矿用摄像机嵌入式CAN总线远程控制技术

摄像机在煤矿监控系统中使用广泛，尤其对一些重要场所更需要在集控室远程操控摄像机实现移动、调焦等功能。对摄像机的控制使用RS一485总线的较多，文献[1]以AT89C52单片机为控制器设计了构建于RS.485总线基础上的矿用摄像机工作台控制系统。在现场使用这种方法进行控制的过程中，笔者发现：当控制距离较远(超出1 km)以及挂接控制器较 (在某矿发电厂实测大于36台)时会出现部分摄像机失控、误动现象，其中频繁地误动还会导致工作台的故障，给工作带来不便。为解决以上问题，本文以嵌入式处理器LPC2129为主控芯片设计了矿用摄像机控制器，并通过CAN(contoller area network)总线实现了远程控制。CAN总线属于现场总线的一种，它具有可靠性 高、通信距离远、连线简单、性价比高等特点。

CAN采用非破坏总线仲裁技术，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出 现网络瘫痪情况(以太网则可能)。CAN的通信距离最远可达10 km(速率5 kbit/s以下时) ，因此煤矿 远程控制很适合采用CAN总线。另外CAN总线可以使用双绞线作为通信介质，这使得原有RS-485网络 的控制系统不用重新布线就可以升级为CAN总线控制系统，可大大节约成本。

当前嵌入式系统技术成熟、应用广泛。这主要得益于它的处理器将通用CPU中许多由板卡完成的任务精简到芯片内部，在保证特定功能的前提下使系统设计趋于小型化，便于系统集成。LPC2129是飞利浦公司生产的基于16/32位ARM7TDMI—S内核的嵌入式处理器。其内部具有256 KB的Flash、16 KB的 RAM、2路CAN控制器。其他外围接口也很丰富，这样无需外扩存储器就可以移植实时操作系统。因此，本文选用LPC2129作为主控芯片，另外使用嵌入式系统所设计的控制器尺寸小，从而使其可方便地嵌入到防爆工作台。

1 控制系统工作原理

控制系统如图1所示，监控上位机通过RS-232串口与1/S.232-CAN转接器相连，转接器与控制器构成CAN总线网络，控制器直接控制摄像机和工作台。系统控制原理如下：上位机通过鼠标及键盘接收特定摄像机控制动作命令，通过软件转换为摄像机控制器地址及控制命令，然后打包为控制字，再通过串口发送给转接器。转接器按协议将控制字转换为CAN总线帧格式并将帧发送到总线上。地址相符的控制器接收该帧数据，根据控制命令产生控制信号，控制摄像机及工作台完成相关动作。

图1 控制系统

2 控制系统电路设计

控制系统的电路设计按功能分为3个部分：控制器电路、CAN总线电路、转接器电路。

2.1 控制器电路

考虑到本系统的被控对象是摄像机和工作台，而摄像机选用索尼FCB系列的摄像模块，该模块支持RS-232串M通信，所以控制器电路设计如图2上部所示。图中利用LPC2129的串口0(P0.0、P0.1)经电平转换芯片ST3232构成控制器串口，外接摄像机模块，完成对摄像机的控制。由于本设计没有采用传统的拨码开关设定控制器地址，地址的设定要通过上位机来完成，因此通过LPC2129的串口1(P0.8、P0.9)完成与上位机的通信，实现地址的写入。对工作台的控制实际上是控制工作台的两个驱动电机，使用LPC2129的PWM接口P0.7、P0.21以及通用I/O接口P1.17、P1.19经光电隔离后进行驱动，控制电机的转动，从而带动工作台的转动。

图2 电路原理图

2.2 CAN总线电路

LPC2129内部集成了CAN控制器，使用它无需外接单独的CAN芯片就可以方便地构成CAN总线。电路如图2下部所示，由LPC2129的CAN引脚P0.23、P0.24外挂收发器模块CTM8250接入CAN总线系统。CTM8250是周立功公司生产的一款带隔离的通用CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收发器件，芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC 2500 V的隔离功能。此处使用该模块是为了保证在煤矿现场总线工作的稳定性和可靠性。与RS-485总线类似，在总线的最远端要串接120Ω电阻R20a为防止掉电后控制器CAN地址丢失，系统外扩了一片I2C总线的非易失性存储器24C04，I2C总线上的电阻R4、R5的作用是进行电位上拉。

2.3 转接器电路

转接器的作用是连接上位机与CAN总线。由图2可以看出，只需将对摄像机和工作台的控制部分去掉就可以完成此功能。为简化没计，本文没有使用其他处理器，转接器仍然利用LPC2129的串口1完成与上位机的通信，并通过CAN引脚外挂收发器模块CTM8250完成CAN总线通信。在转接器里也外扩了24C04，主要用于存储控制器的地址映射表。

3 控制协议

控制系统中上位机要首先与转接器通信，传送控制命令，这部分需要一个串口通信协议。通信时采用两次握手的方法，