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1 概述 視頻監控作為一種遠程監測、監控手段，以其信息的豐富性和結果的直觀(guān)性受到諸多行業(yè)的青睞，被廣泛應用于自動(dòng)控制、產(chǎn)品檢測、安全監控、信息采集等領(lǐng)域。其基本工作原理是通過(guò)攝像機采集被監視對象的圖像信息，并傳送到相應的終端設備和控制設備，實(shí)現監控功能。在這些系統中，攝像機拍攝的圖像質(zhì)量往往是系統應用效果的決定性因素，因此必須根據拍攝現場(chǎng)的條件對攝像機進(jìn)行適當的控制。 目前，監控系統中采用的攝像機從結構上主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是具有內置鏡頭的一體化攝像機，另一類(lèi)是需要選配鏡頭的獨立攝像機。前者結構簡(jiǎn)單使用方便，并且具備多種控制功能，允許用戶(hù)直接通過(guò)相關(guān)設備遠端控制各項拍攝參數(包括光圈大小、快門(mén)速度、圖像增益、圖像聚焦、變焦等)，運用靈活，但是由于其內置鏡頭性能的影響，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(chǎng)合并不適用。而后一類(lèi)攝像機可以根據拍攝現場(chǎng)的需要選配合適的攝像鏡頭，從而滿(mǎn)足各種拍攝需要，但是對這類(lèi)攝像機拍攝參數的控制相對困難，尤其是對光圈、聚焦、變焦等參數的調節必須通過(guò)對鏡頭本身進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現，因此需要額外增加一組攝像鏡頭控制電路來(lái)完成這一功能。 本文針對這一問(wèn)題，討論了三可變攝像鏡頭的控制方式和控制電路設計。 2 攝像鏡頭控制原理 攝像機鏡頭的主要參數包括：配套攝像機CCD(Charge Coupled Device電荷耦合器，即攝像機的光感元件)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(guò)程中需要精心調節的參數，尤其是光圈大小的調節更是攝像機適應光線(xiàn)變化的根本方法。按照攝像機鏡頭光圈的調節方式，鏡頭主要分為自動(dòng)光圈和手動(dòng)光圈兩類(lèi)。 自動(dòng)光圈鏡頭根據驅動(dòng)方式的不同分為視頻驅動(dòng)和直流驅動(dòng)兩種，但是都可以根據攝像機成像的亮度，通過(guò)鏡頭內部電路自動(dòng)調節光圈的大小，從而達到較好的拍攝效果。這類(lèi)鏡頭不需要過(guò)多的外部控制電路，尤其是視頻驅動(dòng)自動(dòng)光圈鏡頭，僅需要將攝像機產(chǎn)生的視頻圖像模擬信號接入鏡頭光圈控制端即可。這類(lèi)鏡頭雖然可以根據外部光線(xiàn)的情況自動(dòng)調節光圈大小以達到較好的成像效果，但是由于其調節過(guò)程對于外部控制器是不開(kāi)放的，因此在一些需要系統控制器進(jìn)行特殊控制的場(chǎng)合并不完全適用。另外。目前的高清晰工業(yè)攝像機往往沒(méi)有視頻圖像的模擬輸出，因此使用自動(dòng)光圈鏡頭也存在一些困難。 手動(dòng)光圈鏡頭分為定焦鏡頭、手動(dòng)光圈變焦鏡頭和三可變鏡頭。其中，定焦鏡頭和手動(dòng)光圈鏡頭都需要通過(guò)手工調節鏡頭的光圈、聚焦等參數實(shí)現鏡頭的調節，因此對于自動(dòng)工作的系統適應性較差。三可變鏡頭可以通過(guò)鏡頭內部電機進(jìn)行光圈、變焦、聚焦的調節，實(shí)現鏡頭參數的完全電可控，便于自動(dòng)控制系統和遠端監控根據實(shí)際應用需要用程序調節鏡頭的拍攝參數．以滿(mǎn)足特定的拍攝要求。本文主要針對這一類(lèi)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計。此鏡頭的控制主要通過(guò)在三對控制信號線(xiàn)上加載+8 V～+12 V或-8 V～12 V電源實(shí)現。這三對控制信號線(xiàn)分別對應光圈、變焦、聚焦參數的調節，而每對控制信號的電源極性和存在時(shí)間長(cháng)短決定了參數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(shí)間越長(cháng)光圈開(kāi)的越大：反之，輸入-12 V電源則光圈變小。通電時(shí)間越長(cháng)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終端或計算機的控制指令，為三可變鏡頭的三個(gè)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)現系統控制器對鏡頭參數的完全控制。 3 三可變鏡頭控制電路設計 根據前面的介紹，可以確定三可變鏡頭的控制電路完成控制功能需要三個(gè)步驟：1)與控制計算機進(jìn)行通信，接收控制指令；2)解析控制指令的內容，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。由于需要完成數據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89C51為核心設計鏡頭的控制電路。電路與上述三個(gè)步驟的工作相對應，分為串行通信電路、中心控制電路、執行電路三個(gè)部分。 3.1 串行通信電路 89C51單片機的串行接口采用了TTL電平方式，即2.4 V以上代表數字1，0.45 V以下代表數字0，而一般的標準串行通信標準RS232則用大于+2V的電壓表示數字0，用小于-2 V的電壓表示數字1。因此，89C51與控制計算機之間的串行通信接口必須經(jīng)過(guò)電壓轉化。一般的方法是采用專(zhuān)用器件(如MAX232等)完成這一轉換，但是需要額外提供一組±12 V電源，不利于設備的安全，另外由于電路只需要接收串行信息，因此本設計采用如圖1所示的電路完成電平轉換，實(shí)現串行通信。 當RS232傳送數字“0”時(shí)，TXD和GND之間出現一個(gè)大于+2 V的電壓，光電耦合器TLP521一次側發(fā)光，二次側導通，輸出低電平，對應TTL邏輯“0”；當RS232傳送數字“1”時(shí)，TXD和GND之間出現一個(gè)小于-2 V的電壓，光電耦合器TLP521一次側不發(fā)光，二次側不導通，輸出高電平，對應TTL邏輯“1”，從而完成了電平轉換，實(shí)現了串行數據的接收。這一電路不需要額外提供±12V電源，而且能夠避免控制計算機與鏡頭控制電路的直接電氣連接，對于野外應用具有更高的安全性。 3.2 執行電路設計 此部分的硬件設計主要是實(shí)現三可變鏡頭控制信號的輸出。圖2所示為鏡頭光圈的控制電路。聚焦和變焦的控制電路與之完全相同。 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)現控制參數變化方向的選擇。當S1線(xiàn)包不通電時(shí)，AB端輸出+12 V電壓，控制光圈變大；當S1線(xiàn)包通電時(shí)，AB端輸出-12 V電壓，控制光圈縮小，完成控制參數變化方向的轉換。 參數變化數值的控制通過(guò)控制驅動(dòng)電壓的存在時(shí)間來(lái)實(shí)現。但是繼電器機械動(dòng)作的持續性使它難以實(shí)現精確的通斷時(shí)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(kāi)關(guān)，實(shí)現通斷時(shí)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(wú)電流，光圈不動(dòng)作。在需要擴大光圈時(shí)，S1線(xiàn)包不通電，A端接+12 V，B端通過(guò)MOSFET接地，然后51單片機發(fā)出控制信號，使MOSFET導通，輸出A、B端形成電流回路，驅動(dòng)光圈擴大；在需要縮小光圈時(shí)，S1線(xiàn)包通電，B端接+12 V，A端通過(guò)MOSFET接地，然后51單片機發(fā)出控制信號，使MOSFET導通，輸出A、B端形成電流回路，驅動(dòng)光圈縮小。這一電路結構和工作方式不僅實(shí)現了動(dòng)作時(shí)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單片機的+5 V電源電壓和鏡頭動(dòng)作的+12 V驅動(dòng)電壓；三極管T1用來(lái)控制對繼電器S1線(xiàn)包的供電。 3.3 中心控制電路及軟件設計 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)現接收控制指令、解析控制指令和執行控制指令三項功能。軟件采用51系列單片機的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。主要是看重使用匯編語(yǔ)言具有執行速度快�？删_掌握動(dòng)作時(shí)間，所占內存小等方面的優(yōu)勢。 PC與89C51之間采用異步串行通訊方式。數據位最多可為8位，定義為動(dòng)作類(lèi)型和動(dòng)作時(shí)間兩部分。用數據位前3位表示6種動(dòng)作狀態(tài)，包括光圈擴大、光圈縮小、圖像放大、圖像縮小、焦距變大和焦距變小。數據位后5位表示動(dòng)作時(shí)間，一共可以表示32種不同動(dòng)作時(shí)間。根據軟件要實(shí)現的三項功能，程序首先進(jìn)行初始化。89C52的兩個(gè)定時(shí)／計數器分別用作波特率設定和動(dòng)作時(shí)間計時(shí)。通過(guò)對工作方式控制寄存器TMOD的設置就可完成對兩個(gè)定時(shí)／計數器工作模式的定義。定時(shí)／計數器1采用工作方式2，用于定義波特率。定時(shí)／計數器0采用工作方式1，用于鏡頭動(dòng)作時(shí)間控制。 然后是指令的處理部分。通過(guò)“邏輯與ANL”運算將指令分解為動(dòng)作類(lèi)型和動(dòng)作時(shí)間兩部分。利用比較轉移指令CJNE進(jìn)行動(dòng)作類(lèi)型篩選，通過(guò)對工作寄存器組中R1、R2的賦值完成對引腳的設置： 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(kāi)關(guān)的狀態(tài)可能會(huì )“打火”，為避免這種情況，在對R1，R2賦值時(shí)要實(shí)現雙刀雙擲繼電器先進(jìn)行動(dòng)作變換，后通電。兩步動(dòng)作的間隔為10ms。而動(dòng)作時(shí)間以10 ms為步長(cháng)。根據預先設計的指令協(xié)議可以控制動(dòng)作時(shí)間的范圍在0 ms～320 ms之間，可滿(mǎn)足本模塊需求。 4 結束語(yǔ) 通過(guò)對本電路軟硬件的改進(jìn)和調試，獲得了預期的應用效果，實(shí)現了對鏡頭的定性定量控制。電路的控制特性曲線(xiàn)如圖4所示，圖中橫坐標表示參數的變化步長(cháng)，單位為10 ms；縱坐標表示參數最大變化范圍所需的驅動(dòng)級數。 本控制電路結構簡(jiǎn)單，控制可靠，環(huán)境適應性強，實(shí)現了智能終端設備對拍攝參數的完全控制。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實(shí)際需要定制。 |
