基于串行指令的紅外探測(cè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志偉，鐵躍煥，寧新建

（空軍第一航空學(xué)院航空軍械工程系，河南信陽(yáng)464000）

0 引 言

自然界中任何溫度高于絕對(duì)溫度零度的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射，紅外輻射是一種不可見(jiàn)光。紅外探測(cè)就是利用紅外輻射的特性，在其傳播的“大氣窗口”內(nèi)將目標(biāo)的不可見(jiàn)紅外光信息轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)的視頻圖像信息，即通過(guò)探測(cè)設(shè)備將攜帶待測(cè)目標(biāo)信息的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，供電子系統(tǒng)進(jìn)一步處理、檢測(cè)和輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效探測(cè)和定位［1］。

對(duì)于紅外探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一方面中要解決光學(xué)信號(hào)的探測(cè)、轉(zhuǎn)換問(wèn)題［2］，另一方面要解決信號(hào)的處理、輸出問(wèn)題［3］。為此，根據(jù)任務(wù)要求對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行性能設(shè)置和功能控制，對(duì)改善整個(gè)系統(tǒng)性能，提高探測(cè)效果具有至關(guān)重要的意義［4］。

1 紅外探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)紅外輻射圖像的信息采集和功能控制，設(shè)計(jì)了如圖1所示的紅外遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)子系統(tǒng):紅外圖像采集子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)處理與控制子系統(tǒng)。

圖1 紅外遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 紅外圖像采集子系統(tǒng)

主要組成是紅外相機(jī)和接口電路，主要作用是:

（1）將外界目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)進(jìn)行輸出；

（2）接收并執(zhí)行經(jīng)由RS232總線傳來(lái)的控制指令。

本系統(tǒng)選用的紅外相機(jī)為FLIR Commercial Systems公司生產(chǎn)的Tau系列產(chǎn)品，它提供了一個(gè)50針的Hirose外部接頭，主要提供5個(gè)方面的功能端口:4－6V（1W）電源、模擬視頻輸出、指令控制通道、低壓差分信號(hào)（low voltage differential signaling，LVDS）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通道、并行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通道［5］。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用了前三種功能端口。

模擬視頻輸出:具有NTSC和PAL兩種制式，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。信號(hào)輸出既可直接連接到通用的視頻顯示器（如電視）或視頻記錄設(shè)備（如錄像機(jī)），也可通過(guò)同軸電纜（需外接一個(gè)75歐姆的終端電阻）與計(jì)算機(jī)等設(shè)備相連。

指令控制通道:通過(guò)接收來(lái)自RS232總線的串行指令信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外相機(jī)的遠(yuǎn)程控制。該總線只要具有RX（接收）、TX（發(fā)送）、GND（地）3條信號(hào)線即可，信號(hào)電平為3.3V。

1.2 計(jì)算機(jī)處理與控制子系統(tǒng)

主要組成是計(jì)算機(jī)、視頻圖像采集卡、控制軟件等，主要作用是:

（1）通過(guò)視頻圖像采集卡采集來(lái)自紅外相機(jī)的視頻圖像，并將其存儲(chǔ)、顯示；

（2）根據(jù)任務(wù)要求編寫(xiě)并選取控制指令，通過(guò)COM端口經(jīng)由RS232總線發(fā)送至紅外相機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外相機(jī)輸出視頻信號(hào)的采集與處理，系統(tǒng)選用了一款由西安維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MV－810圖像采集卡，該卡提供了兩個(gè)BNC接頭，通過(guò)同軸電纜實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與紅外相機(jī)的視頻傳輸。

在計(jì)算機(jī)中選取任意一個(gè)空閑的COM端口，通過(guò)RS232總線與紅外相機(jī)的指令控制通道相連。

2 紅外圖像采集與控制

從圖1所示的硬件組成結(jié)構(gòu)可以看出，系統(tǒng)主要由以紅外相機(jī)和計(jì)算機(jī)為核心部件的兩大子系統(tǒng)組成，其完成的主要功能可綜合為:紅外圖像的采集與輸出、采集功能的指令控制。工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理

2.1 紅外圖像的采集與輸出

在紅外相機(jī)一端，目標(biāo)紅外輻射通過(guò)光學(xué)透鏡、光學(xué)帶通濾光片，分離出目標(biāo)紅外輻射的光波信號(hào)，然后入射到紅外探測(cè)器表面，紅外探測(cè)器將入射的光子流變換成電子流，其大小正比于光子流的瞬時(shí)強(qiáng)度。再經(jīng)過(guò)前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、處理［6］，產(chǎn)生模擬視頻信號(hào)，通過(guò)電子控制部件將視頻電子信號(hào)傳送到模擬視頻輸出端。

在計(jì)算機(jī)一端，通過(guò)視頻圖像采集卡實(shí)時(shí)采集來(lái)自紅外相機(jī)模擬視頻輸出端口的視頻信號(hào)，經(jīng)由PCI總線傳入內(nèi)存，根據(jù)需要可利用視頻圖像采集卡提供的軟件處理功能對(duì)圖像做進(jìn)一步調(diào)節(jié)，再通過(guò)顯示器顯示輸出。

2.2 探測(cè)功能的指令控制

本系統(tǒng)紅外探測(cè)功能的控制是通過(guò)執(zhí)行來(lái)自RS232總線的遠(yuǎn)程控制指令實(shí)現(xiàn)的。

在計(jì)算機(jī)一端，根據(jù)紅外相機(jī)的編碼規(guī)則對(duì)系統(tǒng)中常用的控制指令進(jìn)行編碼，并保存到指令庫(kù)中［7］。系統(tǒng)應(yīng)用中，根據(jù)任務(wù)需要調(diào)取相應(yīng)的控制指令，發(fā)送至COM端口，經(jīng)由RS232總線傳遞到紅外相機(jī)。

在紅外相機(jī)一端，當(dāng)指令控制通道接收到一組來(lái)自RS232總線的控制指令后，首先根據(jù)指令編碼規(guī)則進(jìn)行代碼校驗(yàn)，如果正確，則通過(guò)指令譯碼器對(duì)指令譯碼，根據(jù)指令功能由電子控制部件對(duì)探測(cè)功能實(shí)施控制。

本相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的指令控制功能主要有:狀態(tài)控制、系統(tǒng)設(shè)置、視頻控制、自動(dòng)增益控制（automatic gain control，AGC）、熱量測(cè)量等。

3 控制指令編碼

3.1 串行通信協(xié)議

本系統(tǒng)所用紅外相機(jī)只能由指令控制通道接收外部控制信息，對(duì)任一合法信息均可產(chǎn)生一個(gè)外部響應(yīng)，相機(jī)本身不向外部發(fā)送任何信息。

所有控制和響應(yīng)信息都遵循如表1所示的串行包協(xié)議。

表1 串行包協(xié)議

表1中所有字節(jié)均按十六進(jìn)制編碼，在串行通信中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收均采用十六進(jìn)制字符串格式。

其中，Status、Function、Data等字節(jié)均可根據(jù)任務(wù)需要查詢相機(jī)的技術(shù)說(shuō)明書(shū)，Byte Count字節(jié)用于指示數(shù)據(jù)包中Data字節(jié)的總數(shù)量，CRC1和CRC2字節(jié)用于串行通信的數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

3.2 循環(huán)冗余校驗(yàn)

在數(shù)據(jù)通信中，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，通常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，其中最有效的方法之一就是采用循環(huán)冗余校驗(yàn)（cyclical redundancy check，CRC）。CRC的最大特點(diǎn)是檢錯(cuò)能力強(qiáng)，開(kāi)銷小，易于用編碼器及檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)，因而在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信中得到了廣泛應(yīng)用。

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境與習(xí)慣的不同，CRC標(biāo)準(zhǔn)可分為CRC－12、CRC－16、CRC－CCITT、CRC－32等多種。其中，CRC－16是美國(guó)采用的16位編碼標(biāo)準(zhǔn)，它由兩個(gè)字節(jié)組成，用于傳送8位的二進(jìn)制字符串。本相機(jī)系統(tǒng)中，無(wú)論是接收信息還是響應(yīng)信息均采用CRC－16標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校驗(yàn)。

3.3 CRC代碼求解

CRC編碼實(shí)際上是一種線性編碼，其基本思想是:

在發(fā)送端，對(duì)于要發(fā)送的k位二進(jìn)制信息碼序列，按照一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)具有r位的校驗(yàn)監(jiān)督碼（即CRC碼），并附在信息碼后邊，構(gòu)成一個(gè)具有k＋r位的新的二進(jìn)制編碼序列，然后發(fā)送出去。

在接收端，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，需要重新計(jì)算CRC值并與收到的CRC值進(jìn)行比較，若二者不同，則說(shuō)明數(shù)據(jù)通訊出現(xiàn)了錯(cuò)誤［8］。

在代數(shù)編碼理論中，一個(gè)碼組可以表示為一個(gè)多項(xiàng)式，碼組中的各碼元可以看作是多項(xiàng)式的系數(shù)。例如1100010可以表示為1·x6＋1·x5＋0·x4＋0·x3＋0·x2＋1·x＋0，即x6＋x5＋x。CRC的基本原理是除法及余數(shù)原理，如果除數(shù)不同，那么CRC的類型也就不一樣。通常，CRC的除數(shù)用生成多項(xiàng)式來(lái)表示［9］。

若要發(fā)送或接收的二進(jìn)制原始信息共有k位，碼組多項(xiàng)式為P（x），其最高冪次即為k－1；設(shè)生成多項(xiàng)式為G（x），其最高冪次為r；并設(shè)CRC多項(xiàng)式為R（x），編碼后帶CRC的信息多項(xiàng)式為T（x）。

發(fā)送方編碼方法為:將P（x）乘以xr（即對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼序列左移r位），再除以G（x），若所得余式為R（x），則T（x）＝xrP（x）＋R（x）。

例如，要傳送的信息碼為1100，生成多項(xiàng)式為1011，即P（x）＝x3＋x2，G（x）＝x3＋x＋1，則CRC的計(jì)算過(guò)程為

得R（x）＝x。由于G（x）最高冪次r＝3，因此R（x）對(duì)應(yīng)的CRC應(yīng)具有3位編碼，即010。

在接收端，將接收到的二進(jìn)制序列數(shù)（包括信息碼和CRC碼）除以生成多項(xiàng)式G（x），如果余數(shù)R（x）為0，則說(shuō)明傳輸中無(wú)錯(cuò)誤發(fā)生。本例中，若接收碼序?yàn)門（x），則

無(wú)余式，說(shuō)明傳輸正確。

在CRC－16標(biāo)準(zhǔn)中，生成多項(xiàng)式為x16＋x12＋x2＋1，對(duì)于某一編碼的二進(jìn)制信息，其相應(yīng)的CRC求解可參上述方法進(jìn)行。

表1中，CRC1的值根據(jù)數(shù)據(jù)包的前6個(gè)字節(jié)計(jì)算得出，CRC2的值則根據(jù)其前面的所有字節(jié)（字節(jié)0－N）計(jì)算得出。

3.4 控制指令編碼

假設(shè)要控制相機(jī)的極性變化，即通過(guò)指令設(shè)置相機(jī)極性為“白熱”或“黑熱”，則根據(jù)表1所示的串行通信協(xié)議，控制指令代碼的第1個(gè)字節(jié)（Process Code）應(yīng)為6E；根據(jù)相機(jī)狀態(tài)字節(jié)的定義，第2個(gè)字節(jié)（Status）應(yīng)為00；第3個(gè)字節(jié)（Reserved）為保留字節(jié)，不妨設(shè)為00；第4個(gè)字節(jié)（Function）及之后的所有字節(jié)，除CRC字節(jié)之外均需查相機(jī)功能代碼表，經(jīng)查表得知［5］，對(duì)應(yīng)的Function代碼為10；Byte Count代碼為00 02，即指令對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)字節(jié)總數(shù)為2；“白熱”對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位（Data）為00 00。至此，除了校驗(yàn)位之外，指令代碼部分均已確定，“白熱”指令的代碼格式可確定為:

按照3.1描述的通信協(xié)議，采用3.3提供的CRC計(jì)算方法，求得“白熱”指令的CRC1和CRC2分別為BC 9A和00 00，因此，“白熱”控制指令的完整通信代碼為:

按照同樣的方法可求得“黑熱”控制指令的完整通信代碼為:

說(shuō)明:代碼中各字節(jié)之間以一個(gè)英文空格隔開(kāi)。

4 控制功能的實(shí)現(xiàn)

4.1 串行通信端口設(shè)置

由于紅外相機(jī)是通過(guò)串行指令控制的，因此要想實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外相機(jī)的遠(yuǎn)程控制，在計(jì)算機(jī)一端，首先要按照通信要求對(duì)串行端口進(jìn)行設(shè)置，其參數(shù)設(shè)置如下:

波特率:57600

數(shù)據(jù)位:8

校驗(yàn)位:None

停止位:1

4.2 指令發(fā)送

根據(jù)任務(wù)要求，從預(yù)先編制好的代碼庫(kù)中調(diào)取相應(yīng)的指令代碼，將包含CRC的指令代碼通過(guò)串口發(fā)送至RS232總線。

發(fā)送規(guī)則是:首先發(fā)送第1個(gè)字節(jié)，然后依次發(fā)送其余的所有字節(jié)。對(duì)于多字節(jié)參數(shù)均按高位優(yōu)先順序（即最高有效位MSB優(yōu)先）發(fā)送。

以“白熱”極性設(shè)置為例，信息發(fā)送功能的部分VC 6.0實(shí)現(xiàn)代碼如下:

4.3 指令接收

在接收端，當(dāng)指令控制通道接收到一條控制指令后，首先按照表1所示的指令規(guī)則對(duì)指令信息重新計(jì)算CRC，并與接收到的CRC比較，如果二者一致，說(shuō)明指令接收正確，然后再對(duì)指令進(jìn)行譯碼，并由相機(jī)的電子控制部件控制相機(jī)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能。

5 測(cè)試分析

5.1 控制效果測(cè)試

通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)向串行端口發(fā)送上例中的“白熱”、“黑熱”控制指令，探測(cè)效果分別如圖3、圖4所示。

圖3 “白熱”控制效果

圖4 “黑熱”控制效果

從圖3和圖4中可以看出，發(fā)出不同的控制指令，系統(tǒng)探測(cè)到的紅外圖像極性發(fā)生了反轉(zhuǎn)，即白的地方變黑，黑的地方變?yōu)榘?。說(shuō)明指令控制正確，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期控制效果。

利用上述方法編寫(xiě)并發(fā)送其它控制指令，如縮放、亮度調(diào)節(jié)等，均能達(dá)到預(yù)期的控制效果。反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

5.2 控制距離測(cè)試

如圖1所示，計(jì)算機(jī)與紅外相機(jī)之間的通信連接主要通過(guò)兩條傳輸線路來(lái)完成:同軸電纜、RS232總線。

本系統(tǒng)采用的同軸電纜為帶有屏蔽層的細(xì)纜，其傳輸距離可達(dá)到200米以上，RS232總線的正常通信距離在15米以內(nèi)，因此限制系統(tǒng)控制距離的主要因素是RS232總線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)RS232總線長(zhǎng)度在15米以內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)均能穩(wěn)定、可靠地工作。隨著距離的增加，通信傳輸可靠性逐漸降低。

為了解決整個(gè)系統(tǒng)的控制距離問(wèn)題，可以對(duì)紅外相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如圖1所示，在Hirose接頭處增加一個(gè)外部連接模塊，該模塊提供一個(gè)Mini USB接口，通過(guò)USB實(shí)現(xiàn)串行控制信號(hào)的傳輸。按照USB 2.0通信規(guī)范，配以傳輸距離延長(zhǎng)設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)到100米左右，能夠滿足一般的遠(yuǎn)程控制需要［10］。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于串行指令的紅外探測(cè)遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是控制指令的編碼，核心是指令編碼的校驗(yàn)。通過(guò)RS232串行通信線路傳輸帶有校驗(yàn)碼的控制指令，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，可以有效改善控制質(zhì)量，提高指令控制的可靠性，適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。同時(shí)，還可以通過(guò)采用USB替代RS232信號(hào)傳輸?shù)姆绞?，延長(zhǎng)信號(hào)傳輸距離，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的系統(tǒng)控制，對(duì)提高紅外探測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性具有重要意義。

由于紅外探測(cè)系統(tǒng)是利用目標(biāo)與背景之間紅外輻射的差異進(jìn)行工作的，具有全天候前視和夜視能力，因此不管是軍用還是民用都具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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