采用无线传输方式实现图像音频传输控制系统的设计

作者：高青松，陈旭文，郭世明

引 言

长期以来，我国铁路各大机务段对电力机车进行动力学实验时，一般是将被测试机车上的视频信号以及状态信号通过有线电缆传输到动力试验车上。考虑到机车现场环境的特殊性，有线电缆传输方式使用不便且易损坏，本系统就是针对这种情况而开发的，采用无线传输方式实现系统所需功能，其使用方便、性能可靠，在很大程度上提高了牵引实验的工作效率。

1 系统总体结构

该系统通过无线图像音频传输模块将机车司机室摄像机拍摄的图像信息传送到试验车端显示器，以及实现两端语音传输。通过开关量采集模块采集试验车端云台控制器发出的控制指令，采用点对点的无线通信方式，将采集来的数据按GFSK调制方式通过无线数传模块调制成微波信号发送；接收端无线数传模块接收到数据后，由开关量接收与驱动模块给出摄像机与云台控制指令，以对司机室摄像机和云台进行远程无线操作，让试验车上工作人员观察到机车司机室和机车前方路况的清晰图像。

硬件系统由无线图像音频传输系统、摄像头与云台无线控制系统组成，包括无线图像音频发射模块、无线图像音频接收模块、云台控制器无线发射模块、云台控制器无线接收与驱动模块、摄像机与云台、显示器以及相关电源模块，如图1所示。

2 系统硬件电路设计

2.1 无线图像音频传输系统

采用2.4 GHz无线图像音频传送器，该传送器利用微波无线电传输技术，可靠传输距离可达1 000 m。具有良好的微波抗干扰性能，载波频率达2.4 GHz，有效地避免了900 MHz等频段拥挤不堪的无线电话信号和其他电磁干扰信号，也避免了本系统对其他无线通信设备的干扰。同时具有优良的视／音频接收品质，采用性能优越的调频方式，具有宽频特性，且信噪比高。

2.2 摄像机与显示器

采用具有22X光学变焦镜头和数码变焦IC，以及多达220X的变焦监视能力。具有低光监视、白平衡、背光补偿以及自动聚焦等功能，可拍摄到高清晰远距离的视频图像，满足机车现场环境的需要。显示器采用普通彩色电视机。

2.3 摄像头与云台无线控制系统

2.3.1 开关量采集模块

由位于试验车的云台控制器产生11路开关量控制信号，分别为：摄像机变焦小、变焦大，聚焦近、聚焦远，光圈开、光圈关，云台上、下、左、右，自动扫描。微处理器采用ATMEL公司的AT89C52，AT89C52与MCS-51系列单片机完全兼容，采用静态时钟方式，耗电量低。内部含有8KB Flash存贮器，可以方便地利用编程器对其进行编程和擦除操作。

AT89C52的资源分配为：P0口采集摄像机控制信号，P1口用于看门狗电路和指示灯控制，P2口采集云台控制信号。串口TXD和RXD通过MAX485芯片与无线数传模块相连。P0口和P2口分别通过2个9脚1 kΩ排电阻将其电平可靠上拉。系统时钟频率为11.059 2 MHz。按键按下时低电平“0”有效，无按键按下时P0口和P2口的状态都为“0xFF”，如图2所示。

2.3.2 开关量接收与驱动模块

本模块微处理器同样采用AT89C52，通过AT89C52的串口接收无线数传模块发来的控制指令数据，将其解码后输出到P0口和P2口，再通过74LS04反向输出到继电器驱动芯片ULN2803，ULN2803将数据再反向后输出到DC5V继电器线圈，如图3所示。图3中只画出前4路信号，D10到D13为AT89C52输出数据，通过DO0到DO3控制继电器线圈得失电，以接通或关断AC24V云台控制电源和DC±5 V摄像机控制电源。将ULN2803的输入输出脚两两并联起来，以提高负载驱动能力。

为防止摄像机与云台的控制电机同时施加反向电压而造成电机损坏的事故，对于相关继电器进行了互锁处理。

2.4 无线通信模块

采用STR-15低功率无线数传模块，最大发射功率为500 mW，载波频率433 MHz，基于GFSK调制方式。采用高效前向纠错信道编码技术，提高数据抗突发干扰和随机干扰能力，在信道误码率为10-3时，可得到实际误码率10-5～10-6。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。提供2个串口、3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口，COM2由用户自定义为标准RS232／RS485口。STR-15的结构组成原理如图4所示。

STR-15可靠传输距离达200 m，完全满足试验车与机车之间的距离要求。

2.5 系统抗干扰设计

电力机车上各种电磁干扰十分严重，必须着重考虑系统的抗干扰性能。

2.5.1 看门狗电路的设计

采用Xicor公司X25045芯片，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控3种功能组合在单个芯片内，简化了硬件设计，提高了系统的可靠性。当系统受到干扰，程序“跑飞”时，看门狗定时器在预置时间内没有总线活动，则X25045从RESET输出一个高电平信号，使AT89C52复位。看门狗电路原理图如图5所示。

2.5.2 无线通信可靠性设计

RS485是一种平衡差分驱动，半双工的串行通信接口标准，具有传输距离远、抗干扰性强等优点。系统中配置了MAX485进行TTL电平和RS485电平的转换，使AT89C52与STR-15之间进行可靠的通信。考虑到车内环境的复杂性，采用阻抗匹配的外置天线，将其安装在车厢外，确保无线传输的可靠有效。

3 系统软件设计

采用查询式算法，采集发送程序和接收驱动程序都是循环执行的。控制指令数据帧格式如表1所示，将镜头控制数据，云台控制数据以及校验和3个字节作为1帧数据进行发送。

AT89C52串口波特率初始化为19 200 bps，与STR-15波特率相匹配，选用较快的波特率可以保证操纵镜头和云台动作的时效性，操作时不会产生较明显的延迟感。系统程序流程图如图6所示。程序中包括了对开关量的消抖处理、通信握手、数据校验等环节。

4 结 论

本文从硬件和软件2个方面对该系统进行了介绍，对于系统的关键性技术进行了详细论述。由于采用了切实有效的抗干扰措施，在该系统投入成都铁路局现场运行之后，未发现异常现象，系统运行状况良好。该系统也具有一定的推广性，可用于其他无线监控场合，如银行、社区监控等。

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