嵌入式系統(tǒng)在探測(cè)型水下電視系統(tǒng)中的應(yīng)用

查 智，盧海洋

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

水下電視系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于海洋研究與開發(fā)的各個(gè)方面，包括海底科學(xué)考察、海底地形測(cè)繪、海洋生物研究、水下安保工作、水下武器試驗(yàn)監(jiān)控和測(cè)量、沉船打撈和油田深海作業(yè)等。在某大型壩區(qū)水下壩面檢測(cè)項(xiàng)目中，需要對(duì)某壩面進(jìn)行全面檢測(cè)，利用水下電視系統(tǒng)把水下情況實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，并遠(yuǎn)程傳輸?shù)街醒肟刂剖业挠?jì)算機(jī)上，在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，操作人員可以在控制室遠(yuǎn)程控制水下電視系統(tǒng)的各個(gè)部件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能［1］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。移動(dòng)水下電視系統(tǒng)由2臺(tái)水下環(huán)境中視場(chǎng)角為不低于45°的水下攝像機(jī)組成。每1臺(tái)水下攝像機(jī)配備兩個(gè)鹵鎢燈光源，在光線不足時(shí)補(bǔ)充照明，從而完成24 h 監(jiān)控任務(wù)。攝像機(jī)和光源的電源由水下控制單元控制。系統(tǒng)包含攝像機(jī)的2 路視頻信號(hào)和四個(gè)燈及兩路攝像機(jī)電源控制信號(hào)，這幾路信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸功能由1 套光端機(jī)組和光纖實(shí)現(xiàn)，傳輸距離可達(dá)5 km 以上。水下控制單元的控制信號(hào)與光端機(jī)發(fā)送端的串口相連接，2 路視頻信號(hào)分別與光端機(jī)發(fā)送端的2 個(gè)視頻口連接，水下光端機(jī)發(fā)送端把2 路視頻信號(hào)和串口信號(hào)調(diào)制成光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸給水面光端機(jī)，同時(shí)將光信號(hào)解調(diào)成電信號(hào)，即串口信號(hào)，用來(lái)控制各執(zhí)行結(jié)構(gòu)。水面光端機(jī)接收端把光信號(hào)分別還原成電信號(hào)，用于顯示與監(jiān)控;同時(shí)將電信號(hào)調(diào)制成光信號(hào)發(fā)送給水下光端機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 LX3160 工控機(jī)

PC104 工控機(jī)，它是與普通PC 機(jī)100%兼容的層疊式嵌入計(jì)算機(jī)，超小體積和功耗，單+5 V 供電，寬工作溫度范圍，使PC104 被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等對(duì)體積、功耗和可靠性有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。PC104 資源豐富，百兆以上的CPU、4 個(gè)串口、多路可編程數(shù)字I/O 口、10M/100M 自適應(yīng)網(wǎng)口、USB 口，通過(guò)總線可擴(kuò)展其它板卡，增加串口、8255、CAN等多種資源，且PC104 運(yùn)行極其穩(wěn)定，是一種首選的工控機(jī)。PC104 硬件資源框圖如圖2。

2.2 ADT800 采集板

模擬輸入:16 單端/8 差分輸入;16 位分辨率;200 kHz最大A/D 采樣率;量程0 ～+10V，+ / -5V，+ / -10V，雙極性或單極性輸入量程;×1，2，4，8 倍可編程增益;FIFO:1024個(gè)數(shù)據(jù)深度;觸發(fā)方式:軟件、外部TTL、定時(shí)器;數(shù)據(jù)傳輸:I/O查詢、中斷、DMA。

模擬輸出:4 通道輸出;12 位分辨率;-5 ～+5V，-10 ～+10V，0 ～5V，0 ～10V 量程。

數(shù)字I/O:uPD71055(82C55)可編程外圍接口(PPI);24通道TTL/CMOS 兼容;I/O 接口上拉或下拉限流電阻;74HCT245 驅(qū)動(dòng)I/O。

計(jì)數(shù)器/定時(shí)器:82C54 可編程定時(shí)器，含3 個(gè)16 位，最大10 MHz 計(jì)數(shù)/定時(shí)器;計(jì)數(shù)器/定時(shí)器可選時(shí)鐘源(內(nèi)部或外部)，可級(jí)聯(lián)。

2.3 水下電視控制底板硬件電路設(shè)計(jì)

新型移動(dòng)水下電視有電機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)、電視電源控制、電視圖像光傳輸設(shè)備、漏水報(bào)警電路、電壓信號(hào)采集、電流信號(hào)采集等［3-5］。電視圖像由水面操控臺(tái)內(nèi)的光端機(jī)還原為視頻信號(hào)，再由采集卡采集傳入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行圖像顯示。其中漏水報(bào)警電路原理圖如圖3，電機(jī)控制電路原理圖如圖4，電視電源控制電路如圖5。

圖3 漏水報(bào)警電路圖

圖4 電機(jī)控制電路圖

圖5 電視電源控制電路圖

3 水下電視設(shè)計(jì)與組成

水下電視由水下攝像機(jī)與水下照明兩部分組成，水下照明采用雙燈方式，布置在水下攝像機(jī)的兩側(cè)，水下照明燈盡量布置在水下攝像機(jī)鏡頭后方，并與水下攝像機(jī)保持一定距離［2］。

3.1 水下照明基本組成

水下照明的組成框圖如圖6 所示，主要由光窗、光源、反光鏡、密封體、水密電纜、控制裝置等組成。

圖6 水下照明組成框圖

3.2 水下攝像機(jī)基本組成

水下攝像機(jī)的組成框圖如圖7 所示，主要由光窗、攝像機(jī)、密封體、水密電纜、控制裝置等組成。

圖7 水下攝像機(jī)組成框圖

3.3 水下照明燈主要性能參數(shù)

水下照明的主要性能參數(shù)包括以下內(nèi)容:水下光束開角:不大于60°;光源類型:鹵鎢燈;電壓:24 V;單燈功率:30 W;使用最大水深:300 m。

3.4 水下攝像機(jī)主要性能參數(shù)

水下攝像機(jī)選用三洋電機(jī)的VCC-MD810PC，其主要性能參數(shù)包括以下內(nèi)容:攝像頭:1/4″ Exview HAD CCD;水平開角:廣角時(shí)不低于60°;分辨率:520 線以上;靈敏度:0.05lux;電壓:6 ～12 V;功率:2.1 W;工作溫度:-10° -50°;重量:240 g;使用水深:300 m。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 操控臺(tái)與水下控制單元串口通信協(xié)議

串口類型:RS232;端口地址:0x3 E8 ～0x3EF;IRQ:5;中斷向量:0x0f;波特率:19 200 bit/s;數(shù)據(jù)位:8 bit;起始位:1 bit;停止位:1 bit;無(wú)奇偶校驗(yàn)位;數(shù)據(jù)包:二進(jìn)制專用協(xié)議;通訊模式:全雙工通訊;類型:二進(jìn)制。

發(fā)送數(shù)據(jù)包格式:0x4a + 0x7e + 數(shù)據(jù)正文+ 效驗(yàn)和字節(jié);

接收數(shù)據(jù)包格式:實(shí)時(shí)操控?cái)?shù)據(jù)包格式:0x55 +0x33 +數(shù)據(jù)正文+效驗(yàn)和字節(jié)。

4.2 水下控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖8 所示。水下控制軟件設(shè)計(jì)基于Vxworks 操作系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境為Tornado 2.2。根據(jù)水下電視系統(tǒng)的實(shí)際情況，把整個(gè)系統(tǒng)劃分為模擬量采集、數(shù)字量控制與采集、電機(jī)速度控制與狀態(tài)查詢、數(shù)據(jù)通信、應(yīng)急保護(hù)等幾個(gè)任務(wù)。任務(wù)劃分充分考慮到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與軟件效率。根據(jù)水下電視系統(tǒng)的特點(diǎn)，將應(yīng)急保護(hù)設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)。進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，在主任務(wù)中啟動(dòng)其它任務(wù)。

圖8 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計(jì)中的任務(wù)調(diào)度機(jī)制采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度模式:CPU 被分配給最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，如果幾個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同，CPU 就被分配給最先進(jìn)入就緒隊(duì)列的任務(wù)。如果一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行過(guò)程中，另外一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，則原來(lái)正在進(jìn)行的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，新任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)各種功能的程序按照功能劃分成了一個(gè)個(gè)的任務(wù)，每一種任務(wù)實(shí)現(xiàn)一種功能，任務(wù)之間相互獨(dú)立，只通過(guò)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real-Time Operating System)機(jī)制交換信息。這從根本上保證了軟件的可靠性和實(shí)時(shí)性。

4.3 水面操控軟件設(shè)計(jì)

水面操控軟件設(shè)計(jì)基于Windows XP 操作系統(tǒng)，編程環(huán)境為Microsoft Visual studio 2005，編程語(yǔ)言為C#，軟件主要完成操控指令的下發(fā)，接收水下控制單元的狀態(tài)信息等，水面操控軟件流程的如圖9 所示。

圖9 水面操控軟件結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

由以LX3160 主板為核心的水下控制單元、光端機(jī)、推進(jìn)電機(jī)、圖像采集卡和相應(yīng)的軟件構(gòu)成的移動(dòng)水下電視系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于某大型水壩和某刑事犯罪案件水下取證等水下監(jiān)控系統(tǒng)中，可避免使用潛水員的高危險(xiǎn)性，降低了探測(cè)成本，使監(jiān)控系統(tǒng)增加了智能化程度，提高了水下監(jiān)控能力。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水下電視系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，操作簡(jiǎn)單可靠，水下移動(dòng)性能好，水下圖像清晰，有較好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

［1］孫傳東，李馳，陳良益.水下電視遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(5):75-77.

［2］徐剛，王欣.水下電視成像系統(tǒng)在潛艇上的應(yīng)用［J］.艦船光學(xué)，2003，39(3):3-6.

［3］徐向民，邢曉芬，華文龍，李磊.ALtium Designer 快速入門［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［4］李現(xiàn)勇.Visual C++串口通訊技術(shù)與工程實(shí)踐［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［5］鄭耀東. C#從入門到實(shí)踐［M］. 北京:清華大學(xué)出版社.2009.