文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)03-0030-03
隨著陸地資源日益匱乏,許多國家加快了對(duì)海洋資源的勘探和開發(fā)。我國雖是一個(gè)海洋大國,但在這方面起步較晚,相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及配套技術(shù)都比較缺乏。目前,國內(nèi)大部分的水下攝像系統(tǒng)都是基于鎧裝同軸電纜,受限于電纜的帶寬和傳輸特性,當(dāng)傳輸2路及以上視頻圖像時(shí),所傳輸?shù)囊曨l信號(hào)必須經(jīng)過壓縮編碼,而復(fù)原后的視頻質(zhì)量嚴(yán)重下降,無法滿足視頻監(jiān)控的要求。在國外,發(fā)達(dá)國家均采用鎧裝光纜(光纖具有纖頻帶寬、傳輸容量大、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn))作為通信介質(zhì),而電纜一般情況下僅作為動(dòng)力傳輸纜。
本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基于光纜的攝像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了4路視頻信號(hào)和2路RS232數(shù)據(jù)的傳輸,很好地滿足了“海洋六號(hào)”船在海洋資源勘探和開發(fā)過程中對(duì)可視化及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的需求。
1 系統(tǒng)工作原理
基于光纜的深海攝像系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)分為水上的甲板通信機(jī)和水下耐壓倉兩個(gè)部分,兩者通過鎧裝光纜相連,并由甲板電源供電。鎧裝光纜內(nèi)有3根動(dòng)力纜用于傳輸電源動(dòng)力,1根光纜(含有4根光纖)用于傳輸視頻數(shù)據(jù)、傳感器上行數(shù)據(jù)及下行命令信號(hào)。視頻及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由甲板光纖通信模塊和水下光纖通信模塊組成,分別是視頻圖像的接收端和發(fā)送端。由于海洋環(huán)境的特殊性,本系統(tǒng)還帶有水下照明燈和高度計(jì)等設(shè)備。
甲板工控機(jī)的上位機(jī)控制界面發(fā)出的設(shè)備控制命令,通過串口傳給甲板光纖通信模塊,然后經(jīng)過光纜傳至水下光纖通信模塊,最后到達(dá)設(shè)備控制板。命令經(jīng)解析后,控制相應(yīng)的繼電器實(shí)現(xiàn)水下設(shè)備的打開與關(guān)閉。當(dāng)攝像機(jī)和高度計(jì)被打開后,攝像機(jī)的視頻數(shù)據(jù)會(huì)直接傳到水下光纖通信模塊,而高度計(jì)和供電電壓值等數(shù)據(jù)在設(shè)備控制板內(nèi)被封裝成數(shù)據(jù)幀后,再傳給水下光纖通信模塊。視頻和被封裝的數(shù)據(jù)以時(shí)分復(fù)用的方式,通過光纜傳到工控機(jī),并顯示在上位機(jī)控制界面上。當(dāng)開啟視頻監(jiān)控功能時(shí),工控機(jī)就開始存儲(chǔ)視頻;停止監(jiān)控后,就可以回放所存儲(chǔ)的視頻。
2 系統(tǒng)硬件
系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分:甲板光纖通信模塊、水下光纖通信模塊和水下控制設(shè)備系統(tǒng)。水下攝像機(jī)、照明燈和高度計(jì)等設(shè)備都是性能較好的產(chǎn)品。
2.1 甲板光纖通信模塊和水下光纖通信模塊
由甲板光纖通信模塊和水下光纖通信模塊組成的視頻及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)不同于陸地上經(jīng)常使用的光端機(jī)。陸地上使用的光端機(jī)一般只傳輸視頻信號(hào)和控制命令,而本系統(tǒng)中,水下光纖通信模塊除了傳輸視頻信號(hào),還要傳輸2路傳感器信號(hào),以獲取勘探現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。
甲板光纖通信模塊和水下光纖通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。所選用的可編程器件是Xilinx公司型號(hào)為XC95288XL的CPLD芯片。CPLD包含有:288個(gè)宏單元,6 400個(gè)邏輯門,PQFP封裝,168個(gè)可用引腳,6 ns的pin-to-pin邏輯延遲,最高工作頻率可達(dá)208 MHz,是一款3.3 V電壓供電、高性能、低功耗、用于通信和運(yùn)算的CPLD[1]。
水下光纖通信模塊有4路視頻采集電路,使用的視頻采集ADC為AD9280,它是一款8 bit、CMOS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,工作頻率最高可達(dá)32 MHz,工作電壓范圍在2.7 V~5.5 V之間,完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。此外,AD9280性價(jià)比高。甲板光纖通信模塊使用的視頻恢復(fù)DAC為DAC908E,它是一款低功耗電流輸出型8 bit并行高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器,最大轉(zhuǎn)換速率高達(dá)165 MS/s,單端供電電壓為3 V或5 V。非常適用于復(fù)合視頻等方面。
并串和串并轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸作用非常重要。并串轉(zhuǎn)換芯片將從CPLD得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高速串行的數(shù)據(jù)流,以滿足傳輸過程對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求。而串并轉(zhuǎn)換芯片則是用來將串行的數(shù)據(jù)流還原成原來的并行數(shù)據(jù),然后交給CPLD處理。本系統(tǒng)中使用的串并和并串轉(zhuǎn)換芯片分別為SN65LV1023A和SN65LV1224B,它們是10 bit的串行解串器,工作頻率為10 MHz~66 MHz。SN65LV1224B芯片可以還原出嵌在高速串行數(shù)據(jù)流中的時(shí)鐘,該時(shí)鐘用于兩模塊之間的數(shù)據(jù)同步。此外,SN65LV1224B還有一個(gè)同步提示管腳,當(dāng)模塊兩邊的時(shí)鐘同步后,它會(huì)輸出低電平[2]。
光電轉(zhuǎn)換模塊把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)轉(zhuǎn)換后,視頻和數(shù)據(jù)才能通過光纜進(jìn)行傳輸。根據(jù)帶寬及傳輸距離的要求,選用了奧雷光電公司的光電轉(zhuǎn)換模塊ATR-B2023-ST和ATR-B2024-ST,是非平衡光電轉(zhuǎn)換器件,工作電壓為5 V,視頻信號(hào)帶寬為1.25 Gb/s,控制命令速率為84 Mb/s,傳輸距離可達(dá)20 km。
晶振的頻率為54 MHz,經(jīng)過CPLD 4分頻后,作為ADC和DAC的工作頻率。
2.2 水下設(shè)備控制系統(tǒng)
水下設(shè)備控制系統(tǒng)主要完成控制設(shè)備的打開與關(guān)閉、采集供電電壓值等。本系統(tǒng)選用的MCU芯片是C8051F020,它具有豐富的片內(nèi)資源,如64個(gè)數(shù)字I/O引腳,內(nèi)嵌12 bit、100 KS/s的8通道ADC,2個(gè)12 bit的DAC,片內(nèi)看門狗定時(shí)器等。因此,C8051F020能夠滿足控制系統(tǒng)的需要,并且為以后的擴(kuò)展留有很大的空間。
在本系統(tǒng)中,C8051F020通過I/O控制繼電器,進(jìn)而控制設(shè)備的打開與關(guān)閉;利用內(nèi)嵌的ADC采集供電電壓。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括視頻及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、水下設(shè)備控制系統(tǒng)和上位機(jī)控制界面的程序設(shè)計(jì)三個(gè)部分。
3.1 視頻及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)[3-4]
該系統(tǒng)主要完成視頻和數(shù)據(jù)的采集、處理及傳輸?shù)??;赩erilog HDL,采用自上而下的設(shè)計(jì)方法對(duì)可編程器件CPLD進(jìn)行編程。程序包括1個(gè)頂層文件和3個(gè)模塊,這3個(gè)模塊分別為: 8b/10b編解碼模塊、曼徹斯特編解碼模塊和串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊。
(1)8b/10b編解碼模塊。由于選用的光電轉(zhuǎn)換模塊是非平衡的,所以發(fā)送給轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)流必須在CPLD中經(jīng)過8b/10b平衡編碼后,才能保證高速、長距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性。該模塊將輸入的8 bit數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則編碼成10 bit,然后傳給光電轉(zhuǎn)換模塊。8b/10b編解碼模塊用來處理視頻和傳感器數(shù)據(jù)。
(2)曼徹斯特編解碼模塊??刂泼畹膫鬏斖ǖ浪俾士蛇_(dá)84 Mb/s。同樣,為了保證控制命令高速、長距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性,需要對(duì)其進(jìn)行平衡編碼。曼徹斯特編碼模塊將“0”編為“01”,“1”編為“10”,消除直流分量,從而使控制命令具有良好的抗干擾性能。
(3)串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊。水下光纖通信模塊中的串口數(shù)據(jù)接收模塊接收從C8051F020傳來的數(shù)據(jù),然后采用分時(shí)復(fù)用的方法,與視頻數(shù)據(jù)一起發(fā)送到甲板上的光纖通信模塊;甲板上的光纖通信模塊得到數(shù)據(jù)后,分別送入相應(yīng)視頻和數(shù)據(jù)端口。
頂層文件主要完成數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用的控制。當(dāng)甲板光纖通信模塊和水下光纖通信模塊同步后,水下光纖通信模塊一直發(fā)送視頻數(shù)據(jù);當(dāng)串口接收數(shù)據(jù)模塊收到傳感器數(shù)據(jù)時(shí),在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)。程序設(shè)計(jì)的過程中特別要注意以下兩個(gè)方面:(1)控制部分應(yīng)該用有限狀態(tài)機(jī)來編寫;(2)串并轉(zhuǎn)換芯片SN65LV1224B的工作時(shí)鐘由本模塊的晶振提供,甲板光纖通信模塊則使用由SN65LV1224B恢復(fù)出來的時(shí)鐘作為工作時(shí)鐘,以保證兩模塊的同步。
3.2 水下設(shè)備控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
水下設(shè)備控制系統(tǒng)接收水下光纖通信模塊傳來的控制命令,通過解析控制命令來控制相應(yīng)設(shè)備的打開與關(guān)閉。此外,還要采集供電電壓值、讀取傳感器數(shù)據(jù),并將得到的數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀,傳給水下光纖通信模塊。
3.3 上位機(jī)控制界面程序設(shè)計(jì)[5]
上位機(jī)控制界面采用C#開發(fā),開發(fā)環(huán)境是Visual Studio 2008,整體上可分為5個(gè)區(qū)域:(1)菜單欄:包括系統(tǒng)配置和其他輔助控制;(2)監(jiān)視參數(shù)區(qū):顯示系統(tǒng)運(yùn)行過程中必要的監(jiān)視參數(shù);(3)雙路視頻顯示區(qū);(4)水下設(shè)備控制區(qū):在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),對(duì)視頻及其他設(shè)備進(jìn)行控制;(5)狀態(tài)欄:顯示最新接收的數(shù)據(jù)幀、系統(tǒng)時(shí)間及使用校準(zhǔn)文件的狀態(tài)。
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于光纜的深海攝像系統(tǒng),
系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室及南海的海試中獲得了成功,在整個(gè)海試及后續(xù)深海作業(yè)的過程中,運(yùn)行穩(wěn)定。相對(duì)于國外的同類產(chǎn)品,本系統(tǒng)成本較低,性價(jià)比高,具有光纜的科考船都可配備本系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1] Xilinx Inc.XC95288XL high performance CPLD[EB/OL]. (2007-04-03)[2011-09-15].http://www.xilinx.com/support/documentation/xc9500xl.htm.
[2] TI Inc.10 MHz To 66 MHz,10:1 LVDS serializer/deserializer.[EB/OL].(2009-12-07)[2011-09-15].http://www.ti.com/product/sn65lv1023a.
[3] 陳曦,邱志成,張鵬,等.基于Verilog HDL的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:中國水利水電出版社,2009.
[4] 劉福奇,劉波.Verilog HDL應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.
[5] NAGEL C,EVJEN B,GLYNN J著.C#高級(jí)編程(第6版)[M].李銘譯.北京:清華大學(xué)出版社,2008.