一种高速球型摄像机云台的控制装置

摘要

本发明是一种高速球型摄像机云台的控制装置，包括水平方向初始位置检测、水平和垂直方向步进电机驱动器、垂直方向初始位置检测、地址设置开关、数模转换器、嵌入式微控制器、视频字符叠加电路、串行总线接口、看门狗复位电路、数据存储电路、原始视频信号、叠加后视频信号、水平方向步进电机、垂直方向步进电机。优点：通过加入非易失性存储元件实现云台位置的掉电存储，云台重启时，初始化完成后自动进入预设的或重启前的位置，同时实现云台定期校正，仍恢复原状态，不影响云台位置；高速数字模拟转换器实现云台的运动速度在较宽范围内进行调节；视频字符叠加电路为云台操控提供操作菜单，实现人机交互，方便对云台各参数的设置。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种高速球型摄像机云台的控制装置，属于直接应用于视频、图像监控的技术领域。

背景技术

云台控制装置是安防领域中应用很广，发展也很迅速的装置，特别是在高速球型摄像机上得到广泛地应用，现有技术中大多数的云台控制装置分别由水平、垂直两路电机来控制，而电机控制方式通常采用开环控制。

如图1所示，该云台控制装置采用开环控制方式，控制芯片在基准位置接收到运动指令后，发送运动控制指令至驱动电路，驱动电路根据运动控制指令控制步进电机转动一定的角度，实现传动机构在水平或垂直方向上运动，从而使传动机构上的摄像机能够运动至目标位置。

上述控制方式的缺点在于每次重启后，只能停留在固定起始位置，长时间运行如果有失步或传动机构遇较大阻力会产生累计误差；云台运动速度不易调节；云台控制无法人机交互，不易进行控制设置。

发明内容

本发明提出的是一种高速球型摄像机云台的控制装置，其目的在于克服现有技术所存在的上述缺陷，采用非易失性存储元件，采用高速数字模拟转换电路及步进电机控制算法，同时在控制装置中加入了视频字符叠加电路。

本发明的技术解决方案：其特征是包括水平方向初始位置检测、水平方向步进电机驱动器、垂直方向步进电机驱动器、垂直方向初始位置检测、地址设置开关、数模转换器、嵌入式微控制器、视频字符叠加电路、串行总线接口、看门狗复位电路、数据存储电路、原始视频信号、叠加后视频信号、水平方向步进电机、垂直方向步进电机，其中水平方向步进电机驱动器的信号输出端接水平方向步进电机的信号输入端，水平方向步进电机的信号输出端接水平方向初始位置检测的信号输入端，垂直方向步进电机驱动器的信号输出端接垂直方向步进电机的信号输入端，垂直方向步进电机的信号输出端接垂直方向初始位置检测的信号输入端，嵌入式微控制器的第一信号输入端接水平方向初始位置检测的信号输出端，嵌入式微控制器的第二信号输入端接垂直方向初始位置检测的信号输出端，嵌入式微控制器的信号输出端接数模转换器的信号输入端，数模转换器的信号输出端接水平方向步进电机驱动器的信号输入端、垂直方向步进电机驱动器的信号输入端，嵌入式微控制器的第一信号输出/输入端接地址设置开关的信号输入/输出端，嵌入式微控制器的第二信号输出/输入端接视频字符叠加电路的信号输入/输出端，嵌入式微控制器的第三信号输出/输入端接串行总线接口的信号输入/输出端，嵌入式微控制器的第四信号输出/输入端接看门狗复位电路的信号输入/输出端，嵌入式微控制器的第五信号输出/输入端接数据存储电路的信号输入/输出端，视频字符叠加电路的信号输入端接原始视频信号的输出端，视频字符叠加电路的信号输出端接叠加后视频信号的信号输入端。本发明的优点：通过加入非易失性存储元件实现了云台位置的掉电存储，云台重启时，初始化完成后可自动进入预设的或重启前的位置，同时也可实现云台定期校正，校正后仍恢复原状态，不影响云台位置；高速数字模拟转换电路及步进电机控制算法实现了云台的运动速度在较宽范围内进行调节；视频字符叠加电路为云台操控提供操作菜单，从而实现人机交互，方便对云台各参数的设置。

附图说明

附图1是现有技术提供的一种采用开环控制方式的云台控制装置框图。

附图2是本发明的结构示意框图。

附图3是步进电机驱动系统结构图。

附图4是upd6453字符叠加芯片的硬件设计框图。

附图5是SST25VF016B flash存储器芯片电路连接图。

附图6是ARM复位电路。

具体实施方式

对照附图2，其结构是包括水平方向初始位置检测、水平方向步进电机驱动器(L6219)、垂直方向步进电机驱动器(L6219)、垂直方向初始位置检测、地址设置开关、数模转换器(TLC7255DA转换芯片)、嵌入式微控制器(ARM7LPC2132)、视频字符叠加电路、串行总线接口、看门狗复位电路、数据存储电路、原始视频信号、叠加后视频信号、水平方向步进电机、垂直方向步进电机，其中水平方向步进电机驱动器的信号输出端接水平方向步进电机的信号输入端，水平方向步进电机的信号输出端接水平方向初始位置检测的信号输入端，垂直方向步进电机驱动器的信号输出端接垂直方向步进电机的信号输入端，垂直方向步进电机的信号输出端接垂直方向初始位置检测的信号输入端，嵌入式微控制器的第一信号输入端接水平方向初始位置检测的信号输出端，嵌入式微控制器的第二信号输入端接垂直方向初始位置检测的信号输出端，嵌入式微控制器的信号输出端接数模转换器的信号输入端，数模转换器的信号输出端接水平方向步进电机驱动器的信号输入端、垂直方向步进电机驱动器的信号输入端，嵌入式微控制器的第一信号输出/输入端接地址设置开关的信号输入/输出端，嵌入式微控制器的第二信号输出/输入端接视频字符叠加电路的信号输入/输出端，嵌入式微控制器的第三信号输出/输入端接串行总线接口的信号输入/输出端，嵌入式微控制器的第四信号输出/输入端接看门狗复位电路的信号输入/输出端，嵌入式微控制器的第五信号输出/输入端接数据存储电路的信号输入/输出端，视频字符叠加电路的信号输入端接原始视频信号的输出端，视频字符叠加电路的信号输出端接叠加后视频信号的信号输入端。

在主控板的硬件电路设计中，共用了三片74HC245芯片，其功能是实现对ARM的部分I/O管脚的分时复用；使用了SP706SE看门狗复位芯片，实现ARM芯片的复位功能，保证系统的稳定、可靠运行；使用SST25VF016B Flash芯片对数据的进行存储和调用，实现数据的掉电保存功能；其中TLC7255DA转换芯片和L6219电机驱动芯片构成了电机控制模块的主要电路，实现球型摄像机云台的水平和垂直步进电机的驱动；UPD6453、LM1881和CD4053构成OSD字符叠加模块的主要电路，实现球型摄像机的菜单显示功能。

电机控制模块是主控板电路设计中的核心部分，它是实现球型云台在水平方向上360度、垂直方向上90度高速旋转和精确定位的依托。此次设计采用两个步进电机分别负责球机云台的水平旋转和垂直旋转。

步进电机的工作原理及驱动方法

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，这个角度称为步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有累积误差的特点，广泛应用于各种开环控制系统中。

步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比；步进电机转动的角度由控制脉冲的个数决定。本次设计选用的是两相混合式步进电机，步距角为0.9度，采用32细分双极性电流驱动方法来驱动。根据32细分计算得出的两相电流数字量值，并将其以表的形式存储在内存中，通过查表的方式，ARM控制器控制数/模转换芯片TLC7225将每一对数字量转换成对应的控制电压，再经过专用驱动芯片L6219，从而模拟出正弦波形驱动电流来驱动两相步进电机。对照附图3，步进电机驱动系统结构是ARM控制器的信号输出端接数/模转换芯片的信号输入端，数/模转换芯片的信号输出端接水平步进电机驱动器和垂直步进电机驱动器的信号输入端。

字符叠加模块的电路设计

采用upd6453进行字符叠加时，其外围需要用到两个芯片，LM1881和CD4053，LM1881用来给upd6453提供视频信号的场同步，行同步，upd6453

将叠加信号准备好后作为输入送给CD4053，CD4053将原始视频信号和字符叠加信号整合后输出，从而完成视频流的字符叠加。其硬件设计结构框图如附图4所示。

Upd6453芯片的电路连接设计图如下所示，OSD-BUSY连接在LPC-2132的P0.26脚，用于反应芯片upd6453是否可以进行数据流的写入；OSD-CLK

连接在LPC-2132的P0.25脚，提供数据流写入的时钟信号；OSD-CS连接在LPC-2132的P0.17脚，是upd6453的片选信号，低电平表示芯片可用；OSD-DATA连接在LPC-2132的P0.18脚，是数据流信号输入通道；HS1、VS1连接在LM1881上，用于接收视频流的行同步、场同步信号输入；OSC1连接在CD4053上，是将叠加后的字符信号输入给CD4053。

数据存储模块的电路设计

高速智能球机具有强大的掉电保存功能，像球机预置位设置，菜单更改设置，球机当前运行参数等都需要在掉电前进行保存，上电后再重新恢复当前状态。这就需要在ARM微控制器的外围设计数据掉电存储系统，本次设计中使用flash存储器对需要保存的数据进行保存。

Flash存储器的主要特点是在掉电的情况下可以保存数据信息，且存储速度快，容量大。本次设计选用的flash芯片是16Mbit SPI串行的flashsst25VF016B，它是一款8位SPI Flash存储芯片，容量为2MB，共分为500个扇区，每个扇区大小为4KB。SST25VF016B芯片的读写操作以字节为单位，能在2.7-3.6V电源电压下完成读写操作。其应用电路连接图如附图5所示。

SST25VF016B的引脚包括电源引脚、SPI接口引脚、控制引脚，该芯片通过SPI控制引脚与CPU连接。在电路图上具体为：SPI_SCK是串行时钟线，SPI_SI是串行数据输入引脚，SPI_SO是串行数据输出引脚，SPI_CS是片选线，该引脚电平为低时，芯片激活工作状态，接口电路中的/WP、/HOLD引脚外接上拉电阻。

复位电路设计

一个稳定可靠的控制系统，不能缺少系统复位的功能，即在程序异常，挂起的情况下，由复位系统对ARM微控制器进行一次软复位的操作，相当于在不掉电的情况下使ARM芯片重启了一次，本次设计开发选用的复位芯片就是SP7O6SE，其复位电路设计如附图6。

复位系统所用ARM管脚及相关应用程序宏定义：

#define  SP706_WDI        (1＜＜20)      //P0.20口为喂狗信号脚

#define  WDI_LOW()        (I00CLR|＝SP706_WDI)  //拉低P0.20

电平

#define  WDI_HIGH()       (IOOSET|＝SP706_WDI)//拉高P0.2

电平

SP706SE的复位脚/RST连接在ARM LPC-2132的/REST上，该看门狗系统的实现是通过在主程序中调用WDI_LOW()和WDI_HIG()这两个宏定义，通过不断的拉高和拉低P0.20脚的电平，避免使得SP706SE的WDI脚持续低电平超过1.6秒，如果这样，/RST则会产生低电平，使得ARM复位一次。在程序正常运行情况下，P0.20脚的电平始终变化着的，不会出现上述情况，一旦程序异常出现跑飞的情况，/RST低电平会使得ARM复位，使的程序恢复正常。