第10章 電動云臺和變焦鏡頭控制,10.1 基本驅動電路 10.2 串行傳送控制信號 10.3 單片機解碼器 10.4 硬件解碼器 10.5 控制器和解碼器的連接,10.1 基本驅動電路,在控制室，除了要對視頻信號進行切換，在視頻信號上疊加地點、日期、時間等附加信息外，還要對攝像機的電動云臺和變焦鏡頭進行控制。 電動云臺通常有水平旋轉和俯仰旋轉兩個電機可以進行正、反向旋轉，四個動作分別稱為上、下、左、右。電動云臺的電機大部分是交流電機，這種電機有兩個繞組，兩個繞組有一個公共端，當一個繞組接交流電壓時，,另一繞組經移相電容接入交流電壓，當交流電壓分別從兩個繞組接入時，可使電機作正向或反向旋轉。兩個電機的公共端接在一起，一共有五根控制線。 變焦鏡頭通常連接有光圈、聚焦和變倍三個控制電機，可以正、反向旋轉。六個動作分別稱為光圈大、光圈小、聚焦遠、聚焦近、變倍進、變倍出。變焦鏡頭的電機大部分是直流電機，直流電機加正向電壓后正轉，加反向電壓后就會倒轉。三個電機共用一個接地端，共有四根控制線。,在攝像機離控制室比較近的情況下，可用多芯電纜將10個動作的控制電壓從控制室傳到攝像機處。圖101是用多芯電纜傳送電動云臺和變焦鏡頭控制電壓的電路圖。在控制室利用琴鍵開關將交直流電壓加到電機的控制線上。電動云臺虛線框內的線路中4個常閉觸點是4個限位開關，當云臺旋轉到壓住限位開關后，常閉觸點斷開，云臺不再往該方向旋轉。 這種電路使用很多機械開關，因電機啟動時的大電流和電機斷開時的高反壓，開關容易損壞，目前已很少采用這種電路。在控制器大都采用單片機的情況下，要用鎖存的TTL電平去控制云臺和鏡頭。,圖101 用多芯電纜傳送電動云臺和 變焦鏡頭控制電壓電路圖,10.1.1 電動云臺的驅動 單片機用鎖存器輸出的TTL電平來控制電動云臺。通常有繼電器驅動和雙向可控硅驅動兩種方法。 1.繼電器驅動 用繼電器驅動云臺的電路如圖102所示。當輸入控制信號D3D0的電平是0001B時，繼電器J0吸合，云臺向右旋轉；當D3D0的電平是0010B時，繼電器J1吸合，云臺向左旋轉；當D3D0的電平是0100B時，繼電器J2吸合，云臺向下旋轉；當D3D0的電平是1000B時，繼電器J3吸合，云臺向上旋轉。,圖102 繼電器電動云臺驅動電路,常用來驅動云臺的繼電器有JZC22FA型。其體積為22.5mm16.5mm16.5mm,觸點負荷為220V(AC)、3A或28V(DC)、10A,JZC22FA有005、006、009、012、024等五種規(guī)格,其額定電壓分別是5V、6V、9V、12V、24V(DC)；線圈電阻分別是70、100、220、400、1600；吸合電壓分別為4V、4.8V、7.2V、9.6V、19.2V；釋放電壓分別為0.5V、0.6V、0.9V、1.2V、2.4V。,2.雙向可控硅驅動 與繼電器相比，可控硅驅動有體積小、重量輕、壽命長、價格低廉等優(yōu)點。所以，目前較多的產品是用雙向可控硅來控制電動云臺的。 圖103是雙向可控硅和電路符號。面對雙向可控硅正面，左邊的引腳是主電極MT1或稱A1，中間的引腳是主電極MT2或稱A2，右邊的引腳是控制極G或稱門極。觸發(fā)信號加在MT2和G兩極之間。,圖103(a)是雙向可控硅的常用引腳排列。比如，BTA06C就是這種排列，也可能會有與此圖不同的排列。初次使用時最好用多用表判別，方法如下：先找MT2極，多用表置于R100擋，將黑表筆接任意一個電極，用紅表筆碰另外兩個電極，如果表針都不動，說明黑表筆接的是MT2極。剩下兩電極間有210的正反向電阻差，可用多用表R10擋或R1擋來量，電阻小時，接黑表筆的是MT1極，紅表筆接的是G極。因為電阻差很小，要仔細觀察才能判別出來。,圖104是觸發(fā)電路。其中，光電耦合器MOC3021是一種雙向可控硅輸出結構的光電耦合器，用來觸發(fā)雙向可控硅時電路最簡單，而且能將單片機系統與可控硅、電機、市電隔離開來，以免電機啟動時的感應電動勢和火花影響單片機工作。表101是MOTOROLA公司MOC3000系列光電耦合器的主要參數。,圖 103 雙向可控硅和電路符號 (a)引腳排列；(b)電路符號,圖104 雙向可控硅觸發(fā)電路,表101 MOC3000系列光電耦合器主要參數,對MOC3021，有下列典型值： 輸入端電流II=1015mA。 發(fā)光管上的電壓降U12=1.21.5V。 最大輸出電流Ip=1A。 MOC3021的輸入端限流電阻R,(101),當MC1413輸出V2為低電平0.4V時，要求 MOC3021導通，這時,式中,Up為交流電壓峰值，交流電壓為220V，波動10%，最高電壓有效值為242V，峰值電壓為 。因而有,限流電阻R1用來限制MOC3021的輸出電流Ip不要超 過極限值1A。,(102),可取R1=360。,最小觸發(fā)電壓UT：由于串入電阻R1，使觸發(fā)電路有一個最小觸發(fā)電壓，低于這個電壓時，雙向可控硅不導通。UT按下式計算： UT=R1IGT+UGT+UTM 式中:IGT為雙向可控硅最小觸發(fā)電流；UGT為雙向可控硅最小觸發(fā)電壓；UTM為MOC3021輸出端壓降,典型值1.8V，最大值3V。,對常用的雙向可控硅BTA06C，在第13象限觸發(fā)時，IGT為25mA；在第4象限觸發(fā)時（A2電壓為負，G觸發(fā)電流為正），IGT為50mA，而UGT為1.5V。這時 UT=3600.025+1.5+3=13.5V 最小控制角,(103),對于電動云臺，控制角在2.26以下時，雙向可控硅不導通不會影響云臺的轉動。 當雙向可控硅所帶的負載是較大的電感時，電感在接通與斷開瞬間的感應電動勢容易引起光耦與雙向可控硅的誤觸發(fā)。圖105是防止誤導通的雙向可控硅保護電路。,圖105 防止誤導通的雙向可控硅保護電路,雙向可控硅一旦導通，控制極對雙向可控硅就不起控制作用。要關斷雙向可控硅，必須使流過可控硅中的電流小于保持可控硅導通所需的電流，即維持電流。導通的可控硅從一個方向過零進入反向阻斷狀態(tài)只是一個十分短暫的時間,由于電機是感性負載，電流滯后于電壓，有可能會使得電壓在過零時電流仍然存在而導致雙向可控硅失控。在這種情況下，可在雙向可控硅主電極MT1和MT2之間并聯RC串聯回路以減小電壓上升率dUdt，常常R取51，C取0.1F。,在阻斷狀態(tài)下，雙向可控硅的PN結相當于一個電容，如果突然受到正向電壓，充電電流流過控制極PN結時，起了觸發(fā)電流的作用，易造成MOC3021輸出可控硅的誤導通，在MOC3021的輸出回路中加R2和C1，組成的RC回路，可降低電壓上升率dUdt。一般情況下，R2為4701k，C1為0.050.15F。,MOC3021在輸出關斷狀態(tài)下，也有小于或等于400A的電流，R3可以消除這個電流對外部雙向可控硅的影響，防止雙向可控硅誤觸發(fā)，提高可靠性。R3一般取3001k。圖106是雙向可控硅云臺控制電路。這里沒有畫出防止誤觸發(fā)誤導通的保護電路，因為在一般情況下沒有這些保護電路也能正常工作。在印制板設計時，應留有安裝這些保護電路中電阻、電容的位置，當出現誤導通現象時再加上這些器件。,圖106 雙向可控硅云臺控制電路,在選取雙向可控硅的電流、電壓極限值時，應留有較大的余量。云臺的電壓是220V，電流不超過200mA。一般取雙向可控硅的電流為36A，耐壓為600800V。 固態(tài)繼電器是對雙向可控硅及其光電隔離電路和附加電路進行了一體化封裝的產品，使用起來比分立元件方便。GJH1L和GJH3L是常用于云臺控制的固態(tài)繼電器，它們的輸入控制電壓是312V(DC)，15mA，輸出負載電壓是380V(AC)。GJH1L的負載電流為1A，適用于小型電動云臺；GJH3L的負載電流為3A，適用于室外云臺和防爆云臺。,10.1.2 變焦鏡頭的驅動 單片機用鎖存器輸出的TTL電平來控制變焦鏡頭。常有繼電器驅動和運算放大器與晶體管驅動兩種方法。 1.繼電器驅動 圖107是用繼電器的變焦鏡頭驅動電路。當輸入控制信號D5D0的電平是100000B時，J5吸合，U+加到光圈電機正端，光圈變大；當D5D0的電平是010000B時，J4吸合，U -加到光圈電機正端，光圈變小。當D5D0的電平是001000B時，J3吸合，U +加到聚焦電機的正端，聚焦變遠；,當D5D0的電平是000100時，J2吸合，U -加到聚焦電機的正端，聚焦變近。當D5D0的電平是000010B時，J1吸合，U +加到變倍電機的正端，變倍變進；當D5D0的電平是000001B時，J0吸合，U -加到變倍電機正端，變倍變出。變焦鏡頭控制常用JRC5M型超小型密封繼電器。,圖107 用繼電器的變焦鏡頭驅動電路,2. 運算放大器與晶體管驅動 運算放大器與晶體管驅動與繼電器驅動相比，有壽命長，可靠性高和價格便宜等優(yōu)點。 圖108是用運算放大器與晶體管驅動變焦鏡頭的實用電路。圖中當輸入控制信號D5D0的電平是100000B時，運算放大器N1輸出正電壓，晶體管V1導通，電壓U+加到光圈電機正端，電機正轉，光圈變大；當D5D0的電平是010000B時，運算放大器N1輸出負電壓，,晶體管V2導通，電壓U-加到光圈電機正端，電機反轉，光圈變小；當D5D0的電平是001000B時，運算放大器N2輸出正電壓，晶體管V3導通，電壓U +加到聚焦電機正端，電機正轉，聚焦變遠；當D5D0的電平是000100B時，運算放大器N2輸出負電壓，晶體管V4導通，電壓U-加到聚焦電機正端，電機反轉，聚焦變近；,當D5D0的電平是000010B時，運算放大器N3輸出正電壓，晶體管V5導通，電壓U +加到變倍電機正端，電機正轉，變倍變進；當D5D0的電平是000001B時，運算放大器N3輸出負電壓，晶體管V6導通，電壓U -加到變倍電機正端，電機反轉，變倍變出。 當電機旋轉太快，不易對鏡頭進行精細調節(jié)時，可以降低U +、U -的幅度，或在輸出電壓與電機之間串接電阻來使電機轉速降低。,圖108 用運算放大器的變焦鏡頭驅動電路,10.2 串行傳送控制信號,前面介紹的驅動電路中，變焦鏡頭的驅動電壓有4根控制線，電動云臺的驅動電壓有5根控制線，再加上攝像機電源控制，雨刷控制等，控制線較多。當控制器與攝像機距離較遠時，浪費大量線材，很多能量也消耗在傳輸線上，所以常常采用發(fā)串行控制信號的辦法來節(jié)省線材和能量損失。具體做法是在控制器部分由單片機發(fā)出串行的控制信號，,在攝像機附近配置一個接收解碼器，對接收到的串行命令進行解碼，形成云臺和變焦鏡頭的驅動電壓。這樣控制線改為二芯,可以節(jié)約線材，電機的驅動電壓就地供給，避免了驅動電壓長距離傳送時的能量損失。 下面介紹串行通訊中的一些基本概念和標準通訊接口。,10.2.1 異步通訊和同步通訊 設備之間的通訊有并行通訊和串行通訊兩種基本方式。若有多位數據，比如8位、16位數據同時傳送稱為并行通訊；若數據一位一位地順序傳送，則稱為串行通訊。顯然，串行通訊的速度比并行通訊慢，但在應用電視系統中設備之間要傳送的數據量很少，所以常采用串行通訊。 串行通訊分異步通訊和同步通訊。,1.異步通訊 異步通訊規(guī)定了數據的傳送格式，即數據以相同的幀格式傳送。8031的串行通訊口，在方式1時規(guī)定為8位異步通訊口，傳送格式是起始位(0)、8位數據、停止位（1）。在方式2和方式3時規(guī)定為9位異步通訊口，傳送格式是起始位(0)、8位數據、第9數據位、停止位(1)。由此可見，異步串行通訊的幀格式總是由起始位、數據位和停止位組成。在通訊線上沒有數據傳送時處于1狀態(tài)，要發(fā)送數據時先送一位0，作為起始位；接收設備在接收到0狀態(tài)后就開始準備接收數據，發(fā)送完規(guī)定的數據以后是停止位，在發(fā)送的間隙中，通訊線路總是處于1狀態(tài)。,2. 同步通訊 與異步通訊不同,同步通訊不是靠起始位在每幀數據開始時使發(fā)送和接收同步，而是通過同步碼在每個數據塊傳送開始時使收發(fā)雙方同步的。后面將要介紹的編解碼電路VD5026與VD5027之間的通訊采用的就是同步通訊方式。,10.2.2 單工、半雙工、全雙工通訊 串行通訊中，要把數據從一臺設備傳送到另一臺設備，要使用通訊線路，數據在通訊線路的兩端的設備之間傳送。按照通訊方式可以有三種通訊線路。 1.單工(Simplex)方式 單工方式時，通訊線路一端連接發(fā)送設備，另一端連接接收設備。,2.半雙工(HalfDuplex)方式 半雙工方式時，通訊線路兩端的設備都有一個發(fā)送器和一個接收器，通過由單片機控制的電子開關接到通訊線路上。數據能從這一端傳送到那一端，也能從那一端傳送到這一端，但是不能同時在兩個方向上傳送，即每次只能一端發(fā)，另一端收。,3. 全雙工(FullDuplex)方式 全雙工方式不但兩端的設備都有一個發(fā)送器和一個接收器，而且還增加了通訊線路，不是交替發(fā)送和接收，而是可以同時發(fā)送和接收，數據可同時在兩個方向上傳送。在應用電視系統中，因為數據量少，常采用單工方式和半雙工方式通訊。,10.2.3 串行通訊標準接口 應用電視系統中常用的異步串行通訊接口有三類：RS232C、RS449和20mA電流環(huán)。 1.RS232C標準接口 RS232C是由美國電子工業(yè)協會(EIA)正式公布的在異步串行通訊中應用最廣的標準總線。它包括按位串行傳輸的電氣和機械方面的規(guī)定，適合于短距離和帶調制解調器的通訊場合。,RS232C接口有22根線，采用標準的25芯插頭座，后改為9芯插頭座，每個引腳有定義。RS232C接口采用負邏輯，即邏輯1，-5-15V；邏輯0，+5+15V。RS232C電平與TTL電平接口時，必須進行電平轉換，常用的芯片是傳輸線驅動器MC1488和傳輸線接收器MC1489。圖109是RS232C電平轉換芯片MC1488和MC1489的引腳圖。,圖109 MC1488和MC1489的引腳圖,MC1488內部有三個與非門和一個反相器，供電電壓為12V，輸入為TTL電平，輸出為RS232C電平。MC1489內部有四個反相器，輸入為RS232C電平，輸出為TTL電平，供電電壓為+5V。MC1489中每個反相器都有一個響應控制端，高電平有效。圖1010是RS232C接口電平轉換電路。 RS232C接口設備之間通訊距離不大于15m，傳輸速率為20kbs。在實際使用中，距離遠大于這個標準，當傳輸速率為1.2kbs時，傳輸距離達1km以上。,圖1010 RS232C接口電平轉換電路,2. RS449、RS422A、RS432A和RS485標準接口 RS232C是早期標準。它有數據傳輸速度慢，通訊距離短，接口處各位信號間易產生串擾等缺點。為了提高數據傳輸率和通訊距離，EIA制定了新標準RS449標準。 1) RS449標準接口 RS449接口與RS232C接口的主要差別是信號在導線上的傳輸方法不同。RS232C接口是利用傳輸信號線與公共地之間的電壓差，RS449接口是利用信號導線之間的信號電壓差。,RS449規(guī)定了兩種標準接口連接器:一種為37腳，一種為9腳。在應用電視系統中，進行單工、半雙工通訊，只有2根信號線，常采用三芯插座，因為電視監(jiān)控報警系統中設備基本上是自成系統，所以沒有必要采用標準的25芯、37芯和9芯插頭座。 RS449接口不使用調制解調器，傳輸速率為90kbs時，在24AMG雙絞線上能傳送1200m以上。因為用平衡信號差分電路傳送高速信號，所以噪波低，可以多點并聯接收。,2) RS422A標準接口 RS422A文本給出了RS449應用中對電纜、驅動器和接收器的要求，規(guī)定了雙端電氣接口型式，其標準是雙端線傳送信號。它通過傳輸驅動器，把邏輯電平變成電位差，完成始端的信息傳送；通過傳輸線接收器，把電位差轉變成邏輯電平，實現終端的信息接收。,RS422A接口在最大傳輸速率10Mbs時；最大傳送距離為300m；當傳輸速率為90kbs時，最大傳送距離達1200m。RS422A接口每個通道要用兩條信號線，一條信號線的信號是另一條線信號的反相信號。RS422A接口規(guī)定驅動器的輸出電壓為26V，接收器可以檢測到的輸入信號電平可低到0.2V。RS422A接口規(guī)定每個通道只許有一個發(fā)送器，可以有多個接收器。,AM26LS31是符合RS422A標準的有三態(tài)輸出的四驅動器。四個驅動器共有一個三態(tài)輸出控制，三態(tài)輸出允許有兩個：一個高電平有效，另一個低電平有效。AM26LS32是符合RS-422A標準的，有三態(tài)輸出的四接收器。四個接收器共用一個三態(tài)輸出控制，三態(tài)輸出允許有兩個：一個高電平有效，另一個低電平有效。,MC3487是符合RS422A標準的四驅動器。每兩個驅動器共用一個三態(tài)輸出允許端，該端為低電平時允許三態(tài)輸出。MC3486是符合RS422A標準的四接收器，每兩個接收器共用一個三態(tài)輸出允許端，該端為低電平時允許三態(tài)輸出。MC34050是符合RS422A標準的雙驅動器和雙接收器，兩個驅動器共用一個驅動使能端，兩個接收器共用一個接收使能端，使能端都是低電平有效。MC34051是符合RS422A標準的雙驅動器和雙接收器，每個驅動器各有一個驅動使能端，都是低電平有效，而接收器沒有接收使能端。,3) RS423A標準接口 RS422A和RS423A文本中，分別給出RS449應用中對電纜、驅動器和接收器的要求。RS422A給出平衡信號差的規(guī)定，RS423A給出不平衡信號差的規(guī)定。 RS423A規(guī)定為單端線，而且與RS232C兼容，參考電平為地，規(guī)定正信號邏輯電平為0.26V，負信號邏輯電平為-0.2-6V。,RS423A驅動器在90m長電纜上傳送數據最大速率為100kbs，若傳輸速率降為1kbs，則允許電纜長度為1km。RS423A允許在傳送線上接多個接收器，接收器為平衡傳輸接收器，因此允許驅動器和接收器之間有個地電位差。這時邏輯“1”狀態(tài)必須是46V，邏輯“0”狀態(tài)必須是-6-4V。 常用的符合RS423A標準的驅動器有MC3488雙驅動器和DS3691四驅動器。RS423A的接收器與RS422A通用，前面介紹的符合RS422A標準的接收器全部可用于RS-423A接口。,4) RS485標準接口 RS485是一種多發(fā)送器的電路標準，是RS422A性能的擴展。它允許在雙絞線上，一個發(fā)送器驅動32個負載設備。負載設備可以是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器。RS485允許共同電話線通訊。電路結構是在平衡連接電纜兩端有終端電阻，在平衡電纜上掛發(fā)送器、接收器和組合收發(fā)器。 RS485標準沒有規(guī)定在何時控制發(fā)送器發(fā)送或接收器接收數據的規(guī)則，但對電纜的選擇要求很嚴格。,因為RS485標準與RS422A兼容，所以所有符合RS485標準的驅動器和接收器都適用于RS422A標準；反之，則不然。 75172、75174是符合RS485標準的四驅動器。在75172中，四個驅動器共用一個三態(tài)輸出控制。 三態(tài)輸出允許有兩個，一個高電平有效，另一個低電平有效。75174每兩個驅動器共用一個三態(tài)輸出控制，低電平有效。,75173、75175是符合RS485標準的四接收器。75173中四個接收器共用一個三態(tài)輸出控制。 三態(tài)輸出允許有兩個，一個高電平有效，另一個低電平有效。75175每兩個接收器共用一個三態(tài)輸出控制，低電平有效。 圖1011是RS485電平轉換芯片7517275175的引腳圖。,圖1011 RS485電平轉換芯片7517275175的引腳圖,圖1012是RS485接口電平轉換電路。圖中用虛線隔開三臺設備，三臺設備都用了光電隔離。光電隔離前后的電壓要獨立，否則起不了光電隔離的效果。在設備之間距離不遠，現場電磁干擾較少的情況下，也可省去光電隔離。,圖1012 RS485接口電平轉換電路,75176是一種符合RS485標準的驅動器和接收器。圖1013是其引腳圖與真值表。利用75176可以進行半雙工通訊，即在同一對線上分時完成雙向通訊，只要控制芯片的DE、 兩個引腳的電平，75176便可以處于發(fā)送數據狀態(tài)或者處于接收數據狀態(tài)。當只有一個RS485通道時，兩端可以都用75176。在應用電視系統中，控制器要多路輸出，常用四驅動器75172或75174。而在解碼器端只需一個接收器，常采用75176。利用75176可以組成總線型結構的串行通訊，如圖1014所示。長線兩端都可以帶32組收發(fā)器，圖1014中一端只帶了三組。,圖1013 75176的引腳圖和真值表,圖1014 利用75176可以組成總線型結構的串行通訊,3.20mA電流環(huán) 20mA電流環(huán)是一種非標準的串行接口電路，但由于它有線路簡單，對電氣噪波不敏感的特點，在環(huán)境電磁干擾較多的場合被廣泛采用。20mA電流環(huán)是一種異步串行接口電路。在每次發(fā)送數據時，必須以無電流的起始位作為一幀數據的開始，接收端檢測到起始位后接收一幀數據。,圖1015是一個20mA電流環(huán)線路圖。在發(fā)送端，將TTL電平轉換成環(huán)路電流信號，在接收端又將環(huán)路電流轉換成TTL電平。其最大的優(yōu)點是低阻傳輸線對電氣噪聲不敏感，即使傳輸線上感應有較高電壓也不會損壞器件。解碼器接收端光電耦合器件的發(fā)光二極管正向工作電流典型值為15mA，最大連續(xù)正向電流極限值在60mA以上，至于不連續(xù)的脈沖正向電流可達數百毫安。瞬時性的感應電流一般不會損壞光耦，所以用20mA電流環(huán)接口，其平均故障間隔時間MTBFMTBF:Mean Time Between Failures,平均故障間隔時間。較長。表102是常用光電耦合器的參數表，供選用時參考。,圖1015 20mA電流環(huán)線路圖,表102 常用光電耦合器的參數表,10.3 單片機解碼器,控制器發(fā)出串行的控制信號由解碼器接收。解碼器對接收到的串行命令進行解碼、形成云臺和變焦鏡頭的驅動電壓，控制云臺和變焦鏡頭的電機動作。解碼器可以以單片機為主加上附加電路構成，一般用與控制器相同型號的單片機比較方便。,也可以利用專門的編碼、解碼電路來發(fā)送、接收信號，那么在控制器里就應該用專門的編碼電路發(fā)送信號，在解碼器中要用與之配套的解碼電路接收信號。下面詳細介紹這兩種解碼器。,10.3.1 單片機解碼器的構成 單片機解碼器通常由隔離器、單片機、自動復位電路、電動云臺驅動電路和變焦鏡頭驅動電路組成，如圖1016所示。,圖1016 單片機解碼器方框圖,1.隔離器 為了防止解碼器中的開關元件影響控制器，在電氣上完全隔離控制器和解碼器，解碼器的輸入端要用隔離器。為了使基帶信號能進行較長距離的傳送，串行控制碼的波特率取得很低，經常取12009600Bd(波特)，所以隔離器可采用頻率較低的光電耦合器，或者用變壓器進行耦合。,2.串行控制碼的接收與解碼 當控制器和解碼器都用8031單片機串行口發(fā)送、接收數據時，發(fā)送、接收端的8031都置成多機通訊方式。發(fā)送端的8031先發(fā)8位地址碼，其第9位數據為1，再發(fā)8位操作碼，第四位數據為9。接收端8031置多機通訊方式時，SM2=1，接收數據的第9位進入RB8，地址字節(jié)會中斷所有解碼器的單片機，解碼器單片機查看地址碼是否與本機地址相符，相符時單片機清SM2，,準備接收后面發(fā)來的操作碼；當地址碼與本機地址不符時，單片機將保持SM2不變，那么后面發(fā)來的操作碼不會引起中斷。在這種情況下可取消校驗碼，也可以用地址碼和操作碼的某一位作校驗碼分別進行校驗，因為地址碼和操作碼都不需要用8位。,3.解碼器的抗干擾措施 解碼器中的繼電器、可控硅等開關元件在閉合、斷開時，容易對解碼器的單片機產生干擾，解碼器附近大型設備的起動和關斷也易引起對單片機的干擾，結果是解碼器的硬件雖然沒有損壞，但程序執(zhí)行出錯，且進入死循環(huán)，不經復位，回不到正常狀態(tài)，產生軟件故障，俗稱程序跑飛。為了防止干擾，常常采取下列預防措施：,(1)交流電源濾波:濾波電路如圖1017所示。 (2)直流電源去耦濾波:濾波電路如圖1018所示，C1和C3是容量為0.010.1F的瓷片電容，C2和C4是容量為10004700F的電解電容。 (3)單片機及其附加電路的電源線和地線直接接到電源濾波電容，不要與開關元件驅動電路的電源線和地線交疊，見圖1019。,圖1017 交流電源濾波,圖1018 直流去耦濾波,(4)繼電器線包上接反向偏置二極管防止繼電器線包的反電動勢。繼電器觸點兩端接0.0680.1F電容器，防止繼電器觸點接通和斷開時產生電弧放電影響單片機工作。這里要注意電容器耐壓值要大于觸點斷開時兩點電壓值的數倍。 (5)用壓敏電阻抑制尖峰電壓。當加于壓敏電阻兩端電壓超過壓敏電壓UIMA時，壓敏電阻上的電流迅速增大，呈短路狀態(tài)，非常適于吸收瞬間尖峰電壓?？梢栽陔娫醋儔浩鞯某?、次級加壓敏電阻，選取壓敏電壓 。壓敏電阻并聯在感性負載兩端，可以吸收電感負載接通或斷開時產生的自感電動勢。,圖1019 直流電源線與地線不交疊,4.解碼器的自動復位 無論采取何種抗干擾措施，只能減少軟件故障產生的次數，要完全消除軟件故障是不可能的。解碼器在攝像機附近，離控制器很遠，無法進行按鈕復位，采用關斷解碼器總電源的方法又往往不易奏效，給使用者帶來不便，所以應該設置自動復位電路，萬一出現軟件故障能進行補救，不致引起不良的后果。自動復位電路通常有硬件自動復位和軟件故障診斷自動復位兩種。,1) 硬件自動復位 硬件自動復位有硬件定時自動復位和利用串行控制信號產生復位信號兩種方法。前者是利用定時器每隔一段固定時間對CPU復位一次，這種方法比較簡單，缺點是復位可能會發(fā)生在接收串行信號的過程中，使得該次接收失敗。后者是利用串行控制信號來產生復位信號，要求兩次串行控制信號之間要有一定的時間間隔。,圖1020是利用串行控制信號產生復位脈沖的實用電路。圖中第1個單穩(wěn)觸發(fā)器D1是不可重觸發(fā)單穩(wěn)74LS221。它的外接電阻R1電容C1要保證0.7R1C1大于串行控制信號周期，這樣在D1的A端接串行控制信號，在D1的Q端輸出一個寬度大于串行控制信號周期的負脈沖，見圖1020下部波形圖。這樣保證只有起始位的下降沿產生復位脈沖，而串行數據中的下降沿不產生復位脈沖。,第2個單穩(wěn)觸發(fā)器D2是74LS221的另一半，它的外接電阻R2、外接電容C2要使0.7R2C2等于復位脈沖要求的寬度，這樣將D1的 端的寬脈沖變成窄脈沖在D2的Q端輸出，去復位CPU。復位脈沖寬度要盡量窄，不要影響CPU接收串行信號。這種方法在每次接收串行控制信號之前復位CPU，實際效果很好。它適用于解碼器CPU只有接收串行控制信號并解碼、驅動這一任務沒有其他附加工作的場合。,圖1020 利用串行控制信號產生復位脈沖的電路,2) 軟件故障診斷自動復位 當解碼器CPU還有檢測、計算等多種任務時，上述利用串行控制信號產生復位脈沖的方法會使檢測、計算工作突然打斷而出錯，所以要采用軟件故障診斷復位。軟件故障診斷要求在程序的各個可能的支路，都要安排兩條能使某輸出口的某一位輸出一個正(或負)脈沖的指令。在程序正常執(zhí)行時，每隔一定的時間總會執(zhí)行這條指令，使該位不斷地輸出正脈沖。當程序執(zhí)行進入異常狀態(tài)時，該位沒有正脈沖輸出，超過一定時間，判別電路就會輸出一個復位信號使CPU復位，程序執(zhí)行又恢復正常。,圖1021是一種故障診斷復位電路。程序正常執(zhí)行時輸出的正脈沖加到可重觸發(fā)單穩(wěn)D1(74LS123)的輸入端B，D1接成上升沿觸發(fā)，Q端產生的正脈沖寬度由外接電阻R1和外接電容C1決定。當程序正常執(zhí)行時，兩正脈沖之間的間隔小于0.7R1C1，也就是不斷地對D1觸發(fā)，所以Q端不會輸出下降沿。當有軟件故障時，電路不再輸入正脈沖，D1的Q端出現下降沿。而單穩(wěn)D2接成下降沿觸發(fā)，其外接電阻R2和外接電容C2的取值使0.7R2C2等于復位脈沖要求的寬度。當D1的Q端出現下降沿，D2的 端會輸出正脈沖使CPU復位，從而使程序執(zhí)行恢復正常。,圖1021 故障診斷復位電路,有些單片機如增強型的51系列單片機83C51FA，具有監(jiān)視跟蹤定時器(WATCHDOG，俗稱看門狗)，就是把軟件故障診斷復位電路集成在單片機內。也可以采用單片看門狗電路，如MAX813等。,10.3.2 單片機解碼器的實用電路 圖1022是用89C51單片機組成的解碼器實用電路。由撥動開關決定的本機地址經P0.0P0.7讀入。串行接口采用20mA電流環(huán)，串行控制信號經光電耦合器4N25隔離并送到89C51的RXD端?！翱撮T狗”電路由一片74LS123組成，價格比專用“看門狗”電路要便宜。編程序時要求每一可能支路安排能使P1.7輸出一個正脈沖的指令，在程序正常運行時，P1.7每隔一定時間總會輸出正脈沖，該脈沖的輸入使D1不斷地被重觸發(fā)；當程序跑飛，電路不再輸入正脈沖，Q2端輸出正脈沖經或門送CPU的復位端，復位CPU使程序執(zhí)行恢復正常。,圖1022 單片機解碼器實用電路,串行控制信號被單片機89C51接收、解碼后，經P1.0P1.5輸出變焦鏡頭控制信號，經如圖108所示的變焦鏡頭驅動電路去控制變焦鏡頭。89C51的P2.0P2.3輸出電動云臺控制信號，經如圖106所示的電動云臺驅動電路去控制電動云臺。,10.4 硬件解碼器,用單片機的解碼器必須采取種種抗干擾措施，增加自動復位電路。在電視系統中，解碼器是用得較多的設備，當然是越簡單越好。下面介紹幾種專用的編碼解碼電路，使用這些芯片組成的解碼器線路簡單，抗干擾性能好。,10.4.1 編碼解碼芯片 1. MC145026、MC145027編解碼電路 MC145026、MC145027是MOTOROLA公司生產的一對編解碼電路，它們的工作電壓是4.518V，振蕩器可用誤差為5%的外接電阻、電容。解碼芯片MC145027內部有上電復位電路，上電后，鎖存的數據輸出全為0。MC145026和MC145027都是16腳雙列直插電路，圖1023是它們的引腳圖。,圖1023 MC145026和MC145027引腳圖,編碼芯片MC145026的A1A5是地址輸入，A6D6A9D9與MC145028相配合時作地址A6A9。當與MC145027相配合時，作數據輸入。 A1A5可接成高電平(1)、低電平(0)和開路(高阻)三種狀態(tài)。當利用這三種狀態(tài)來決定地址時，最多可以有35=243種地址。 串行數據從DATAOUT端輸出，每位數據用兩個脈沖來表示，兩個連續(xù)的寬脈沖表示“1”，兩個連續(xù)的窄脈沖表示“0”，一個寬脈沖一個窄脈沖表示開路，波形如圖1024所示。,圖1024 MC145026編碼數據波形,RTC、CTC、RS三個腳外接阻容元件決定內部時鐘振蕩頻率,其芯片內部結構如圖1025所示。所以，當外部時鐘接入時應接到RS，而將RTC、CTC兩腳開路。其內部振蕩頻率可以為1kHz2MHz。在1kHzf400kHz時，f=1(2.3RTCCTC)（Hz），這里只有滿足RS=2RTC，RS20k，RTC10k，100pFCTC15F四個條件時，公式才有效。,圖1025 MC145026振蕩器部分,是發(fā)送允許端。此端開路時，芯片內部的上拉電阻使其輸入為高電平，編碼器被禁止發(fā)送，時鐘振蕩器停止振蕩，芯片功耗降至最低，只有0.1A。當 端輸入寬度大于65ns的低電平時，振蕩器開始振蕩，DATAOUT端發(fā)出數據，每位數據的周期是8個時鐘周期，每個字有9位數據即A1A5、D6D9，每個字發(fā)送兩次，兩次之間的間隔是3個位(數據位)周期。 如果保持低電平，數據將不斷地發(fā)送。MC145026的動態(tài)功耗約為200A。,解碼芯片MC145027接收MC145026發(fā)出的串行數據，當接收到的兩個字中，5位地址與本芯片的地址輸入A1A5完全符合，且接收到的兩個字中的4位數據完全相同時，4位數據被鎖存在D6D9輸出，直到接收到新的數據來代替它。數據被鎖存的同時，UT腳變高，直到4個數據位周期沒有輸入信號或接收到錯誤信號。,R1C1的時間常數應是1.72個編碼時鐘周期，R1C1=3.95RTCCTC(R110k，C1400pF)。因而R1C1的值可用來判斷接收到的是寬脈沖還是窄脈沖。R2C2的時間常數是33.5個編碼時鐘周期，R2C2=77RTCCTC(R2100k，C2700pF)。因而R2C2的值應是用來判斷接收字的結束和發(fā)送的結束。 表103是編解碼電路MC145026，MC145027中的電阻電容選擇參考。MC145027的靜態(tài)工作電流約為50A，動態(tài)工作電流約為400A。,表103 MC145026，MC145027振蕩頻率和RC的關系,圖1026是MC145026與多個MC145027通訊的示意圖。這里89C51的P0口和P1口完全作鎖存器用，右下部的兩個MC145027與上部的一個線路完全相同，只是本機地址設得各不相同。,圖1026 MC145026與多個MC145027通訊的示意圖,2. VD5026、VD5027編解碼電路 VD5026、VD5027是一對編碼解碼芯片，它們的工作電壓是26V，靜態(tài)工作電流只有1A，使用的外接元件少，編碼、解碼芯片各接一個相同的電阻。 VD5026、VD5027是18腳雙列直插電路，圖1027是它們的引腳圖。其中，地址A0A7可以是高電平(1)、低電平(0)、開路(高阻)和第4種狀態(tài)。第4種狀態(tài)時，A0不使用，A1A7若與A0短路即為第4種狀態(tài)。當利用這4種狀態(tài)來決定地址時，最多可以有 47=214=16K=161024種地址。,VD5026、VD5027的OSC1、OSC2接電阻R后，芯片的振蕩器頻率f=1600R(kHz)(R為k)。典型值R=80k，f=200kHz。 每個數據位是128個時鐘周期，每個字是13位數據，包括8位地址、4位數據、1位校驗，一個字的時間是131285s=8.32ms，每個字發(fā)出之前有一組同步信號的時間相當于3個數據位，是31285s=1.92ms。每一次發(fā)送將包括同步信號的字連續(xù)發(fā)4次，所以總的一次發(fā)送的時間是4(8.32+1.92)=40.96ms。,圖1027 VD5026和VD5027引腳圖,與MC145026、MC145027相比，VD5026、VD5027的優(yōu)點是外接元件少，地址位多，可以連接更多的解碼器。缺點是通訊速度慢，所需時間大約是MC145026的40倍。 圖1028是VD5026與多個VD5027通訊的示意圖。這里89C51的P0口和P1口完全作鎖存器用，右下部兩個VD5027的線路與上面的一個VD5027的線路完全一樣，只是本機地址設置得不一樣。,圖1028 VD5026與多個VD5027通訊的示意圖,3. UM3758-108A單片編解碼電路 UM3758108A的特點是由輸入電平決定芯片是編碼還是解碼功能。收發(fā)兩端用的是同一型號芯片，其數據線有8位，一次發(fā)碼能傳送更多的信息。 UM3758108A的工作電壓是312V，接收輸入高電平最小值4V，低電平最大值2V，其他輸入電平UIH=(UDD-0.5)UDD，UIL=0.5V。數據輸出電流為10mA，TX 腳輸出電流為-40mA或20mA，工作時鐘振蕩頻率f=160kHz。,圖1029 UM3758108A引腳圖,UM3758108A的工作電壓是312V，接收輸入高電平最小值4V，低電平最大值2V，其他輸入電平UIH=(UDD-0.5)UDD，UIL=0.5V。數據輸出電流為10mA，TX 腳輸出電流為-40mA或20mA，工作時鐘振蕩頻率f=160kHz。 UM3758108A是24腳雙列直插電路，圖1029是其引腳圖。A1A10是地址輸入，D1D8是數據輸入或輸出，OSC腳外接RC構成系統時鐘。T 是發(fā)送、接收選擇端，T =1，發(fā)送；T =0，接收。TX 是編碼信號發(fā)送輸出或是解碼接收正確指示。,圖1030是用多塊UM3758108A進行一發(fā)多收串行通訊。這里的89C51只是用其輸出口，發(fā)送時先將地址和數據鎖存，再通過一位鎖存輸出供給UM3758108A的T 腳高電平。在發(fā)送另外一組地址、數據之前，應先將UM3758108A的T 腳變?yōu)榈碗娖剑Ｖ拱l(fā)送，以免變動地址數據時產生誤發(fā)。右下部的兩個接收UM3758108A與上面的一個線路完全一樣，只是設定的本機地址各不相同。,圖1030 用多塊UM3758108A進行一發(fā)多收串行通訊,表104 常用的編碼、解碼芯片,10.4.2 硬件解碼器的實用電路 圖1031是一個硬件解碼器的實用電路。這里用2塊VD5027，它們的A1A7由撥動開關來決定本機地址，最多可以有27個地址，有128臺解碼器。一塊VD5027的A0接高電平，另一塊VD5027的A0接低電平，所以地址的最低位決定數據送兩塊芯片中的哪一塊。第一塊VD5027的4位數據供變焦鏡頭與云臺控制用，因為經常規(guī)定云臺和變焦鏡頭的10個動作不在同一時刻執(zhí)行，每次只能一個動作有效，,所以在發(fā)送端將10個動作編碼為4位數據，在接收端又把4位數據由4-16譯碼器CD4514譯碼后去控制變焦鏡頭和電動云臺。另一塊VD5027的4位數據去控制攝像機電源、雨刷等能同時進行的動作，這里用ULN2803去驅動光耦雙向可控硅電路，ULN2803是與MC1413(ULN2003)類似的驅動電路。,圖1031 硬件解碼器的實用電路,輸入部分采用RS485接口芯片75176，所以在控制器發(fā)信號的部分，單片機經鎖存器給VD5026送地址、數據，VD5026的輸出信號通過RS485接口芯片75172或75174輸出。 硬件解碼器線路簡單，抗干擾性能好，實際的使用效果也證明了這一點。在解碼器沒有其他諸如數據采集、計算等附加功能時，用硬件解碼器比單片機解碼器效果好。,10.5 控制器和解碼器的連接,10.5.1 兩種連接方式 控制器與解碼器的連接方式通常有星型和總線型兩種方式。 1.星型連接 星型連接要求在控制信號的發(fā)送端有一個多路輸出的串行信號分配驅動裝置，它的每一路輸出接到一個解碼器，如圖1032所示。,信號分配可以是控制器的一部分，比如用RS485接口電路。一片75174有4路輸出，用4片75174共有16路輸出，沒有必要做成一個專門的設備。 一般情況下,星型連接控制電纜與視頻電纜可以一起敷設，便于施工，所以用得較多。有的電纜廠還生產視頻電纜附帶兩根控制線的一體化電纜，使用起來更加方便。,圖1032 控制器和解碼器的星型連接,圖1033 控制器和解碼器的總線型連接,2. 總線型連接 總線型連接是一個控制信號發(fā)送端連接到多個解碼器，如圖1033所示。這時，最好選用較低的串行信號波特率。最遠的一個解碼器輸入阻抗與線路特性阻抗匹配，其余的各個解碼器輸入設為高阻。因為這樣連接控制電纜與視頻電纜路徑不同，給敷設線纜帶來不便，所以較少采用。,在實際使用中，常采用星型連接與總線型連接相結合的方法。在控制器一端，將串行控制信號分配后多路輸出?？梢愿鱾€解碼器各接一路輸出，對相距不遠的解碼器也可以并聯后接到一路輸出上。 當采用光纖傳送視頻信號時，應在光纜中加做兩根控制線，這樣可使施工方便。視頻信號在場消隱期間不傳送有用信息，可以在場消隱期間利用視頻電纜傳送控制信號，但需要在視頻電纜兩端附加特殊的疊加與分離裝置。這種方法在國內很多廠家獲得成功，但終因不方便，未被推廣使用。,10.5.2 接口電路的保護 當解碼器與控制器相距較遠，且現場電磁干擾較嚴重時，往往會使接口電路突然損壞。 一般可接兩個穩(wěn)壓二極管進行保護，另一種更有效的保護器件是TVP。TVP(Transient Voltage Supperssor)也稱TVS，是瞬變電壓抑制器，外型與普通二極管無異，電路符號與穩(wěn)壓二極管相同，但卻能吸收高達數千瓦的浪涌功率，,當TVP管兩端經受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度變?yōu)榈妥杩?，吸收一個大電流，從而把它兩端的電壓鉗制在一個預定的電壓值，保護后面的電路元件不因瞬態(tài)高電壓的沖擊而損壞。TVP的特性由三組電壓、電流值決定。,1.最大轉折電壓UR UR反映TVP管在反向擊穿前的臨界狀態(tài)，即TVP能承受的最大電壓。TVP管加上UR后的反向漏電流應小于或等于最大反向漏電流IR。 2.擊穿電壓UB UB是TVP管中流過測試電流IT時(一般為1mA)，TVP管兩端的電壓。,3.最大鉗位電壓UC UC是當TVP管中流過瞬時峰值脈沖電流IPP時，TVP管兩端電壓升到UC后不再上升，從而實現保護，所以UC是最重要的參數。 箝位因子 Cf=UCUB 瞬時脈沖功率 PM=UCIPP TVP管所能承受的瞬時脈沖指的是不重復的脈沖，脈沖重復率為0.01%，如不符合這一條件，脈沖功率的積累有可能損壞TVP管。,選用TVP管要注意： (1)UC應低于被保護元件的極限電壓。75173和75175的輸入共模電壓最大值、輸入差動電壓最大值分別是25V、25V。MC3486的輸入共模電壓最大值、輸入差動電壓最大值分別是15V、25V。 (2)UR應高于被保護元件的工作電壓。75173和75175的輸入共模電壓推薦操作值、輸入差動電壓推薦操作值分別是12V、12V。MC3486的輸入共模電壓推薦操作值、輸入差動電壓推薦操作值分別是7V、6V。,(3) 瞬時沖擊電壓是雙極性時用雙極性管TVPC，或用兩個單極性管對接。 圖1034是用TVP管保護RS485接口電路免受大功率瞬時沖擊的接法。因為一般大功率瞬時沖擊電壓加在傳輸線與大地之間，所以TVP管也應接在傳輸線與大地之間，兩端的電阻是線路阻抗匹配電阻。,圖1034 用TVP管保護RS485接口電路 免受大功率瞬時沖擊,