基于ATmega64云臺(tái)板卡測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)

0引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加快，中國(guó)安防產(chǎn)業(yè)盡管起步比較晚，但是發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍逐年擴(kuò)大；云臺(tái)是安防行業(yè)的一種最典型產(chǎn)品，是安裝、固定攝像機(jī)的設(shè)備,分為固定云臺(tái)和電動(dòng)云臺(tái)兩種。固定云臺(tái)是指安裝好攝像機(jī)后，調(diào)整好水平和俯仰的角度，達(dá)到理想的工作狀態(tài)后，鎖定調(diào)整機(jī)構(gòu)的一種裝置，適合于監(jiān)控區(qū)域范圍不大的情況。
電動(dòng)云臺(tái)是指由板卡集成控制電路、外部機(jī)械結(jié)構(gòu)、水平和垂直方向兩個(gè)交流電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)共三大部分組成，可以做水平和垂直運(yùn)動(dòng)的安裝平臺(tái)，它可以擴(kuò)大攝像機(jī)的監(jiān)視范圍，適用于大范圍掃描監(jiān)視系統(tǒng)。該安裝平臺(tái)的工作原理是由微控制器組成的集成電路，利用固化于集成電路內(nèi)部存儲(chǔ)器 flash的應(yīng)用程序或者通過(guò) RS485端口接受來(lái)自外部鍵盤(pán)輸入指令，控制集成電路上的繼電器開(kāi)合，從而指揮負(fù)責(zé)云臺(tái)上下和左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，即當(dāng)控制電路發(fā)出上、下動(dòng)作電壓時(shí)，垂直電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速箱帶動(dòng)垂直傳動(dòng)輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，或者當(dāng)控制電路發(fā)出左、右動(dòng)作電壓時(shí)，水平電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并經(jīng)減速箱帶動(dòng)云臺(tái)底部的水平齒輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至當(dāng)控制電路發(fā)出三維空間精確定位信號(hào)給水平和垂直電機(jī)，水平和垂直電機(jī)同時(shí)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪，傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)安裝在云臺(tái)護(hù)罩中的攝像機(jī)做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到云臺(tái)上的攝像機(jī)自動(dòng)掃描監(jiān)視區(qū)域的目的。集成控制電路也可以接受來(lái)自遠(yuǎn)程監(jiān)控中心值班人員操作鍵盤(pán)的中斷控制命令，指揮云臺(tái)跟蹤監(jiān)視對(duì)象和驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)的變倍、聚焦、光圈的動(dòng)作。根據(jù)電動(dòng)云臺(tái)的工作電壓不同，一般分為交流 24V、交流 220V及直流 24V三種。本文重點(diǎn)討論的是以 ATmega64單片機(jī)為控制器，工作電壓為交流 24V的電動(dòng)云臺(tái)板卡自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

1.云臺(tái)板卡的原理
1.1 ATmega64的功能特性 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微處理器 [5] ，它具有如下特點(diǎn)：

1）先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)，130條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期；32個(gè) 8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作于 16 MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS，只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器
2）非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，64K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫(xiě)壽命為 10000次；具有獨(dú)立鎖定位的可選 Boot代碼區(qū)，通過(guò)片上 Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時(shí)讀寫(xiě)操作；2K字節(jié)的EEPROM，擦寫(xiě)壽命為 100000次；4K字節(jié)片內(nèi)SRAM；64K字節(jié)可選外部存儲(chǔ)空間；可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密；通過(guò)SPI 接口進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)編程
3)JTAG接口(與 IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容),符合 JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能;支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能;通過(guò)JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程 
4)外設(shè)特點(diǎn)。兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器;兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的擴(kuò)展16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器;具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC;兩路8位PWM 通道;6路編程分辨率從1到16位可變的PWM通道;8路10位ADC;8 個(gè)單端通道;7個(gè)差分通道;2個(gè)具有可編程增益（1x,10x,或200x）的差分通道;面向字節(jié)的兩線接口;可編程的串行USART;可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口;具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器;片內(nèi)模擬比較器
5)特殊的處理器特點(diǎn)。上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè);片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的 RC振蕩器;片內(nèi)/片外中斷源;6種睡眠模式:空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴(kuò)展的 Standby模式;軟件選擇時(shí)鐘頻率;熔絲位選擇的 ATmega103兼容模式;全局上拉禁止
6) I/O 和封裝。53個(gè)可編程的I/O口;64引腳TQFP封裝,與64引腳MLF封裝 
7）工作電壓和速度等級(jí)。工作電壓：4.5 - 5.5V  速度等級(jí)：0 - 16 MHz

1.2云臺(tái)板卡的工作原理
云臺(tái)的核心部件是云臺(tái)的微控制器集成電路，根據(jù)云臺(tái)的特性不同，集成電路的控制器可以選擇不同類型的單片機(jī)、DSP、ARM等控制芯片[4]，本文討論以 ATmega64單片機(jī)為微控制器組成的云臺(tái)控制集成電路，該控制電路的四大基本功能為：
1)RS485通信功能：通過(guò) RS485接受來(lái)自外部鍵盤(pán)的控制命令，以及利用 RS485發(fā)送控制攝像機(jī)動(dòng)作的控制命令
2)攝像機(jī)功能：根據(jù)不同攝像機(jī)的控制命令格式，通過(guò) RS485發(fā)送控制命令給攝像機(jī),驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行變倍大小、聚焦遠(yuǎn)近、光圈大小等動(dòng)作
一 )電機(jī)控制功能：通過(guò)集成電路控制四個(gè)繼電器的開(kāi)合，完成對(duì)水平和垂直兩個(gè)電機(jī)的左右轉(zhuǎn)動(dòng)控制
一 )高級(jí)功能：預(yù)置位、巡航、線掃、守望四種基本高級(jí)功能

云臺(tái)控制電路的工作流程是參考云臺(tái)控制協(xié)議（PECOL D，PECOL P，行業(yè) V0.0，行業(yè) V1.0），設(shè)定地址撥碼和協(xié)議撥碼，正確連接外部輸入控制命令的控制設(shè)備（鍵盤(pán)），在正確的云臺(tái)控制協(xié)議下，微處理器通過(guò) RS485通信接受控制設(shè)備的輸入命令，分析和判斷后，發(fā)生響應(yīng)；其響應(yīng)主要有： 1）利用 RS485通信驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)動(dòng)作。2）電路繼電器 ULN2803控制水平電機(jī)和垂直電機(jī)的相應(yīng)動(dòng)作。3）以上二者同時(shí)動(dòng)作。云臺(tái)板卡控制集成電路原理圖如圖 1所示。
500)this.style.width=500;" border="0" />

 [!--empirenews.page--]2自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)
2.1云臺(tái)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的硬件原理
云臺(tái)板卡的功能多而繁雜，產(chǎn)品的功能測(cè)試項(xiàng)目多，通常測(cè)試手段是將云臺(tái)板卡組裝成整機(jī)，利用外部鍵盤(pán)輸入云臺(tái)控制命令，通過(guò)操作人員主觀判斷其功能的良好情況。針對(duì)通常測(cè)試模式費(fèi)時(shí)、效率低等特點(diǎn)，云臺(tái)板卡自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的目標(biāo)是進(jìn)行“啟動(dòng)”一鍵操作，平臺(tái)即可自動(dòng)測(cè)試云臺(tái)板卡控制電路的四大模塊功能,并利用LED燈動(dòng)態(tài)顯示測(cè)試的結(jié)果 [1]。自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的基本思路為：以 ATmega64微處理器為控制中心組成自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)硬件電路，選擇相對(duì)應(yīng)的云臺(tái)通信協(xié)議，利用 RS485對(duì)被測(cè)試對(duì)象（云臺(tái)板卡）發(fā)送云臺(tái)動(dòng)作控制信息，設(shè)定動(dòng)作運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到時(shí)間后通過(guò)光耦或者 75LBC184收集云臺(tái)動(dòng)作的反饋信息，判斷云臺(tái)板卡反饋的控制命令是否正常，達(dá)到云臺(tái)功能測(cè)試的目的,四大功能測(cè)試均用 LED燈動(dòng)態(tài)跟蹤顯示：紅色代表功能的不良，綠色代表功能良。自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)原理圖如圖2所示。
500)this.style.width=500;" border="0" />

2.2云臺(tái)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)
自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的功能是對(duì)云臺(tái)板卡進(jìn)行黑盒測(cè)試，檢測(cè)云臺(tái)板卡集成控制電路的四大模塊功能---RS485功能、攝像機(jī)功能、電機(jī)控制功能、高級(jí)功能。測(cè)試平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)的思路為：通過(guò) RS485通信將云臺(tái)動(dòng)作命令發(fā)送給被測(cè)試板卡，測(cè)試平臺(tái)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)采集被測(cè)試板卡的響應(yīng)信息，測(cè)試平臺(tái)微處理器將采集信息與正常的響應(yīng)信息進(jìn)行對(duì)比，給出相應(yīng)判斷結(jié)果，用 LED動(dòng)態(tài)顯示測(cè)試結(jié)果。其中當(dāng)被測(cè)試板卡的 RS485功能不良時(shí),對(duì)于板卡的測(cè)試無(wú)法進(jìn)行，測(cè)試平臺(tái)將判定該板卡不良。但是四個(gè)功能模塊的另外三個(gè)模塊功能相對(duì)獨(dú)立，互不影響，因此自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)在 RS485功能良好前提下，剩余三大功能均一次測(cè)試完成 [3]。
自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)是利用高級(jí) C語(yǔ)言在 ICCAVR6.20開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)所有的測(cè)試功能流程，其流程圖如圖 3所示. 

500)this.style.width=500;" border="0" /> 

3.結(jié)論
針對(duì)云臺(tái)板卡集成控制電路組裝成云臺(tái)整機(jī)，利用外部鍵盤(pán)人為操作檢測(cè)其功能，速度慢、效率低、人為參與因素過(guò)多影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性等弊病，設(shè)計(jì)了一套以ATmega64為微處理器的自動(dòng)化云臺(tái)板卡測(cè)試平臺(tái),完成對(duì)以 ATmega64為控制微處理器的云臺(tái)自動(dòng)化測(cè)試,解決了企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,云臺(tái)板卡測(cè)試不正確和效率低的難題;經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證，該自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)具有很好的應(yīng)用效果，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率.
創(chuàng)新點(diǎn)：采用 8位 ATmega64單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，用于檢測(cè)云臺(tái)板卡。該測(cè)試平臺(tái)具有操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。