《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于光纜的深海攝像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第3期
劉敬彪,琚汝強(qiáng),盛慶華
杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州310018
摘要: 為了滿足海洋資源勘探和開發(fā)過程中對(duì)可視化的需求,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)主要由上位機(jī)控制界面、視頻及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)組成,具有視頻存儲(chǔ)功能,以滿足視頻回放的需求。
中圖分類號(hào): TN919.5
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)03-0030-03
Design and implementation of camera system in deep sea based on optical cable
Liu Jingbiao,Ju Ruqiang,Sheng Qinghua
Electronic Information Institution,Hangzhou Dianzi Science University, Hangzhou 310018,China
Abstract: In order to meet visualization demand needed by the process of marine resources exploration and development, this paper designs and implements a deep-sea camera system based on optical cable, which mainly consists of PC control interface, video and data transmission system and equipment control system. In addition, this system has video storage function, which makes replay possible.
Key words : visualization;deep-sea camera system;armoured optical cable

    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)
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