发；当程序跑飞，电路不再输入正脉冲，Q2端输出正脉冲经或门送CPU的复位端，复位CPU使程序执行恢复正常。,图1022 单片机解码器实用电路,串行控制信号被单片机89C51接收、解码后，经P1.0P1.5输出变焦镜头控制信号，经如图108所示的变焦镜头驱动电路去控制变焦镜头。89C51的P2.0P2.3输出电动云台控制信号，经如图106所示的电动云台驱动电路去控制电动云台。,10.4 硬件解码器,用单片机的解码器必须采取种种抗干扰措施，增加自动复位电路。在电视系统中，解码器是用得较多的设备，当然是越简单越好。下面介绍几种专用的编码解码电路，使用这些芯片组成的解码器线路简单，抗干扰性能好。,10.4.1 编码解码芯片 1. MC145026、MC145027编解码电路 MC145026、MC145027是MOTOROLA公司生产的一对编解码电路，它们的工作电压是4.518V，振荡器可用误差为5%的外接电阻、电容。解码芯片MC145027内部有上电复位电路，上电后，锁存的数据输出全为0。MC145026和MC145027都是16脚双列直插电路，图1023是它们的引脚图。,图1023 MC145026和MC145027引脚图,编码芯片MC145026的A1A5是地址输入，A6D6A9D9与MC145028相配合时作地址A6A9。当与MC145027相配合时，作数据输入。 A1A5可接成高电平(1)、低电平(0)和开路(高阻)三种状态。当利用这三种状态来决定地址时，最多可以有35=243种地址。 串行数据从DATAOUT端输出，每位数据用两个脉冲来表示，两个连续的宽脉冲表示“1”，两个连续的窄脉冲表示“0”，一个宽脉冲一个窄脉冲表示开路，波形如图1024所示。,图1024 MC145026编码数据波形,RTC、CTC、RS三个脚外接阻容元件决定内部时钟振荡频率,其芯片内部结构如图1025所示。所以，当外部时钟接入时应接到RS，而将RTC、CTC两脚开路。其内部振荡频率可以为1kHz2MHz。在1kHzf400kHz时，f=1(2.3RTCCTC)（Hz），这里只有满足RS=2RTC，RS20k，RTC10k，100pFCTC15F四个条件时，公式才有效。,图1025 MC145026振荡器部分,是发送允许端。此端开路时，芯片内部的上拉电阻使其输入为高电平，编码器被禁止发送，时钟振荡器停止振荡，芯片功耗降至最低，只有0.1A。当 端输入宽度大于65ns的低电平时，振荡器开始振荡，DATAOUT端发出数据，每位数据的周期是8个时钟周期，每个字有9位数据即A1A5、D6D9，每个字发送两次，两次之间的间隔是3个位(数据位)周期。 如果保持低电平，数据将不断地发送。MC145026的动态功耗约为200A。,解码芯片MC145027接收MC145026发出的串行数据，当接收到的两个字中，5位地址与本芯片的地址输入A1A5完全符合，且接收到的两个字中的4位数据完全相同时，4位数据被锁存在D6D9输出，直到接收到新的数据来代替它。数据被锁存的同时，UT脚变高，直到4个数据位周期没有输入信号或接收到错误信号。,R1C1的时间常数应是1.72个编码时钟周期，R1C1=3.95RTCCTC(R110k，C1400pF)。因而R1C1的值可用来判断接收到的是宽脉冲还是窄脉冲。R2C2的时间常数是33.5个编码时钟周期，R2C2=77RTCCTC(R2100k，C2700pF)。因而R2C2的值应是用来判断接收字的结束和发送的结束。 表103是编解码电路MC145026，MC145027中的电阻电容选择参考。MC145027的静态工作电流约为50A，动态工作电流约为400A。,表103 MC145026，MC145027振荡频率和RC的关系,图1026是MC145026与多个MC145027通讯的示意图。这里89C51的P0口和P1口完全作锁存器用，右下部的两个MC145027与上部的一个线路完全相同，只是本机地址设得各不相同。,图1026 MC145026与多个MC145027通讯的示意图,2. VD5026、VD5027编解码电路 VD5026、VD5027是一对编码解码芯片，它们的工作电压是26V，静态工作电流只有1A，使用的外接元件少，编码、解码芯片各接一个相同的电阻。 VD5026、VD5027是18脚双列直插电路，图1027是它们的引脚图。其中，地址A0A7可以是高电平(1)、低电平(0)、开路(高阻)和第4种状态。第4种状态时，A0不使用，A1A7若与A0短路即为第4种状态。当利用这4种状态来决定地址时，最多可以有 47=214=16K=161024种地址。,VD5026、VD5027的OSC1、OSC2接电阻R后，芯片的振荡器频率f=1600R(kHz)(R为k)。典型值R=80k，f=200kHz。 每个数据位是128个时钟周期，每个字是13位数据，包括8位地址、4位数据、1位校验，一个字的时间是131285s=8.32ms，每个字发出之前有一组同步信号的时间相当于3个数据位，是31285s=1.92ms。每一次发送将包括同步信号的字连续发4次，所以总的一次发送的时间是4(8.32+1.92)=40.96ms。,图1027 VD5026和VD5027引脚图,与MC145026、MC145027相比，VD5026、VD5027的优点是外接元件少，地址位多，可以连接更多的解码器。缺点是通讯速度慢，所需时间大约是MC145026的40倍。 图1028是VD5026与多个VD5027通讯的示意图。这里89C51的P0口和P1口完全作锁存器用，右下部两个VD5027的线路与上面的一个VD5027的线路完全一样，只是本机地址设置得不一样。,图1028 VD5026与多个VD5027通讯的示意图,3. UM3758-108A单片编解码电路 UM3758108A的特点是由输入电平决定芯片是编码还是解码功能。收发两端用的是同一型号芯片，其数据线有8位，一次发码能传送更多的信息。 UM3758108A的工作电压是312V，接收输入高电平最小值4V，低电平最大值2V，其他输入电平UIH=(UDD-0.5)UDD，UIL=0.5V。数据输出电流为10mA，TX 脚输出电流为-40mA或20mA，工作时钟振荡频率f=160kHz。,图1029 UM3758108A引脚图,UM3758108A的工作电压是312V，接收输入高电平最小值4V，低电平最大值2V，其他输入电平UIH=(UDD-0.5)UDD，UIL=0.5V。数据输出电流为10mA，TX 脚输出电流为-40mA或20mA，工作时钟振荡频率f=160kHz。 UM3758108A是24脚双列直插电路，图1029是其引脚图。A1A10是地址输入，D1D8是数据输入或输出，OSC脚外接RC构成系统时钟。T 是发送、接收选择端，T =1，发送；T =0，接收。TX 是编码信号发送输出或是解码接收正确指示。,图1030是用多块UM3758108A进行一发多收串行通讯。这里的89C51只是用其输出口，发送时先将地址和数据锁存，再通过一位锁存输出供给UM3758108A的T 脚高电平。在发送另外一组地址、数据之前，应先将UM3758108A的T 脚变为低电平，停止发送，以免变动地址数据时产生误发。右下部的两个接收UM3758108A与上面的一个线路完全一样，只是设定的本机地址各不相同。,图1030 用多块UM3758108A进行一发多收串行通讯,表104 常用的编码、解码芯片,10.4.2 硬件解码器的实用电路 图1031是一个硬件解码器的实用电路。这里用2块VD5027，它们的A1A7由拨动开关来决定本机地址，最多可以有27个地址，有128台解码器。一块VD5027的A0接高电平，另一块VD5027的A0接低电平，所以地址的最低位决定数据送两块芯片中的哪一块。第一块VD5027的4位数据供变焦镜头与云台控制用，因为经常规定云台和变焦镜头的10个动作不在同一时刻执行，每次只能一个动作有效，,所以在发送端将10个动作编码为4位数据，在接收端又把4位数据由4-16译码器CD4514译码后去控制变焦镜头和电动云台。另一块VD5027的4位数据去控制摄像机电源、雨刷等能同时进行的动作，这里用ULN2803去驱动光耦双向可控硅电路，ULN2803是与MC1413(ULN2003)类似的驱动电路。,图1031 硬件解码器的实用电路,输入部分采用RS485接口芯片75176，所以在控制器发信号的部分，单片机经锁存器给VD5026送地址、数据，VD5026的输出信号通过RS485接口芯片75172或75174输出。 硬件解码器线路简单，抗干扰性能好，实际的使用效果也证明了这一点。在解码器没有其他诸如数据采集、计算等附加功能时，用硬件解码器比单片机解码器效果好。,10.5 控制器和解码器的连接,10.5.1 两种连接方式 控制器与解码器的连接方式通常有星型和总线型两种方式。 1.星型连接 星型连接要求在控制信号的发送端有一个多路输出的串行信号分配驱动装置，它的每一路输出接到一个解码器，如图1032所示。,信号分配可以是控制器的一部分，比如用RS485接口电路。一片75174有4路输出，用4片75174共有16路输出，没有必要做成一个专门的设备。 一般情况下,星型连接控制电缆与视频电缆可以一起敷设，便于施工，所以用得较多。有的电缆厂还生产视频电缆附带两根控制线的一体化电缆，使用起来更加方便。,图1032 控制器和解码器的星型连接,图1033 控制器和解码器的总线型连接,2. 总线型连接 总线型连接是一个控制信号发送端连接到多个解码器，如图1033所示。这时，最好选用较低的串行信号波特率。最远的一个解码器输入阻抗与线路特性阻抗匹配，其余的各个解码器输入设为高阻。因为这样连接控制电缆与视频电缆路径不同，给敷设线缆带来不便，所以较少采用。,在实际使用中，常采用星型连接与总线型连接相结合的方法。在控制器一端，将串行控制信号分配后多路输出。可以各个解码器各接一路输出，对相距不远的解码器也可以并联后接到一路输出上。 当采用光纤传送视频信号时，应在光缆中加做两根控制线，这样可使施工方便。视频信号在场消隐期间不传送有用信息，可以在场消隐期间利用视频电缆传送控制信号，但需要在视频电缆两端附加特殊的叠加与分离装置。这种方法在国内很多厂家获得成功，但终因不方便，未被推广使用。,10.5.2 接口电路的保护 当解码器与控制器相距较远，且现场电磁干扰较严重时，往往会使接口电路突然损坏。 一般可接两个稳压二极管进行保护，另一种更有效的保护器件是TVP。TVP(Transient Voltage Supperssor)也称TVS，是瞬变电压抑制器，外型与普通二极管无异，电路符号与稳压二极管相同，但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率，,当TVP管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度变为低阻抗，吸收一个大电流，从而把它两端的电压钳制在一个预定的电压值，保护后面的电路元件不因瞬态高电压的冲击而损坏。TVP的特性由三组电压、电流值决定。,1.最大转折电压UR UR反映TVP管在反向击穿前的临界状态，即TVP能承受的最大电压。TVP管加上UR后的反向漏电流应小于或等于最大反向漏电流IR。 2.击穿电压UB UB是TVP管中流过测试电流IT时(一般为1mA)，TVP管两端的电压。,3.最大钳位电压UC UC是当TVP管中流过瞬时峰值脉冲电流IPP时，TVP管两端电压升到UC后不再上升，从而实现保护，所以UC是最重要的参数。 箝位因子 Cf=UCUB 瞬时脉冲功率 PM=UCIPP TVP管所能承受的瞬时脉冲指的是不重复的脉冲，脉冲重复率为0.01%，如不符合这一条件，脉冲功率的积累有可能损坏TVP管。,选用TVP管要注意： (1)UC应低于被保护元件的极限电压。75173和75175的输入共模电压最大值、输入差动电压最大值分别是25V、25V。MC3486的输入共模电压最大值、输入差动电压最大值分别是15V、25V。 (2)UR应高于被保护元件的工作电压。75173和75175的输入共模电压推荐操作值、输入差动电压推荐操作值分别是12V、12V。MC3486的输入共模电压推荐操作值、输入差动电压推荐操作值分别是7V、6V。,(3) 瞬时冲击电压是双极性时用双极性管TVPC，或用两个单极性管对接。 图1034是用TVP管保护RS485接口电路免受大功率瞬时冲击的接法。因为一般大功率瞬时冲击电压加在传输线与大地之间，所以TVP管也应接在传输线与大地之间，两端的电阻是线路阻抗匹配电阻。,图1034 用TVP管保护RS485接口电路 免受大功率瞬时冲击,