基于光纜的深海攝像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

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）

隨著陸地資源日益匱乏，許多國(guó)家加快了對(duì)海洋資源的勘探和開(kāi)發(fā)。我國(guó)雖是一個(gè)海洋大國(guó)，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(guó)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(guò)壓縮編碼，而復(fù)原后的視頻質(zhì)量嚴(yán)重下降，無(wú)法滿足視頻監(jiān)控的要求。在國(guó)外，發(fā)達(dá)國(guó)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(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)可視化及現(xiàn)場(chǎng)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(cāng)兩個(gè)部分，兩者通過(guò)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(guò)串口傳給甲板光纖通信模塊，然后經(jīng)過(guò)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(kāi)與關(guān)閉。當(dāng)攝像機(jī)和高度計(jì)被打開(kāi)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(guò)光纜傳到工控機(jī)，并顯示在上位機(jī)控制界面上。當(dāng)開(kāi)啟視頻監(jiān)控功能時(shí)，工控機(jī)就開(kāi)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(chǎng)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pinto-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(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求。而串并轉(zhuǎn)換芯片則是用來(lái)將串行的數(shù)據(jù)流還原成原來(lái)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(guò)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ATRB2023-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(guò)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(kāi)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(guò) I/O控制繼電器，進(jìn)而控制設(shè)備的打開(kāi)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)?。基于Verilog 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(guò)8b/10b平衡編碼后，才能保證高速、長(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)的控制命令，通過(guò)解析控制命令來(lái)控制相應(yīng)設(shè)備的打開(kāi)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(kāi)發(fā)，開(kāi)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(guò)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(guò)程中，運(yùn)行穩(wěn)定。相對(duì)于國(guó)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)。

[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(guó)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.