鄭鵬，楊申申，劉浩，張偉

(1.深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫，214082；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫，214082)

引言

載人潛水器水下視頻系統(tǒng)控制設(shè)備數(shù)目較多，控制信號和視頻信號都通過光纖電纜傳輸?shù)捷d人艙，艙外光電信號轉(zhuǎn)換在光纖罐內(nèi)，大深度海水環(huán)境中耐壓罐中空間小，本文主要介紹基于自行設(shè)計研發(fā)的多串口控制板的水下視頻控制系統(tǒng)。

1 概述

載人潛水器在水下進(jìn)行作業(yè)時，潛航員可以通過載人艙的玻璃觀察窗對周圍場景直接進(jìn)行觀察，但是受限于觀察窗大小和視角限制，觀察角度仍然十分有限，潛水器下方、側(cè)方、后方無法通過直接觀察，仍然需要水下高清攝像機(jī)、水下照相機(jī)以及搭載云臺等視頻設(shè)備輔助潛航員駕駛潛水器。水下攝像機(jī)、水下照相機(jī)不僅用于輔助潛航員水下觀察，而且可以存儲潛水器在水下作業(yè)時的視頻作為后期研究學(xué)習(xí)的重要資料[1]，載人潛水器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。潛水器視頻設(shè)備在水下工作時，潛航員可以在載人艙內(nèi)根據(jù)需要通過手柄控制器進(jìn)行控制，例如攝像機(jī)的調(diào)焦調(diào)距、照相機(jī)的拍照、云臺的轉(zhuǎn)動等指令都可以進(jìn)行實時控制。考慮到傳輸?shù)目焖傩砸约胺€(wěn)定性，高清視頻以及照相機(jī)預(yù)覽視頻信號是通過光纖電纜傳輸?shù)捷d人艙內(nèi)[2]，為了減少系統(tǒng)線路的復(fù)雜性，艙內(nèi)控制手柄發(fā)送的485控制信號通過光端機(jī)轉(zhuǎn)換為光信號之后也通過光纖電纜傳輸?shù)焦饫w轉(zhuǎn)換罐，再通過光纖轉(zhuǎn)換罐內(nèi)的光端機(jī)轉(zhuǎn)化為485差分信號，然后通過光纖罐內(nèi)的多串口控制板解析控制指令，然后通過子串口分配到相應(yīng)視頻設(shè)備，進(jìn)行相應(yīng)的控制。

圖1 載人潛水器整體結(jié)構(gòu)圖

2 水下視頻控制系統(tǒng)組成

水下視頻設(shè)備控制系統(tǒng)由載人艙內(nèi)設(shè)備、光纖轉(zhuǎn)換罐內(nèi)設(shè)備、水下視頻攝像設(shè)備三部分組成，具體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。載人艙內(nèi)設(shè)備主要包括模光端機(jī)、視頻控制器、視頻顯示存儲器，作用是將艙外傳來的視頻光纖信號通過光端機(jī)轉(zhuǎn)換為視頻同軸信號，然后將視頻信號發(fā)送到顯示屏進(jìn)行顯示，發(fā)送到存儲器進(jìn)行視頻存儲，同時還要將載人艙內(nèi)的控制信號通過光纖電纜發(fā)送到光纖轉(zhuǎn)換罐；光纖轉(zhuǎn)換罐內(nèi)設(shè)備主要包括光端機(jī)、多串口控制板、光纖波分復(fù)用器，作用是將水下視頻攝像、照相設(shè)備傳輸來的視頻電信號轉(zhuǎn)換為光纖信號后通過光纖電纜發(fā)送到載人艙內(nèi)，并將載人艙內(nèi)發(fā)送來的控制信號通過多串口控制板進(jìn)行解析，分配到相應(yīng)子串口，發(fā)送給相應(yīng)的視頻設(shè)備；視頻設(shè)備主要包括水下攝像機(jī)、水下照相機(jī)、水下云臺等，作用是按照潛航員要求采集相關(guān)視頻、圖像信號發(fā)送到光纖轉(zhuǎn)換罐，并能接收控制指令執(zhí)行相應(yīng)操作。下文主要介紹為了匹配視頻系統(tǒng)控制而設(shè)計的多串口控制電路板的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計內(nèi)容。

圖2 水下視頻設(shè)備控制系統(tǒng)組成

3 多串口控制板硬件設(shè)計

載人潛水器搭載的攝像機(jī)、照相機(jī)、云臺等設(shè)備一般通過485接口進(jìn)行控制，而通常載人潛水器搭載的攝像機(jī)、照相機(jī)、云臺數(shù)量較多，而單片機(jī)的USART接口一般最多有3個，因此需要對單片機(jī)的串口進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足系統(tǒng)控制的需要。多串口控制板的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，電路板一共有11個外圍串口，包括1個母串口和10個子串口，母串口直接占用單片機(jī)的一個USART接口，10個子串口是單片機(jī)的另外兩個USART接口擴(kuò)展產(chǎn)生的。母串口與載人艙的視頻控制器進(jìn)行485通信，當(dāng)母串口接收到載人艙內(nèi)控制指令后，單片機(jī)根據(jù)通訊協(xié)議對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，判斷控制設(shè)備和控制內(nèi)容，然后通過相應(yīng)子串口發(fā)送給目標(biāo)設(shè)備。

圖3 多串口控制板的硬件結(jié)構(gòu)圖

多串口控制板的主控制芯片選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RET6型號單片機(jī)，該型號單片機(jī)屬于32位ARM微控制器系列，其主要特點是具有Cortex-M內(nèi)核，單周期乘法和硬件除法器，4-16MHZ晶振振蕩器，CPU頻率最高可達(dá)到72MHz，串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口，多達(dá)8個定時器，3個USART接口，工作電壓為2.0-3.6V[3]，可以完全滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

母串口直接與單片機(jī)的USART1接口連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，因為水下電氣系統(tǒng)的特殊要求，需要進(jìn)行電源和信號的電氣隔離，因此485電平轉(zhuǎn)換芯片選用ADM2687E型號。該芯片是具有±15kV ESD保護(hù)功能和電源隔離數(shù)據(jù)的收發(fā)器，適合多點傳輸線路上的高速通信應(yīng)用。ADM2687E集成了一個5kV rms隔離DC/DC電源，可以為自己提供隔離供電，省去了外部DC/DC隔離電源模塊，該芯片集成ADI公司的iCoupler技術(shù)，將一個3通道隔離器、一個三態(tài)差分線路驅(qū)動器，一個差分輸入接收器和ADI公司的isoPowerDC/DC轉(zhuǎn)換器集成于單封裝中。它們采用5 V或者3.3 V單電源供電，實現(xiàn)完全集成的信號和電源隔離RS-485解決方案。選用ADM2687E可以滿足電氣隔離和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求并且可以減少電路的復(fù)雜性[4]。

子串口擴(kuò)展功能通過選用成都視普科技有限公司的SP3539芯片實現(xiàn)，一片SP3539可以將單片機(jī)原有的1個通用異步收發(fā)接口（USART）擴(kuò)展為5個完全獨立的子串口，每個子串口都是波特率、奇偶效驗方式、數(shù)據(jù)幀長度都可獨立設(shè)置的全雙工子串口，都有8Byte獨立FIFO，可同時收、發(fā)送數(shù)據(jù)。SP3539采用分時復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)串口的擴(kuò)展，在上電默認(rèn)模式下母串口的波特率是各子串口波特率的6倍，即：各子串口可在特定的時間段內(nèi)獨占母串口，因此即使所有子串口都有連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)輸入也不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失[5]。

SP3539芯片需要一個外部16MHz晶振提供工作時鐘，單片機(jī)通過讀寫地址線選擇選通的子串口，然后通過母串口就可以對子串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)。SP3539電路原理圖如圖4所示。

圖4 SP3539電路原理圖

STM32F103RET6單片機(jī)的USART1接口作為母串口用于和載人艙內(nèi)視頻控制器通信，USART2接口和USART3接口分別通過SP3539芯片進(jìn)行一分五子串口擴(kuò)展，這樣可以為系統(tǒng)提供10個獨立控制的子串口，用于和水下攝像機(jī)、水下照相機(jī)和水下云臺等設(shè)備進(jìn)行通信，控制其實現(xiàn)相應(yīng)控制指令。

4 多串口控制板軟件軟件

STM32F103RET6單片機(jī)軟件程序用C語言編寫，編譯環(huán)境為KeiluVision4。載人艙內(nèi)視頻控制器的控制指令每50ms發(fā)送一幀，通過光纖傳輸?shù)焦饫w轉(zhuǎn)換罐，為了增加通信的可靠性，多串口控制板接收到一幀完整指令后首先進(jìn)行校對，校對正確后再根據(jù)通信協(xié)議執(zhí)行相關(guān)操作，否則放棄這一幀數(shù)據(jù)指令繼續(xù)等待下一幀。

多串口控制板的軟件流程如圖5所示。多串口控制板上電之后，單片機(jī)首先進(jìn)行初始化配置，包括系統(tǒng)時鐘初始化、IO口配置、USART接口及中斷函數(shù)的配置。當(dāng)母串口接收到一個數(shù)據(jù)包之后會觸發(fā)相應(yīng)串口中斷響應(yīng)函數(shù)，接收完之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，數(shù)據(jù)校驗正確后則進(jìn)入程序主循環(huán)進(jìn)行處理：如果是攝像機(jī)控制指令，那么通過與攝像機(jī)相連的子串口向攝像機(jī)發(fā)送位置詢問指令，如果攝像機(jī)返回指令表示沒有到達(dá)限位位置，則通過該子串口繼續(xù)向攝像機(jī)發(fā)相應(yīng)調(diào)焦調(diào)距指令，否則返回主程序繼續(xù)等待下一幀數(shù)據(jù)；如果是云臺控制指令，那么通過與云臺相連的子串口向云臺發(fā)送位置詢問指令，如果云臺返回指令表示沒有到達(dá)限位位置，則通過該子串口繼續(xù)向云臺發(fā)送相應(yīng)運動指令，否則返回主程序繼續(xù)等待下一幀數(shù)據(jù)；如果是照相機(jī)控制指令，那么繼續(xù)判斷是否是拍照指令，如果是則通過與照相機(jī)相連接的子串口向照相機(jī)發(fā)送拍照指令，如果是照相機(jī)調(diào)焦調(diào)距指令，則通過該子串口向照相機(jī)發(fā)送位置詢問指令，如果照相機(jī)返回指令表示沒有到達(dá)限位位置，則通過該子串口向照相機(jī)發(fā)送相應(yīng)運動指令，否則返回主程序繼續(xù)等待下一幀數(shù)據(jù)。

圖5 多串口控制板軟件流程圖

5 試驗結(jié)果及結(jié)論

多串口控制電路板的硬件電路和軟件程序調(diào)試完成后，與載人潛水器整個視頻系統(tǒng)組裝好進(jìn)行了聯(lián)調(diào)試驗，視頻傳輸及相關(guān)控制指令都調(diào)試通過，后期繼續(xù)完成了水池試驗和海上試驗。經(jīng)過多次試驗驗證，基于多串口控制板的水下視頻設(shè)備控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的性能要求，并且功能穩(wěn)定，視頻控制效果良好可靠，數(shù)據(jù)傳輸快速高效，潛航員可以根據(jù)自己的觀察駕駛需求有效的控制艙外高清攝像機(jī)、照相機(jī)以及云臺等設(shè)備，視頻系統(tǒng)的正常工作為載人潛水器在深海作業(yè)發(fā)揮了重要作用，提高了潛航員的作業(yè)效率與作業(yè)質(zhì)量，多角度的視頻信號也確保了潛水器水下作業(yè)的安全性。因此基于多串口控制板的水下視頻控制系統(tǒng)設(shè)計發(fā)揮了預(yù)期的功能，保證了系統(tǒng)的完整性和操作的便利性，其中圖6為多串口電路板電路圖，圖7為水下攝像機(jī)視頻圖像顯示效果圖。

圖6 多串口控制板電路圖

圖7 水下攝像機(jī)視頻圖像顯示效果圖

[1]宋成慶.水下視頻圖像技術(shù)在我國海洋開發(fā)中的應(yīng)用[J].海洋信息,1999,(05):20-22.

[2]琚汝強(qiáng).基于光纜的水下視頻和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研制[D].杭州電子科技大學(xué),2011.

[3]STM32F103RET6數(shù)據(jù)手冊[DB/OL].http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/303620/STMICROELECTRONICS/STM32F103RE T6TR.html.

[4]ADM2687E數(shù)據(jù)手冊[DB/OL].http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/455813/AD/ADM2687E.html.

[5]SP3539數(shù)據(jù)手冊[M].成都視普科技有限公司.AP0436,2005,12.