基于C8051F005单片机的多功能镜头控制器设计

吕瑞云,周 磊,赵艳丽

河南中光学集团研发中心,河南南阳 473006

视频监控系统主要由前端设备、后端设备、通信传输系统等组成。其中前端设备包括一台或多台摄像机以及与之配套的镜头、云台、解码器等；传输部分包括电缆或光缆，以及可能的有线/无线信号调制解调设备；控制部分主要包括视频切换器、云台控制器、镜头控制器、操作键盘、种类控制通信接口、电源和与之配套的控制台、监视器机柜等；显示记录设备主要包括监视器、硬盘录像机、画面分割器等。镜头控制部分的主要功能是对镜头的变焦、聚焦、光圈进行控制。

1 系统硬件设计

多功能镜头控制器通过串行通信方式接收上位机的控制命令，对电动三可变镜头的变焦、聚焦、光圈电机进行控制，单片机输出脉宽可连续可调的PWM信号送给电机驱动芯片，达到控制电机速度的连续可调。变焦电位器输出连接到单片机的模拟输入端AIN，经过A/D转换后，将模拟量转换为数字量，然后通过串口将焦距值传送给上位机。

多功能镜头控制器主要由电源电路、通讯电路、温度采集电路、光学预置位电路、开关量控制电路、镜头控制电路等六部分组成。

1.1 单片机C8051F005介绍

C8051F系列单片机是Cygnal公司出品的高速单片机，它既弥补了80C51系列的不足，又与MCS-51指令集兼容。C8051F000系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核，它在单片内集成了12位8通道ADC、片内JTAG在系统调试接口、可编程增益放大器、DAC、电压比较器、UART、定时器、可编程计数器/定时器阵列（PCA）、内部振荡器、看门狗定时器等。这些外设的高集成度为设计低功耗、小体积、高性能、高可靠性的单片机应用系统提供了极大的方便，同时也大大降低了系统的成本。

1.2 电源电路

为确保数字化监控系统的高可靠性，本镜头控制器采用4组电源，它们之间互相独立且不共地。其中12 V为继电器、摄像机及红外热像仪提供电源，+5 V分别用于串口收发芯片、电机驱动芯片等，3.3VD为单片机提供数字电源，3.3VA为单片机提供模拟电源。各部分电源互相独立且不共地，大大提高了系统的可靠性。

1.3 通讯电路

系统采用RS-485串行通信协议与主机进行通信，RS-485串行通讯总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具很强的抗共模干扰能力。通讯电路由单片机的UART串口、光耦、串口收发器等组成。光耦采用双通道的芯片HCPL-2630，其速度可达10MBit/s。串口收发器采用TI公司的低功耗全双工RS-485收发器芯片SN65HVD53，该收发器可在多种工作速率下实现交流性能，在RS-485总线上可支持256个器件。并具有15KV以上的ESD保护功能，能够为RS-485及RS-422应用提供强大可靠的接口。SN65HVD53工作在全双工模式，一方面，接收主机发送的命令，包括地址、控制命令、光学预置位数据等；另一方面，还将当前焦距值、温度值等数据回送给主机。本系统具有远程赋地址、查地址功能，最多可同时挂接256个镜头控制器。

1.4 温度采集电路

温度采集电路主要由单片机和DS18B20 数字温度传感器构成。DS18B20是DALLAS 公司生产的新一代温度传感器，它可直接将测得的结果以串行数字信号输出给单片机，由于片内ROM 中有唯一的64 位序列号做为地址，所以可以将多片DS18B20以总线的方式连接在一条线上，同时进行多点测温，并将多个温度值通过串口上传给上位机。

DS18B20 的测温范围为-55℃～125℃，温度转换时间93ms～750 ms 。

1.5 光学预置位电路

光学预置位电路由变焦电机、变焦电位器、A/D转换器等组成。当接收到上位机的预置位数据后，将预置位数据与当前焦距值进行比较，控制变焦电机向正确方向转动。电机转动过程中，变焦电位器的阻值随电机转动而变化，将电阻值转换为电压值后，再经过A/D转换器转换为数字量，并与接收到的预置位数据进行比较。当该数字量达到预置位数据后，变焦电机停止转动，并将当前数据通过串口上传给上位机。

该电路实现了变焦镜头的光学预置位，减轻了上位机软件的工作量，并且不影响图像质量，还能兼容各种变焦镜头，使光学预置位的实现更加简单、迅速，提高了可靠性及准确度。结构简单，可靠性和准确度高，能够迅速准确地达到设置时的光学位置。

1.6 开关量控制电路

开关量控制电路由继电器组成。设有两路报警输入通道，可外接标准报警传感器，主机用索取报警状态命令可获知报警状态。系统提供2路继电器常开触点，用于开关量输出控制，可控制摄像机、红外热像仪等设备的电源开、关，使用的继电器是密封继电器，具有较高的环境适应性，其触点具有2A/28VDC切换能力。

1.7 镜头控制电路

镜头控制电路由三组电机驱动芯片、电动三可变镜头的三组电机等组成，当接收到上位机的控制命令后，根据命令字响应控制变焦+/-、聚焦+/-、光圈+/-等命令。其中，变焦、聚焦分别为PWM控制，可根据使用情况对其进行无级调速，以便在不同的视场观察到清晰的图像。当接收到停止命令后，电机停止转动，并将当前数据通过串口上传给上位机。

2 系统软件设计

系统的软件主要有两部分组成，一部分是C8051F005单片机与主机的通信软件，另一部分是实现对镜头、输入输出报警的控制软件。

C8051F005单片机的UART可提供四种工作方式（一种同步方式，三种异步方式），可以通过设置SCON寄存器中的配置位来选择其工作方式。这四种方式提供不同的波特率和通信协议。本系统选用的是方式1：即8位UART、可变波特率。方式1提供标准的异步、全双工通信。方式1的波特率是定时器溢出周期的函数。UART可以使用定时器1工作在8位自动重装载方式产生波特率，或使用定时器2工作在波特率发生器方式产生波特率。本系统选用的是用定时器T2作为波特率发生器，波特率=T2溢出率/16。

单片机采用串口中断方式进行接收。系统首先判断主机发送的控制协议字头、地址码是否与本解码器相同，若相同则接收控制命令并执行相应动作。3 结论

多功能镜头控制器已广泛应用于边海防视频监控系统、机场防卫系统、车载转台系统等200余套产品中。实践表明，本系统软硬件设计合理、成本低、可靠性高，值得推广使用。

由本人设计的多功能镜头控制系统、变焦镜头光学预置位装置分别获得实用新型专利，专利号分别为：200920091218、200920091221。

[1]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程.北京：北京航空航天大学出版社，2005，1.