基于89C51的攝像鏡頭控制電路設(shè)計(jì)
視頻監(jiān)控作為一種遠(yuǎn)程監(jiān)測、監(jiān)控手段，以其信息的豐富性和結(jié)果的直觀性受到諸多行業(yè)的青睞，被廣泛應(yīng)用于自動控制、產(chǎn)品檢測、安全監(jiān)控、信息采集等領(lǐng)域。其基本工作原理是通過攝像機(jī)采集被監(jiān)視對象的圖像信息，并傳送到相應(yīng)的終端設(shè)備和控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。在這些系統(tǒng)中，攝像機(jī)拍攝的圖像質(zhì)量往往是系統(tǒng)應(yīng)用效果的決定性因素，因此必須根據(jù)拍攝現(xiàn)場的條件對攝像機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?
目前，監(jiān)控系統(tǒng)中采用的攝像機(jī)從結(jié)構(gòu)上主要分為兩類，一類是具有內(nèi)置鏡頭的一體化攝像機(jī)，另一類是需要選配鏡頭的獨(dú)立攝像機(jī)。前者結(jié)構(gòu)簡單使用方便，并且具備多種控制功能，允許用戶直接通過相關(guān)設(shè)備遠(yuǎn)端控制各項(xiàng)拍攝參數(shù)(包括光圈大小、快門速度、圖像增益、圖像聚焦、變焦等)，運(yùn)用靈活，但是由于其內(nèi)置鏡頭性能的影響，限制了它的使用范圍，在一些環(huán)境特殊或者拍攝要求較高的場合并不適用。而后一類攝像機(jī)可以根據(jù)拍攝現(xiàn)場的需要選配合適的攝像鏡頭，從而滿足各種拍攝需要，但是對這類攝像機(jī)拍攝參數(shù)的控制相對困難，尤其是對光圈、聚焦、變焦等參數(shù)的調(diào)節(jié)必須通過對鏡頭本身進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)，因此需要額外增加一組攝像鏡頭控制電路來完成這一功能。
本文針對這一問題，討論了三可變攝像鏡頭的控制方式和控制電路設(shè)計(jì)。
2 攝像鏡頭控制原理
攝像機(jī)鏡頭的主要參數(shù)包括：配套攝像機(jī)CCD(Charge Coupled Device電荷耦合器，即攝像機(jī)的光感元件)的大小、焦距、光圈、聚焦方式和接口，其中焦距、光圈和聚焦是在拍攝過程中需要精心調(diào)節(jié)的參數(shù)，尤其是光圈大小的調(diào)節(jié)更是攝像機(jī)適應(yīng)光線變化的根本方法。按照攝像機(jī)鏡頭光圈的調(diào)節(jié)方式，鏡頭主要分為自動光圈和手動光圈兩類。
自動光圈鏡頭根據(jù)驅(qū)動方式的不同分為視頻驅(qū)動和直流驅(qū)動兩種，但是都可以根據(jù)攝像機(jī)成像的亮度，通過鏡頭內(nèi)部電路自動調(diào)節(jié)光圈的大小，從而達(dá)到較好的拍攝效果。這類鏡頭不需要過多的外部控制電路，尤其是視頻驅(qū)動自動光圈鏡頭，僅需要將攝像機(jī)產(chǎn)生的視頻圖像模擬信號接入鏡頭光圈控制端即可。這類鏡頭雖然可以根據(jù)外部光線的情況自動調(diào)節(jié)光圈大小以達(dá)到較好的成像效果，但是由于其調(diào)節(jié)過程對于外部控制器是不開放的，因此在一些需要系統(tǒng)控制器進(jìn)行特殊控制的場合并不完全適用。另外。目前的高清晰工業(yè)攝像機(jī)往往沒有視頻圖像的模擬輸出，因此使用自動光圈鏡頭也存在一些困難。
手動光圈鏡頭分為定焦鏡頭、手動光圈變焦鏡頭和三可變鏡頭。其中，定焦鏡頭和手動光圈鏡頭都需要通過手工調(diào)節(jié)鏡頭的光圈、聚焦等參數(shù)實(shí)現(xiàn)鏡頭的調(diào)節(jié)，因此對于自動工作的系統(tǒng)適應(yīng)性較差。三可變鏡頭可以通過鏡頭內(nèi)部電機(jī)進(jìn)行光圈、變焦、聚焦的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鏡頭參數(shù)的完全電可控，便于自動控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)端監(jiān)控根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要用程序調(diào)節(jié)鏡頭的拍攝參數(shù)．以滿足特定的拍攝要求。本文主要針對這一類鏡頭，并以Computar的H6Z0812M型TV ZOOM LENS三可變鏡頭為例討論其控制電路的設(shè)計(jì)。此鏡頭的控制主要通過在三對控制信號線上加載+8 V～+12 V或-8 V～12 V電源實(shí)現(xiàn)。這三對控制信號線分別對應(yīng)光圈、變焦、聚焦參數(shù)的調(diào)節(jié)，而每對控制信號的電源極性和存在時間長短決定了參數(shù)變化的方向和變化量的大小。例如：在光圈控制端輸入+12 V電源則光圈變大，通電時間越長光圈開的越大：反之，輸入-12 V電源則光圈變小。通電時間越長則光圈變得越小。本文所討論的鏡頭控制電路主要按照系統(tǒng)終端或計(jì)算機(jī)的控制指令，為三可變鏡頭的三個輸入端提供具有精確脈沖寬度、正確極性和合適幅度的控制電壓信號，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制器對鏡頭參數(shù)的完全控制。
3 三可變鏡頭控制電路設(shè)計(jì)
根據(jù)前面的介紹，可以確定三可變鏡頭的控制電路完成控制功能需要三個步驟：1)與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收控制指令；2)解析控制指令的內(nèi)容，生成基本控制信號；3)控制功率電路產(chǎn)生鏡頭控制所需的控制信號。由于需要完成數(shù)據(jù)通訊和指令解析的功能，本文選擇具有串行通信接口的51系列單片機(jī)89C51為核心設(shè)計(jì)鏡頭的控制電路。電路與上述三個步驟的工作相對應(yīng)，分為串行通信電路、中心控制電路、執(zhí)行電路三個部分。
3.1 串行通信電路
89C51單片機(jī)的串行接口采用了TTL電平方式，即2.4 V以上代表數(shù)字1，0.45 V以下代表數(shù)字0，而一般的標(biāo)準(zhǔn)串行通信標(biāo)準(zhǔn)RS232則用大于+2V的電壓表示數(shù)字0，用小于-2 V的電壓表示數(shù)字1。因此，89C51與控制計(jì)算機(jī)之間的串行通信接口必須經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)化。一般的方法是采用專用器件(如MAX232等)完成這一轉(zhuǎn)換，但是需要額外提供一組±12 V電源，不利于設(shè)備的安全，另外由于電路只需要接收串行信息，因此本設(shè)計(jì)采用如圖1所示的電路完成電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)串行通信。
當(dāng)RS232傳送數(shù)字“0”時，TXD和GND之間出現(xiàn)一個大于+2 V的電壓，光電耦合器TLP521一次側(cè)發(fā)光，二次側(cè)導(dǎo)通，輸出低電平，對應(yīng)TTL邏輯“0”；當(dāng)RS232傳送數(shù)字“1”時，TXD和GND之間出現(xiàn)一個小于-2 V的電壓，光電耦合器TLP521一次側(cè)不發(fā)光，二次側(cè)不導(dǎo)通，輸出高電平，對應(yīng)TTL邏輯“1”，從而完成了電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了串行數(shù)據(jù)的接收。這一電路不需要額外提供±12V電源，而且能夠避免控制計(jì)算機(jī)與鏡頭控制電路的直接電氣連接，對于野外應(yīng)用具有更高的安全性。
3.2 執(zhí)行電路設(shè)計(jì)
此部分的硬件設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)三可變鏡頭控制
電路中雙刀雙擲繼電器S1用于進(jìn)行電源極性的變換，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)變化方向的選擇。當(dāng)S1線包不通電時，AB端輸出+12 V電壓，控制光圈變大；當(dāng)S1線包通電時，AB端輸出-12 V電壓，控制光圈縮小，完成控制參數(shù)變化方向的轉(zhuǎn)換。
參數(shù)變化數(shù)值的控制通過控制驅(qū)動電壓的存在時間來實(shí)現(xiàn)。但是繼電器機(jī)械動作的持續(xù)性使它難以實(shí)現(xiàn)精確的通斷時間控制，其誤差一般在10ms以上，因此在本電路中采用MOSFET作為電子開關(guān)，實(shí)現(xiàn)通斷時間的精確控制，誤差小于0.1 ms。常態(tài)下MOSFET截止，輸出端A、B無電流，光圈不動作。在需要擴(kuò)大光圈時，S1線包不通電，A端接+12 V，B端通過MOSFET接地，然后51單片機(jī)發(fā)出控制信號，使MOSFET導(dǎo)通，輸出A、B端形成電流回路，驅(qū)動光圈擴(kuò)大；在需要縮小光圈時，S1線包通電，B端接+12 V，A端通過MOSFET接地，然后51單片機(jī)發(fā)出控制信號，使MOSFET導(dǎo)通，輸出A、B端形成電流回路，驅(qū)動光圈縮小。這一電路結(jié)構(gòu)和工作方式不僅實(shí)現(xiàn)了動作時間的精確控制，還可有效地避免電路因帶電切換而造成的打火現(xiàn)象，提高了繼電器的工作壽命，減少了干擾。
此外，電路中的光電耦合器OP1主要用于隔離和變換51單片機(jī)的+5 V電源電壓和鏡頭動作的+12 V驅(qū)動電壓；三極管T1用來控制對繼電器S1線包的供電。
3.3 中心控制電路及軟件設(shè)計(jì)
中心控制電路如圖3所示。鏡頭控制模塊的控制核心是89C51。主要實(shí)現(xiàn)接收控制指令、解析控制指令和執(zhí)行控制指令三項(xiàng)功能。軟件采用51系列單片機(jī)的匯編語言編寫。主要是看重使用匯編語言具有執(zhí)行速度快?？删_掌握動作時間，所占內(nèi)存小等方面的優(yōu)勢。
PC與89C51之間采用異步串行通訊方式。數(shù)據(jù)位最多可為8位，定義為動作類型和動作時間兩部分。用數(shù)據(jù)位前3位表示6種動作狀態(tài)，包括光圈擴(kuò)大、光圈縮小、圖像放大、圖像縮小、焦距變大和焦距變小。數(shù)據(jù)位后5位表示動作時間，一共可以表示32種不同動作時間。根據(jù)軟件要實(shí)現(xiàn)的三項(xiàng)功能，程序首先進(jìn)行初始化。89C52的兩個定時／計(jì)數(shù)器分別用作波特率設(shè)定和動作時間計(jì)時。通過對工作方式控制寄存器TMOD的設(shè)置就可完成對兩個定時／計(jì)數(shù)器工作模式的定義。定時／計(jì)數(shù)器1采用工作方式2，用于定義波特率。定時／計(jì)數(shù)器0采用工作方式1，用于鏡頭動作時間控制。
然后是指令的處理部分。通過“邏輯與ANL”運(yùn)算將指令分解為動作類型和動作時間兩部分。利用比較轉(zhuǎn)移指令CJNE進(jìn)行動作類型篩選，通過對工作寄存器組中R1、R2的賦值完成對引腳的設(shè)置： 
采用中斷方式進(jìn)行引腳輸出。由于在帶電狀態(tài)下變換雙刀雙擲開關(guān)的狀態(tài)可能會“打火”，為避免這種情況，在對R1，R2賦值時要實(shí)現(xiàn)雙刀雙擲繼電器先進(jìn)行動作變換，后通電。兩步動作的間隔為10ms。而動作時間以10 ms為步長。根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的指令協(xié)議可以控制動作時間的范圍在0 ms～320 ms之間，可滿足本模塊需求。
4 結(jié)束語
通過對本電路軟硬件的改進(jìn)和調(diào)試，獲得了預(yù)期的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了對鏡頭的定性定量控制。電路的控制特性曲線如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)表示參數(shù)的變化步長，單位為10 ms；縱坐標(biāo)表示參數(shù)最大變化范圍所需的驅(qū)動級數(shù)。
本控制電路結(jié)構(gòu)簡單，控制可靠，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了智能終端設(shè)備對拍攝參數(shù)的完全控制。例如終端可以在圖像平均亮度較高的情況下擴(kuò)大攝像鏡頭的光圈，以使局部陰影中的影像更清晰。具體的控制方式可根據(jù)實(shí)際需要定制。
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