一種多路視頻信號(hào)分時(shí)遠(yuǎn)距離傳輸方法的實(shí)現(xiàn)*

羅 旭，廉小親，王 濤，李康飛，張曉力，段振剛

（北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048）

一種多路視頻信號(hào)分時(shí)遠(yuǎn)距離傳輸方法的實(shí)現(xiàn)*

羅 旭，廉小親，王 濤，李康飛，張曉力，段振剛

（北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048）

研究復(fù)用一根電纜分時(shí)傳輸多路視頻信號(hào)的方法，設(shè)計(jì)多路視頻分時(shí)傳輸系統(tǒng)，用于一臺(tái)主控設(shè)備對(duì)多個(gè)對(duì)象進(jìn)行視頻監(jiān)控。闡述了系統(tǒng)的硬件組成及原理，給出了視頻發(fā)射/接收及電子開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)思路，制定了主控計(jì)算機(jī)和多路微控制器STC15F2K61S2的通信協(xié)議，給出了微控制器軟件設(shè)計(jì)思路。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)采用差分雙絞線驅(qū)動(dòng)器傳輸視頻信號(hào)，結(jié)合對(duì)多路電子開(kāi)關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)了多路視頻信號(hào)有效的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了多路視頻信號(hào)復(fù)用雙絞線遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)際傳輸效果清晰，信號(hào)波形無(wú)失真。

多路視頻傳輸；分時(shí)復(fù)用；差分雙絞線驅(qū)動(dòng)器；485總線；電子開(kāi)關(guān)

0 引言

視頻圖像智能監(jiān)控[1]在安防領(lǐng)域越來(lái)越受到重視，在一些大范圍的公共場(chǎng)所(如停車場(chǎng)、寫字樓、學(xué)校等)。都設(shè)置了大量的圖像采集區(qū)，用于安全監(jiān)管，便于突發(fā)事件的報(bào)警。智能監(jiān)控一般利用相關(guān)圖像識(shí)別算法，提取圖像特征來(lái)判斷事件是否發(fā)生，不要求記錄整個(gè)事件的過(guò)程。所以，如果每個(gè)攝像機(jī)都實(shí)時(shí)傳輸畫面到終端，會(huì)大量使用傳輸線和接收設(shè)備，不但布線麻煩，而且成本很高。分時(shí)傳輸則可以用一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一根電纜對(duì)多個(gè)對(duì)象輪詢進(jìn)行監(jiān)控管理，不但方便布線，而且大大降低了購(gòu)買設(shè)備的成本。本文介紹一種實(shí)用的多路視頻信號(hào)分時(shí)遠(yuǎn)距離傳輸方法，并已經(jīng)應(yīng)用在某大型地下停車場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)車位的視頻信號(hào)輪詢采集傳輸，用于識(shí)別每輛車的車牌信息。分時(shí)傳輸方案也可應(yīng)用于多傳感器共用一個(gè)采集通道，解決電路規(guī)模較大的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)整體組成

硬件系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、若干攝像機(jī)、發(fā)射器、微控制器、電子開(kāi)關(guān)、一個(gè)接收器和一個(gè)視頻采集卡組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示，攝像機(jī)輸出的單端逐行倒相(Phase Alteration Line，PAL)制式視頻信號(hào)經(jīng)差分雙絞線驅(qū)動(dòng)器(發(fā)射器)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，但信號(hào)由于被電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷，無(wú)法被傳輸。此時(shí)計(jì)算機(jī)通過(guò)485總線用微控制器控制每一個(gè)多輸入多輸出的電子開(kāi)關(guān)，對(duì)差分信號(hào)分別進(jìn)行通斷，并在一條雙絞線上分時(shí)傳輸某一路的視頻信號(hào)，終端則由一個(gè)接收器把差分信號(hào)轉(zhuǎn)換回單端PAL視頻信號(hào)，之后送入視頻采集卡處理，計(jì)算機(jī)通過(guò)讀取采集卡內(nèi)的數(shù)據(jù)，可獲取攝像機(jī)的畫面并進(jìn)行分析。其中，微控制器選用 STC公司的STC15F2K61S2單片機(jī)，發(fā)射器和接收器分別選用Intersil公司的先進(jìn)、高速、低成本視頻差分放大器EL5171、EL5172芯片，電子開(kāi)關(guān)選擇CMOS 4000系列的CD4066，選擇帶有BNC接口的攝像機(jī)。視頻采集卡選購(gòu)市面通用型號(hào)即可，視頻采集卡的作用是將攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)后成為可編輯的數(shù)據(jù)文件。傳輸線可以選用屏蔽雙絞線(Shielded Twisted Pair，STP)。

圖1 視頻信號(hào)的傳輸系統(tǒng)組成

2 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 視頻發(fā)射/接收電路設(shè)計(jì)

我國(guó)視頻信號(hào)制式一般是PAL制式或NTSC制式[2]，其幅度(Vp-p)一般是 0.9～1.2 V，場(chǎng)掃描頻率為 50 Hz，行掃描頻率為15 625 Hz，另外還包含亮度等高頻率細(xì)節(jié)信號(hào)，所以視頻信號(hào)的標(biāo)稱視頻帶寬為 6 MHz。單端信號(hào)受傳輸距離增大或混入干擾的影響，會(huì)造成幅度衰減或信號(hào)變形，在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)畫面不清晰甚至出現(xiàn)黑場(chǎng)的情況。所以，選擇EL5171用作單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成平衡差分信號(hào)傳輸，以及用EL5172再將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換回單端信號(hào)的方式，可延長(zhǎng)傳輸距離和抵抗部分傳輸干擾。該芯片對(duì)輸入信號(hào)的最大帶寬是 250 MHz(-3 dB)。在±5 V供電方式下，最大輸出電流可在 90 mA，滿足視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸。通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)還可以改變帶寬和增益[3]，適用不同距離傳輸，保證信號(hào)質(zhì)量最佳。視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

在可靠性設(shè)計(jì)方面，EL5171供電電源必須經(jīng)過(guò)低頻和高頻信號(hào)濾波，使紋波盡可能小，保證轉(zhuǎn)換質(zhì)量。

2.2 電子開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)根據(jù)主控設(shè)備的命令要求實(shí)現(xiàn)多路視頻信號(hào)的傳輸，因此電子開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的。信號(hào)通斷可利用繼電器或三極管分立元件電路實(shí)現(xiàn)，但由于繼電器本身功耗大、工作頻率低、觸點(diǎn)壽命短等缺點(diǎn)，一般用于控制電機(jī)等大功率器件。三極管模擬電路對(duì)頻率響應(yīng)不易調(diào)節(jié)，容易造成信號(hào)丟失或失真。選擇集成CMOS芯片可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的通斷，CD4066是四雙向模擬開(kāi)關(guān)集成電路[4]，管腳圖如圖 3(a)所示，控制端接高電平開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，接低電平截止，導(dǎo)通電阻在幾十歐姆，斷開(kāi)電阻達(dá) 100 MΩ。在選通狀態(tài)下的頻率帶寬為 40 MHz。在正負(fù)雙電源供電下，可傳輸幅度不大于電源的模擬或數(shù)字信號(hào)。其具備功耗低、導(dǎo)通速度快、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在視頻信號(hào)通斷的設(shè)計(jì)中。

用 CD4066的前兩路輸入/輸出傳輸平衡差分信號(hào)(1、4腳輸入，2、3腳輸出)，并把這兩路的控制端(5腳、13腳)接在一起，控制端接入的高低電平和芯片的正負(fù)電源電平是一樣的，是±5 V。用單片機(jī) I/O口控制光電耦合器實(shí)現(xiàn) CD4066控制端電平的切換，系統(tǒng)上電后，MCU初始化管腳是高電平，則光耦輸出端默認(rèn)是低電平-5 V，故所有的開(kāi)關(guān)均處于關(guān)斷狀態(tài)；等接到開(kāi)啟命令后，MCU_CTRL管腳輸出低電平，光耦工作，輸出高電平+5 V，CD4066的前兩路處于同時(shí)導(dǎo)通狀態(tài)，視頻信號(hào)可以通過(guò)。電路結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。

在可靠性設(shè)計(jì)方面，CD4066輸入端加入雙向鉗位二極管(BAT54S)，防止輸入端電壓超過(guò)芯片電源電壓損壞電子開(kāi)關(guān)，如圖3(b)。

圖3 電子開(kāi)關(guān)電路

2.3 微控制器通信電路設(shè)計(jì)

出于成本和應(yīng)用環(huán)境考慮，通信電路采用半雙工的485總線通信方式，選擇 MAX485作為通信芯片，遵循RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)。

可靠性設(shè)計(jì)方面,MAX485使用隔離電源供電和光耦隔離，上電默認(rèn)接收狀態(tài)，輸出 AB線兩側(cè)加 TVS(瞬態(tài)抑制二極管)保護(hù)防電壓浪涌，AB線上加500 mA自恢復(fù)式保險(xiǎn)絲防雷擊短路。每隔300 m接入485中繼器，增強(qiáng)信號(hào)。同時(shí)，避免和強(qiáng)電一起走線。

3 微控制器軟件及通信協(xié)議設(shè)計(jì)

3.1 微控制器與PC通信協(xié)議設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)多路視頻信號(hào)的傳輸，需制定微控制器與計(jì)算機(jī)的通信協(xié)議，協(xié)議中需要包含哪路視頻信號(hào)的開(kāi)關(guān)命令。表1為開(kāi)啟第一路視頻信號(hào)的協(xié)議?？紤]到遠(yuǎn)距離通信，波特率不宜設(shè)置太高，選擇4 800 b/s、1個(gè)起始位、1個(gè)停止位、無(wú)硬件校驗(yàn)。

表1485 總線通信協(xié)議

協(xié)議中，幀頭和幀尾字節(jié)固定為0x68H和0x16H，控制通信的發(fā)起和結(jié)束。地址字節(jié)范圍是 0x01H～0x1EH,總線可以接入 30個(gè)微控制器，0x00H、0x1FH地址可用于廣播控制，如全部關(guān)閉。由于只有單個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟命令，沒(méi)有單個(gè)關(guān)閉命令，命令和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)字節(jié)留作擴(kuò)展功能。校驗(yàn)字節(jié)是所有字節(jié)的累加和，便于計(jì)算機(jī)在接到返回的校驗(yàn)失敗信息時(shí)重發(fā)命令。

3.2 微控制器軟件設(shè)計(jì)

STC15F2K61S2微控制器使用MAX485芯片通過(guò)485總線接收計(jì)算機(jī)的指令，決定是否通斷各自的視頻信號(hào)。在485通信中，每個(gè)從設(shè)備都有不同的地址，可用5位撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定不同的地址，最多可設(shè)置32個(gè)從設(shè)備地址，實(shí)際中只用了1～30號(hào)地址，0和31號(hào)可用于廣播地址。通信協(xié)議中包含的地址字節(jié)，用于指向要發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備。本設(shè)計(jì)利用485通信的廣播特性，當(dāng)發(fā)送打開(kāi)某個(gè)攝像頭信號(hào)的指令時(shí)，所有的微控制器都會(huì)收到同樣的指令，然后比對(duì)是否和設(shè)定的本機(jī)地址相同，如果相同則控制電子開(kāi)關(guān)打開(kāi)視頻信號(hào)，否則就保持或執(zhí)行關(guān)閉，微控制器軟件流程如圖4所示。只用一條指令即可控制信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)了雙絞線上總是只有一個(gè)攝像機(jī)的圖像信號(hào)存在，避免了信號(hào)混疊。計(jì)算機(jī)端的指令發(fā)送方式可以選用自動(dòng)定時(shí)輪詢方式或者手動(dòng)選擇方式。

圖4 微控制器軟件流程

計(jì)算機(jī)運(yùn)行VC++6.0軟件環(huán)境和界面，來(lái)發(fā)起輪詢命令?？梢赃x擇專業(yè)的工控機(jī)代替普通計(jì)算機(jī)，工控機(jī)一般含有多個(gè)串口，可以提高帶負(fù)載數(shù)量。但受篇幅限制，不在本文討論范圍之內(nèi)。

4 測(cè)試結(jié)果

由于電子開(kāi)關(guān)CD4066在導(dǎo)通狀態(tài)下，仍有幾十歐姆的導(dǎo)通電阻，故需使用示波器觀察視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)之前和之后的差別，以及從攝像機(jī)輸出的信號(hào)和最終視頻采集卡的輸入信號(hào)的差別，主要觀測(cè)值為信號(hào)幅度和頻率，幅度單位是 mV，包括峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值 Vmin，測(cè)量頻率單位是 kHz。測(cè)試位置點(diǎn)如圖5所示。在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下，差分信號(hào)經(jīng)過(guò)CD4066前后對(duì)比波形如圖 6所示。圖6中(A)、(B)為轉(zhuǎn)換后的差分信號(hào)，(C)、(D)分別為經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)后的差分信號(hào)。單端視頻信號(hào)波形和恢復(fù)后的波形如圖7所示,圖7中(A)為攝像機(jī)輸出信號(hào)，(B)為接收器恢復(fù)后的信號(hào)。在開(kāi)關(guān)關(guān)斷狀態(tài)下，電子開(kāi)關(guān)輸出的波形如圖8所示。

圖5 測(cè)試點(diǎn)位置

圖6 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)信號(hào)前后波形

圖7 單端視頻信號(hào)的波形及恢復(fù)

對(duì)比圖6，可以觀察到差分信號(hào)經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)后會(huì)有幾十毫伏的衰減，但對(duì)比圖7又可以觀察到，這種衰減可由雙絞線接收器給予一定的補(bǔ)償，幅度變大。圖8表明在關(guān)斷狀態(tài)下，信號(hào)幅度很弱，不會(huì)影響總線上的其他信號(hào),實(shí)測(cè)結(jié)果可能由于測(cè)試方法的原因而引入了高頻噪聲,Vp-p實(shí)際值會(huì)接近0 mV。通過(guò)波形測(cè)試發(fā)現(xiàn)，CD4066可以有效關(guān)斷視頻信號(hào)，同時(shí)也可以真正傳輸視頻信號(hào)。

另外，視頻頻段的信號(hào)在用雙絞線傳輸時(shí)，由于線上電阻損耗和介質(zhì)損耗，信號(hào)的功率從進(jìn)入雙絞線傳送到負(fù)載時(shí)會(huì)衰減，衰減大小和信號(hào)的頻率有關(guān)，信號(hào)的頻率越高，衰減量越大，主要衰減在信號(hào)頻點(diǎn)為5～6 MHz時(shí)較明顯。用頻譜儀可以觀察到高頻成分的幅度衰減，這種衰減會(huì)影響畫面邊緣和細(xì)節(jié)質(zhì)量。通過(guò)對(duì)高頻信號(hào)的幅度提升補(bǔ)償，可以改善傳輸損耗的情況[5]。但受篇章限制，不在本文討論范圍之內(nèi)。

圖8 開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)信號(hào)波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多路視頻信號(hào)分時(shí)傳輸?shù)姆椒?，并成功?yīng)用于某大型停車場(chǎng)的車位圖像信息采集系統(tǒng)。設(shè)計(jì)新穎，布線簡(jiǎn)單，節(jié)約成本，可部署在各種視頻安防監(jiān)控場(chǎng)所，用于智能識(shí)別。其優(yōu)點(diǎn)主要在于復(fù)用雙絞線傳輸多路視頻信號(hào)，并可以和485總線同時(shí)走線，所以一根普通雙絞線電纜即可傳輸兩種信號(hào)；還可制作水晶頭與RJ45接口接駁，便于安裝和系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行。同時(shí)，利用這種分時(shí)傳輸方法，也可為各種多傳感器數(shù)據(jù)分時(shí)采集提供方案。

[1]劉京京，蔡喜平.國(guó)外智能視頻監(jiān)控的熱點(diǎn)探究[J].電子測(cè)試，2014(21)：28-30.

[2]董偉峰.監(jiān)控系統(tǒng)中視頻信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2011(2)：12-13.

[3]吳海濱，唐磊，吳彬.監(jiān)控系統(tǒng)中視頻信號(hào)的雙絞線傳輸[J].安防科技，2007(10)：38-40.

[4]桂良啟，郭偉，張祖蔭.電子開(kāi)關(guān) CD4066在數(shù)據(jù)采集裝置中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2003，30(8)：38-41.

[5]唐伯良.高頻預(yù)提升和補(bǔ)償在雙絞線視頻傳輸中的運(yùn)用[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000，6(1)：69-82.

Multi-channel video signal with long distance and time division transmission

Luo Xu，Lian Xiaoqin，Wang Tao，Li Kangfei，Zhang Xiaoli，Duan Zhengang
(College of Information Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China)

Multi-channel video signal transmission method is designed with time division and long distance using a single cable in this paper.This method can be used to initiate a video surveillance to multiple objects by one device.It describes the hardware composition and its theory of the system,shows the idea of video signal transmitter/receiver through electronic switching circuit，and developes a communication protocol between host computer and microchip STC15F2K61S2.According to the actual effect and signal waveform observations,the system uses a differential twisted pair drive transmission of video signals,combined with multichannel electronic switch,to achieve a good feasibility in signal on or off and its transmission without distortion.

multi-channel video signal transmission；time division multiplexing；differential twisted-pair drivers；485 bus；electronic switchs

TP273+.5

：A

：0258-7998(2015)03-0158-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.042

2014-12-19）

羅旭(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。

北京市自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目 B類(KZ201410011014)

廉小親(1967-)，通信作者，女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：信號(hào)信息處理、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)，E-mail：lianxq@263.net。