配网馈线自动化终端无线视频操作装置的研制

齐斌，赵丽萍，张超，张书伟，石洲华

（1．中央司法警官学院，河北保定071000；2．国网张家口供电公司，河北张家口075000）

配网馈线自动化终端无线视频操作装置的研制

齐斌1，赵丽萍2，张超2，张书伟2，石洲华2

（1．中央司法警官学院，河北保定071000；2．国网张家口供电公司，河北张家口075000）

视频操作；无线传输；USB－CMOS传感器；嵌入式系统；图像采集

主要介绍了配网馈线自动化终端无线视频操作装置（以下简称"视频装置"）的研制，包括介绍视频装置的工作原理及硬件电路设计，主要包括USB－COMS视频传感器电路的设计，仪器图像采集与处理系统，无线视频信号的发送、接收与存储，操作手柄的设计、无线遥控开箱的设计。构建了以TMS920C5509芯片的图像采集系统，采用了以F05R为主微功率无线发射模块的无线视频操作装置。研究结果表明，该装置实现了低成本、低功耗、高质量图像采集、高效率的图像检测。

0 引言

电力配网自动化是运用计算机技术、自动控制技术、通信技术等技术手段对配电网进行离线与在线的智能化监控管理，从而保障供电的可靠性。馈线自动化终端是配网自动化设备的一个重要环节，在实际运行中有时候经常需要对馈线自动化终端进行必要的参数调整，而馈线自动化终端安装往往会受到安装高度和周围环境的限制，维修人员需要架梯子爬上线杆，打开控制箱才能操作，有的环境并不允许或没有条件架设梯子，这就给运维带来很大麻烦，为了解决这一突出问题，课题组研发了馈线自动化终端无线视频操作装置，同时将馈线自动化终端控制箱改为无线遥控，这样运维人员就可以不必爬上线杆，在下面就可以操作馈线自动化终端。

1 无线视频操作装置的工作原理

无线视频操作装置由高清摄像头、图像处理模块、图像存储模块、无线发射模块和操作手柄五部分组成。

1．1 工作原理

光源发出的光通过传光束经过仪器主体到达图像目标，探测头将探测部位图像成像在USB－CMOS视频传感器面阵上，由CMOS驱动电路控制CMOS采集图像，输出标准复合视频信号，再由单片机处理单元对图像进行处理，由无线发射模块发射，再由视频接收终端（IPAD或笔记本电脑接收）接收并存储。同时可以根据图像的成像质量好坏来调节探头的照射角度和观察角度并对图像畸变进行实时校正。工作步骤分为：（1）系统加电，仪器开始初始化工作；（2）进行视频信号采集预处理；（3）用户功能选择，拍照、录像、放大、缩小，辅助灯调节等；（4）用户根据需求选择相应的选项；（5）图像处理器按照用户需求工作，无线发射与接收如图1所示。

图1 工作原理图

1．2 高清摄像头的选择

目前还没有通用的高清标准，业界均以广电标准为参考，认为分辨率能够达到1 080i、720p或1 080p的就称之为高清的监控系统，所以高清监控摄相机首先需要满足这个要求，其次，镜头要能够保证进光量和角度，同时还要有合适的焦距和光圈变化来配合感光元器件的成像。其它参数如超宽动态、自动白平衡、自动测光补偿等对一个高清摄像机也很重要。设计中选择了一款200万像素的高清数字摄像头，其特点为：1／2．8英寸的CMOS图像传感器，支持逐行扫描，1 080p 3种可选输出模式，F1．6－F3．5光圈范围，4．7－29 mm物理变焦范围，47°视角范围，调焦方式为自动，宽动态范围，视频输出为YUV422等，完全满足设计要求。Windows系统，包括"微软"最新操作系统VISTA，及支持64位操作系统，支持高速USB3．0接口兼容USB1．1接口，超强感光芯片，针筒式设计。

1．3 图像处理模块的设计

图像处理模块原理图如图2所示。

图2 图像处理模块原理图

工作原理简述：由高清摄像头得到的模拟视频信号送给SAA7111A芯片进行模数转换，通过内部的寄存器的配置实现对色度、亮度的控制等，将处理好的图像信息经过总线送给图像FIFO算法模块，进行图像解析处理然后通过总线送给TMS320C5509中心控制模块，它主要由TMS320C5509芯片及其周边电路组成，是整个仪器的核心，负责对视频模块的初始化、控制、配置和驱动工作，保证各个模块的正常工作和整个系统的正常运转，TMS320C5509芯片将收到的视频信息进行封装，并交由视频传输模块进行处理。本系统采用USB主控器对封装好的视频数据进行处理，以保证更好的匹配性和高速度。

摄像头接口：摄像头是图象来源，采用模拟摄像头，将复合电视信号交给图象处理模块的图象接口。图像A／D和CPLD采用PHILIPS的SAA7111A，来完成图象的A／D变换。图像A／D的输入为摄像头拍摄的模拟信号，输出提取了8比特亮度信号图象数据。采集图象大小尺寸符合CIF格式，为352×288的灰度，并将采集的图像数据输出给DSP。中央处理器DSP采用TMS320C5509来完成，它内部具有256kB的空间供程序和数据使用。外部晶振为16MHz，内部倍频12倍，CPU频率为192MHz。

2 硬件电路设计

2．1 无线发射模块的设计

无线发射模块模块原理图如图3所示。

图3 无线发射模块电气图

F05R无线发射模块的工作原理：FO5R采用工作频率为315MHz，将USB视频传输模块送来的封装视频数据，采用ASK方式调制方式，对视频数据进行调制，由于前端数据已经过封装处理，发射模块未设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q1，这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。发射模块具有较宽的工作电压范围3～12V，当电压变化时发射频率基本不变，和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60mA，空旷地传输距离700～800m，发射功率约500mW。天线选用25cm长的导线。数据信号与发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则发射模块将不能正常工作。数据电平应接近数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。

2．2 操作手柄的设计

操作手柄外观结构示意图如图4所示。

图4 操作手柄

视频操作装置的使用是在野外条件比较复杂的环境下使用的，为了更方便地在现场进行操作和携带，该课题组的设计采用了人性化手柄，将图像采集、图像处理模块、存储模块、发射模块、天线、电池集于一身，操作手柄的方便与否直接涉及到操作过程的稳定与可靠，也直接影响到视频数据的采集与对控制箱面板的操作准确性，因此操作手柄的设计合理与否，关系到整个操作过程的是否快捷准确。

为了检验无线视频操作装置的实用性，2015年10月5日在新增518茶榆线的馈线自动化终端进行调试试验。此次试验分为两组，一组用原来传统方法；二组利用无线视频操作装置进行操作。

第二组图像采集效果，如图5所示，通过视频的截图可以看出，视频操作装置的图像采集与接收效果，完全达到了操作人员需要的键盘图像清晰度，同时也克服了由于手动操作而带来的图像不稳定性，实用效果良好。

图5 无线视频操作装置实际测试效果

截至2015年底，该项研究成果已在保定市区范围内全面推广使用，并于2015年12月获得了国家专利。

3 结论

（1）运用新型屏蔽技术，采用合理的抗干扰措施，设计的以TMS920C5509为核心的USB－COMS图像采集传感器构成嵌入式图像检测系统，能够得到更加清晰的观测图像，克服了操作中抖动而对视频采集的影响，实现了视频制作、图像采集与操作的需要。

（2）将控制箱改为地面遥控开箱，为操作人员在地面开箱和关箱提供了便捷的操作，并由视频操作装置将控制箱里面操作面板的清晰图像，通过无线方式可靠的传递到运维人员的视频接收终端（笔记本或IPDA），这样运维人员就可以在下面根据图像操作馈线自动化终端的面板。解决了运维人员调试馈线自动化终端不方便的实际问题。通过无线视频操作装置，其他运维人员可以通过视频终端对操作者在调试过程中出现的问题及时进行监督和协助，能够做到发现问题及时处理。使得控制箱操作过程能够和管理人员进行实时图像通信，确保了调试安全可靠，并取得良好的效果。

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［3］ 钟磊，韩进．基于FPGA和ARM的图像采集系统设计［J］．电脑知识与技术．2012，（01）．

［4］ 吴作勇，韩新洁，孟宪尧．基于FPGA和ARM的图像采集传输系统［J］．电子元器件应用．2007，（10）．

［5］ 段纪丁，杜爽，钟荣，等．基于FPGA的图像处理系统的设计与实现［J］．中国科技信息．2012，（09）．

［6］ 朱顺安．基于FPGA和ARM的图像处理系统［J］．计算机光盘软件与应用．2012，（14）．

Design of Feed Terminal Wireless Video Operating Device for Electromagnetic Distribution Network

QI Bin1，ZHAO Li－ping2，ZHANG Chao2，ZHANG Shou－wei2，SHI Zhou－hua2

（1．The National Police University for Criminal Justice，Baoding Hebei 071000，China；2．State Grid Zhangjiakou Electric Power Company，Zhangjiakou Hebei 075000，China）

video operation；wireless transmission；USB－CMOS sensor；plugging equipment；image acquisition

The design of feed terminal wireless video operating device for electromagnetic distribution network（hereinafter referred to as video device）was mainly introduced．The research includes the introduction of the function principle and the design of hardware circuit in the video device，and the design mainly includes the design of the USB－COMS video sensor circuit，the image acquisition and process system，the transmission，reception and storage of wireless video signal，the design of operation handle and the open box remote control．The image acquisition system with chip of TMS920C5509was constructed，and the wireless video operation device with F05Ras the micro－power wireless transmitter module was used．The result shows that the low cost and low power consumption but high efficient and much clearer observing image detection have been realized by using the video device．

TM247

A

2095－2716（2016）04－0064－05

2016－04－19

2016－09－14