CN101695039A - 视频通信与信号处理的同步监测及实验系统和实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种视频通信与信号处理的同步监测及实验系统和实现方法，所述系统包括同步监测通信及控制装置、以太网交换机、实验数据分析与实时控制代理主机、通用无线分组通信装置、中心控制主机和云台控制系统。所述方法如下：同步监测通信及控制装置实时自动地同步监测学生视频通信处理实验的全过程并记录学生的实验代码、实验数据；移动终端或者中心控制主机通过代理主机向通信及控制装置实时获取实验代码、数据、图像文件及实现实时的视频通信；代理主机接收并解析中心控制主机发来的命令，向指定的同步监测通信及控制装置发送控制指令，对实验箱进行必要的加锁、解锁；云台控制系统接收实验箱转发的云台控制指令，控制云台、镜头的运动。

Description

视频通信与信号处理的同步监测及实验系统和实现方法

技术领域

发明涉及一种视频通信与信号处理的同步监测及实验系统和实现方法，属于视频通信与信息处理及实验室仪器设备技术领域。

背景技术

当前，在通信工程等电子通信类专业的本科大学生及研究生的教学和课程实验中，广泛开设MPEG-4或H.264视频通信及信号处理DSP实验。对于视频通信MPEG-4或H.264及信号处理DSP实验，学生通常根据教师布置的任务借助于网络并在实验箱上完成视频通信实验的验证和设计。通过实验最终深入了解视频通信的MPEG-4及H.264标准，同时熟悉并掌握视频信息的其它压缩、解压处理的各种技术标准，同时可针对信号、单幅及多帧图像结合配套实验箱的信号处理、视频应用软件开发包SDK进行小波信号处理、数字图像处理各种算法的验证和新算法的仿真设计。

通常，由于该课程涉及视频通信与信号处理的各种关键技术，感兴趣选修该实验课程的学生很多，这导致任课指导教师难以对学生实验的全过程进行有效的监测、管理及控制。实际实验过程中经常发现，有部分学生存在看热闹，抄袭别人实验成果的现象，有的学生仅仅在最后拷贝别人的代码和运行结果并交给老师验收，这也给指导教师客观公正地评价学生的实验成果和掌握了解学生的实验技能带来了困难。同时，也存在部分学生不按指示随意操作设备乃至造成设备毁坏的情况。因此，如何有效地监测学生的实验过程，客观公正地评价学生的实验成果，同时有效管理设备，保证设备的运行安全，是实验指导教师面临的突出问题，需要有效的解决。

目前，国内还没有类似的远程同步监测及管理信息平台。

发明内容

技术问题：本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种视频通信与信号处理的同步监测及实验系统和实现方法。

技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明视频通信与信号处理的同步监测及实验系统，其特征在于包括同步监测管理网络平台、数据分析与通信平台、监控终端和n路结构相同的监测与实验支路，其中同步监测管理网络平台包括二个一级以太网交换机和n+1个二级以太网交换机，数据分析与通信平台由实验数据分析与实时控制代理主机串接第一通用无线分组通信装置构成，监控终端由中心控制主机串接第二通用无线分组通信装置构成，每条监测与实验支路都由同步监测通信及控制装置依次串接视频处理实验箱、云台控制系统构成，二个一级以太网交换机通过万维网连接，第一一级以太网交换机分别与n+1个二级以太网交换机级联，第一至第n个二级以太网交换机分别与n个同步监测通信及控制装置的网络接口连接，第n+1个二级以太网交换机与实验数据分析与实时控制代理主机的网络接口连接，第二一级以太网交换机与中心控制主机的网络接口连接，第一、第二通用无线分组通信装置通过GSM网络通信，其中n为自然数。

视频通信与信号处理的同步监测及实验系统，其特征在于包括同步监测管理网络平台、数据分析与通信平台、移动终端和n路结构相同的监测与实验支路，其中同步监测管理网络平台包括第一一级以太网交换机和n+1个二级以太网交换机，数据分析与通信平台由实验数据分析与实时控制代理主机串接第一通用无线分组通信装置构成，每条监测与实验支路都由同步监测通信及控制装置串接视频处理实验箱、云台控制系统构成，第一一级以太网交换机分别与n+1个二级以太网交换机级联，第一至第n个二级以太网交换机分别与n个同步监测通信及控制装置的网络接口连接，第n+1个二级以太网交换机与实验数据分析与实时控制代理主机的网络接口连接，移动终端通过GSM网络与第一通用无线分组通信装置通信，其中n为自然数。

视频通信与信号处理的同步监测及实验系统的实现方法，其特征在于：

中心控制主机：当万维网无故障时，依次经过第二一级以太网交换机、万维网、第一二级以太网交换机后通过第一至第n个二级以太网交换机分别向n个同步监测通信及控制装置发送控制命令以及获取实验数据；当万维网故障无法通信时，则依次经过第二通用无线分组通信装置、GSM网络、第一通用无线分组通信装置向实验数据分析与实时控制代理主机发送控制命令以及获取实验数据；

实验数据分析与实时控制代理主机：当万维网故障无法通信时，依次经过第n+1个二级以太网交换机、第一一级以太网交换机后分别通过第一至第n个二级以太网交换机将接受到的控制指令分别发送至n个同步监测通信及控制装置并获取实验数据；

同步监测通信及控制装置：通过串口向视频处理实验箱发送加锁解锁指令并从视频处理实验箱获取实验数据；同时，分别通过第一至第n个二级以太网交换机接收控制命令和发送实验数据；

云台控制系统：通过RS-485接口获取实验箱转发的云台控制指令，通过云台控制解码器解析控制指令；最终通过云台控制电路、镜头控制电路实现云台、镜头的运动控制。

视频通信与信号处理的同步监测及实验系统的实现方法，其特征在于：

移动终端：依次经过GSM网络、第一通用无线分组通信装置向实验数据分析与实时控制代理主机发送控制命令以及获取实验数据；

实验数据分析与实时控制代理主机：依次经过第n+1个二级以太网交换机、第一一级以太网交换机后分别通过第一至第n个二级以太网交换机将接受到的控制指令分别发送至n个同步监测通信及控制装置并获取实验数据；

同步监测通信及控制装置：通过串口向视频处理实验箱发送加锁解锁指令并从视频处理实验箱获取实验数据；同时，分别通过第一至第n个二级以太网交换机接收控制命令和发送实验数据。

云台控制系统：通过RS-485接口获取实验箱转发的云台控制指令，通过云台控制解码器解析控制指令；最终通过云台控制电路、镜头控制电路实现云台、镜头的运动控制。

有益效果：本发明开创了新型的视频通信与信号处理的同步监测及仿真实验平台，该平台具备以下主要功能：1、数据实时存储功能，同步监测通信及控制装置SMCC实时自动地同步监测学生视频通信处理实验的全过程并记录学生的实验代码、实验数据；2、通信传输功能，代理主机ACPC通过TCP/IP协议与RJ-45接口向通信及控制装置SMCC实时获取实验代码、数据及图像文件，且可实现实时的视频通信；3、控制功能，教师通过移动终端(手机)或者中心控制主机CMC向代理主机ACPC发送控制命令，代理主机ACPC解析命令，并向指定的同步监测通信及控制装置SMCC发送命令，SMCC接收来自代理主机的控制指令，根据教师指令对实验箱进行必要的加锁和解锁；4、实时视频通信功能，教师借助于该通信平台可与多个学生同时实现交互视频通信，可用作视频会议；5、云台、镜头的运动控制功能，借助于RS485接口、云台控制译码器、云台镜头控制电路控制云台、镜头的运动。

通常，教师在实验开始时解锁设备，在实验时间结束时加锁设备。在实验的过程中，教师根据实时的监督反馈信息对可能出现问题的设备加锁以警戒学生并保护设备安全。实验结束时，教师根据每位学生的实验记录了解学生实验情况并合理评定成绩。借助于该远程同步监测及管理信息平台，教师并不需要现场监督约束学生，学生完全独立自主在规定时间内进行实验。实验结果自动记录，实验过程全程掌握，可以避免现场监督及验收的匆忙和混乱。而且在这个系统性、综合性的实验平台下，不但有利于学生发挥创造性，更加真实地展现自我，也有利于教师更加真实、准确、全面的了解每位学生的实验情况，并根据每位同学的不同实验情况合理评价并作为下次实验课题安排的依据。

借助于该实验系统，教师可以加强对于学生实验的过程了解、评价及管理，同时也非常有利于学生独立自主实验能力的培养和提高。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的实施例的电原理图。

图3为同步监测通信及控制装置SMCC的实施例的硬件结构图。

图4为同步监测通信及控制装置SMCC的MAX232串口电平转换电路图。

图5为同步监测通信及控制装置SMCC的主程序框图。

图6为实验数据分析与实时控制代理主机ACPC的主程序框图。

图7为中心控制主机CMC的主程序框图。

图8为云台控制解码器原理框图。

图9为云台控制电路(单路)。

图10为云台的镜头控制电路。

图11为RS485通讯接口电路。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1(a)所示，本发明视频通信与信号处理的同步监测及实验系统，其特征在于包括同步监测管理网络平台、数据分析与通信平台、监控终端和n路结构相同的监测与实验支路，其中同步监测管理网络平台包括二个一级以太网交换机和n+1个二级以太网交换机，数据分析与通信平台由实验数据分析与实时控制代理主机串接第一通用无线分组通信装置构成，监控终端由中心控制主机串接第二通用无线分组通信装置构成，每条监测与实验支路都由同步监测通信及控制装置依次串接视频处理实验箱、云台控制系统构成，二个一级以太网交换机通过万维网连接，第一一级以太网交换机分别与n+1个二级以太网交换机级联，第一至第n个二级以太网交换机分别与n个同步监测通信及控制装置的网络接口连接，第n+1个二级以太网交换机与实验数据分析与实时控制代理主机的网络接口连接，第二一级以太网交换机与中心控制主机的网络接口连接，第一、第二通用无线分组通信装置通过GSM网络通信，其中n为自然数。

如图1(b)所示，视频通信与信号处理的同步监测及实验系统，其特征在于包括同步监测管理网络平台、数据分析与通信平台、移动终端和n路结构相同的监测与实验支路，其中同步监测管理网络平台包括第一一级以太网交换机和n+1个二级以太网交换机，数据分析与通信平台由实验数据分析与实时控制代理主机串接第一通用无线分组通信装置构成，每条监测与实验支路都由同步监测通信及控制装置串接视频处理实验箱、云台控制系统构成，第一一级以太网交换机分别与n+1个二级以太网交换机级联，第一至第n个二级以太网交换机分别与n个同步监测通信及控制装置的网络接口连接，第n+1个二级以太网交换机与实验数据分析与实时控制代理主机的网络接口连接，移动终端通过GSM网络与第一通用无线分组通信装置通信，其中n为自然数。

第一一级以太网交换机作为一级交换机，n+1个二级以太网交换机作为二级交换机，第一一级以太网交换机分别与n+1个二级以太网交换机连接。

图2中是由EVPB(视频处理实验箱，下同)及SMCC(同步监测通信及控制装置，下同)、ACPC(实验数据分析与实时控制代理主机，下同)、GPRS(通用无线分组通信装置，下同)、SWITCH(交换机，下同)及CMC(中心控制主机，下同)组成的远程同步监测及管理信息平台网络示意图。

EVPB的功能端口Port 1是RS-232串口，通过串行数据总线与SMCC的功能端口RS-232串口Port 2相连接。SMCC的功能端口Port 3是RJ45以太网电接口，通过100Base-TX的5类双绞线同SWITCH 1的功能端口下行RJ45接口Port 4相连接。SWITCH1的功能端口Port 5是1000M上行RJ45电接口，通过1000Base-T的超5类双绞线同SWITCH 3的功能端口下行RJ45电接口Port6相连接。

GPRS 1的功能端口Port 7是RS-232串口，通过串行数据总线与ACPC的功能端口RS-232串口Port 8相连接。ACPC的功能端口Port 9是RJ45以太网电接口，通过100Base-TX的5类双绞线同SWITCH 2的功能端口下行RJ45接口Port 10相连接。SWITCH 2的功能端口Port 11是1000M上行RJ45电接口，通过1000Base-T的超5类双绞线同SWITCH 3的功能端口下行RJ45电接口Port 12相连接。

GPRS 2的功能端口Port 13是RS-232串口，通过串行数据总线与CMC的功能端口RS-232串口Port 14相连接。CMC的功能端口Port 15是RJ45以太网电接口，通过100Base-TX的5类双绞线同SWITCH 4的功能端口下行RJ45接口Port 16相连接。

SWITCH 3的功能端口Port 17是1000M上行RJ45电接口，通过1000Base-T的超5类双绞线接入校园网。SWITCH 4的功能端口Port 18是1000M上行RJ45电接口，通过1000Base-T的超5类双绞线接入校园网。

ACPC同CMC的通信一方面可以通过校园网进行，另一方面也可以借助GPRS 1及GPRS 2，并通过全球移动通信系统GSM进行。与此同时，教师也可直接借助手机MOBILE及GPRS 1与ACPC进行通信。

EVPB拟采用SEED-DTK VPM642基于DM642的视频处理DSP实验箱。该实验箱配备有高速数字信号处理器TMS320DM642，主频600MHz，可实时实现4路CIF格式的MPEG4视频压缩算法；4路标准PAL或NTSC制模拟视频输入(CVBS复合视频信号或S端子信号输入)，1路标准PAL/NTSC制模拟视频输出(CVBS复合视频信号或S端子信号输出)，用于预览；4路标准模拟音频输入；2路RS232/RS422/RS485标准软件可配置的异步串行通信口，可用于控制云台，实现镜头的推拉、水平和俯仰转动。同时配备有H.263、MPEG2、和JPEG等多种视频压缩/解压缩开源算法库，且可选配视频应用软件开发包SDK：H264、FAT32文件管理、以太网协议栈、PCI驱动程序等。

ACPC拟采用HPxw6400工作站，处理器采用EM64T技术的Intel至强双核处理器5100，主频1.60GHz；高速缓存4MB；芯片组Intel 5000X；内存8GB；图形NVIDIA QuadroNVS 285；硬盘驱动器2个；四通道驱动器控制器；操作系统采用Windows XP Professionalx64Edition。

CMC拟采用HP Compaq dx2130，处理器采用Pentium双核E2160，主频1.8GHz；内存1GHz；硬盘容量160GHz；操作系统采用Windows XP Professional SP2。

SWITCH拟采用TP-LINK公司生产的1000M以太网交换机，型号为TL-SG1024。交换方式为存储转发方式，48Gbps背板带宽，包转发率为10M时14,880packets/s；100M时14,8800packets/s。传输速率是10/100/1000Mbps，支持IEEE802.3、IEEE802.3u、IEEE802.3ab及IEEE802.3x。可用端口数24，端口类型10/100/1000Base-T，支持全双工、半双工。

GPRS拟采用ZWG-13A，该产品使用RS-232接口，可直接与PC机相连；采用高性能工业级GPRS模块，支持GPRS拨号无线上网，操作简单；支持完善的AT指令；支持中英文短信息的收发；支持+5～35V范围供电；可适应高温和低温工作环境，温度范围-25℃～+70℃。

图3是SMCC的实施例的硬件结构图。其中，微处理器采用AT89C51单片机，4K字节可编程闪烁存储器，128*8位内部RAM(内存)，5个中断源，可编程串行通道。网卡采用RTL8029，该网卡是符合Ne2000标准的32位PCI(周边元件扩展接口)总线网卡，遵循IEEE802.3协议，包含接收功能模块、CRC(循环冗余校验)产生模块、发送功能模块、地址识别模块、FIFO(先进先出)控制模块、协议逻辑阵列模块及DMA(直接存储器访问)和缓冲控制模块。

本方案设计拟通过AT89C51单片机来控制PCI9054芯片，然后通过PCI9054芯片来驱动PCI总线上的网卡，PCI9054芯片作为一个桥梁，连接了2个不同类型的总线设备。PCI9054是由美国PLX公司生产的先进的PCI的I/O加速器，采用了先进的PLX数据管道结构技术。符合PCI-V2.2规范的32位33MHz总线主控接口控制器可获得高达132Mb/s的PCI突发传输速度。通用总线主控接口配备先进的数据流水线架构，包含2个DMA引擎，可编程目标、起始器的数据传输模式和PCI信息传输等功能。

拟采用93C56作为PCI 9054的配置芯片。PCI 9054工作时需要一个配置芯片E²PROM，以便在PCI卡上电的时候配置PCI 9054，主要配置PCI卡的Vendor-ID(厂家标识)和Device-ID(设备标识)，同时，还需要配置其它寄存器，以对PCI9054进行初始化。

拟采用EPM7096可编程逻辑器件，以将AT89C51单片机的8位数据与16位地址转换成32位的数据和地址。

拟采用24C02作为I²C总线的E²PROM，可以用来存储本地的IP地址、网关等设置。

拟采用32K的62256作为外部扩展存储器RAM，这是由于以太网的数据包最大可以有1500多字节，AT89C51单片机无法存储这么大的包，只有放到外部的RAM里。同时外部的RAM也用作串行口的输入输出缓冲，以使单片机具有高速的吞吐数据的能力。74HC373则用作访问存储器的8位锁存。

MAX232作为串口电平转换电路。来自实验箱的数据从串口输入到单片机，单片机再把数据通过网卡传出去。与此同时，来自ACPC的控制指令从网口输入到单片机，单片机再把指令通过串口下达给实验箱。

AT89C51的T1脚、INT1脚分别同24C02的SCL脚、SDA脚相连接；AT89C51的TXD脚、RXD脚分别同MAX232的T1IN脚、R1OUT脚相连接；AT89C51的P1.0脚、P1.1脚、P1.2脚、P1.3脚分别同PCI 9054的LW/R脚、READY脚、ADS脚、BLAST脚相连接；AT89C51的AD(0～7)脚同74HC373的D(0～7)脚及RTL8029的MD(0～7)脚相连接；AT89C51的A(8～14)脚、A15脚、RD脚、WR脚分别同62256的A(8～14)脚、CE脚、OE脚、WE脚相连接；AT89C51的T0脚同RTL8029的RST脚及PCI9054的RST脚相连接。

74HC373的D(0～7)脚同AT89C51的AD(0～7)脚及RTL8029的MD(0～7)脚相连接；74HC373的Q(0～7)脚同62256的A(0～7)脚相连接。

62256的A(0～7)脚同74HC373的Q(0～7)脚相连接；62256的A(8～14)脚、CE脚、OE脚、WE脚分别同AT89C51的A(8～14)脚、A15脚、RD脚、WR脚相连接；62256的D(0～7)脚同RTL8029的MD(0～7)脚相连接。

EPM7096的输入输出IO(0～7)脚同AT89C51的AD(0～7)脚相连接；EPM7096的输入输出IO(8～14)脚同AT89C51的A(8～14)脚相连接；EPM7096的输入输出IO(15～46)脚同PCI 9054的LD[31:0]脚相连接；EPM7096的输入输出IO(47～76)脚同PCI 9054的LA[31:2]脚相连接；EPM7096的输入输出IO(77～80)脚同PCI 9054的LBE[3:0]脚相连接。

93C56的SK脚、DO脚、DI脚、CS脚分别同PCI9054的EESK脚、EEDO脚、EEDI脚、EECS脚相连接。

PCI 9504的LD[31:0]脚、LA[31:2]脚、LBE[3:0]脚分别同EPM7096的输入输出IO(15～46)脚、IO(47～76)脚、IO(77～80)脚相连接；PCI 9054的LW/R脚、READY脚、ADS脚、BLAST脚分别同AT89C51的P1.0脚、P1.1脚、P1.2脚、P1.3脚相连接；PCI 9054的EESK脚、EEDO脚、EEDI脚、EECS脚分别同93C56的SK脚、DO脚、DI脚、CS脚相连接；PCI 9054的AD(0～31)脚、C/BE[3:0]脚、FRAME脚、IRDY脚、TRDY脚、IDSEL脚、INTA脚分别同RTL8029的AD(0～31)脚、C/BE[3:0]脚、FRAME脚、IRDY脚、TRDY脚、IDSEL脚、INTA脚相连接；PCI 9054的RST脚同AT89C51的T0脚相连接。

RTL8029的MD(0～7)脚同74HC373的D(0～7)脚、AT89C51的AD(0～7)脚及62256的D(0～7)脚相连接；RTL8029的同AT89C51的T0脚相连接；RTL8029的AD(0～31)脚、C/BE[3:0]脚、FRAME脚、IRDY脚、TRDY脚、IDSEL脚、INTA脚分别同PCI 9054的AD(0～31)脚、C/BE[3:0]脚、FRAME脚、IRDY脚、TRDY脚、IDSEL脚、INTA脚相连接。

图4是SMCC的MAX232串口电平转换电路图。MAX232的R1IN(13)脚同RS-232串口的TXD(3)脚相连接；MAX232的T1OUT(14)脚同RS-232串口的RXD(2)脚相连接；MAX232的T1IN(11)脚同AT89C51的TXD脚相连接；MAX232的R1OUT(12)脚同AT89C51的RXD脚相连接；MAX232的R2IN(8)脚、T2IN(8)脚接地；MAX232的C1+(1)脚与C1-(3)脚通过4.7μF的电容C1相连接；MAX232的C2+(4)脚与C2-(4)脚通过4.7μF的电容C2相连接；MAX232的Vs+(2)脚通过4.7μF的电容C3与电源相连接；MAX232的Vs-(6)脚通过4.7μF的电容C4接地；MAX232的VCC(16)脚与电源相连接，并通过470μF的电容C5接地；MAX232的GND(15)脚接地；RS-232串口的GND(5)脚接地。

图5是SMCC的主程序工作流程框图。SMCC的同步监测通信及控制主程序首先完成串口、PC19054、网卡的初始化操作，然后从以太网口接收来自ACPC的控制指令，并通过串口向EVPB发送控制命令；同时从串口接收来自EVPB的实验数据，并通过以太网口将实验数据上传到ACPC。

PC19054芯片初始化过程就是对PCI9054芯片的PCI端配置寄存器和本地端配置寄存器DMRR、DMLBAM、PCICR、CNTRL等进行正确的编程配置，以实现本地端单片机与PCI端网卡的无缝连接，对这2个寄存器既可以通过对93C56烧写编程的方式，也可以通过本地CPU直接编程的方式来完成初始化。网卡初始化需要设置CR、DCR、RBCRPSTART、PSTOP、ISR，IM R、PAR0～PAR5、MAR0～MAR5D等寄存器。

图6是实验数据分析与实时控制代理主机ACPC的主程序框图。ACPC一方面负责接收并解析来自CMC的指令，并向指定的实验设备SMCC发送指令；同时，将来自SMCC的实验代码文件及数据文件转换成便于阅读的统一的TXT(文本)格式存储到本地，实验结果图片按JPG格式存储，并可由CMC及MOBILE发送指令指定上传。ACPC同时可以分析比对实验代码，发现重复的情况，并向CMC报告情况。

图7是中心控制主机CMC的主程序框图。CMC通过校园网或者GPRS向CMC发送控制指令，一方面可以通过CMC、SMCC控制实验箱的加解锁等，另一方面可以通过CMC随时访问每一个实验数据。教师同时可以通过MOBILE向ACPC发送控制指令，并从ACPC上获取实验数据及代码的TXT文件及实验结果的JPG图片，在手机上随时进行阅览。

图8是控制云台的解码器原理框图。实验箱与云台之间通过RS485总线连接，镜头和云台的控制由前端的解码器实现。RS485收发器同译码器相连接，解码器和单片机MSP430F148将实验箱送来的串行码控制信号转换成不同功能电压以驱动前端设备。MSP430F148单片机属于德州仪器公司MSP430FLASH系列。MSP430系列是一组超低功耗的微控制器，针对不同应用目标、以不同模块组成，微控制器的设计可使电池长期工作，电源电压范围1.8～3.6V，具有16位RISC结构、16位寄存器和常数寄存器。控制的振荡器提供所有低功耗模式从快速苏醒到活动模式的能力时间少于6微秒，带有两个16位定时器(带看门狗功能)、速度很高的8通道12位A/D转换器(内部参考电压、采样保持和自动扫描功能)、一个内部比较器和两个通用同步/异步发射接收器、48个I/O口的微处理器结构。

MSP430F148的工作电压是3.3V，因此其I/O电平也是3.3V，逻辑电平，并且与5VTTL电平兼容。但与5VCMOS的标准电平是不一样的，所以不能直接与5V的CMOS标准器件相接。在这种情况下，可以采用双电压(3V，5V)供电的驱动器，如74HCT、74ACT系列的器件。

为了降低成本和简化设计，由单片机发出的控制信号均由MC1413来驱动放大，输出直接驱动光耦合继电器。MC1413输入为低电平时断路，输入高电平时为达林顿输出，电流较大，而电平为低，相当于反向隔离驱动放大器。RS485通讯电路则采用74HCT 244(+5V供电)驱动I/O口输出。

图9是云台控制电路。云台有俯仰、旋转两个单相交流电机，每个电机有两个绕组，两个绕组有一个公共端，两个非公共端接有移相电容。当交流电压从一个绕组接入时，电机正向旋转；当交流电压从另一个绕组接入时，电机反向旋转。单片机发出的云台左右、上下运动的控制信号实际上是对云台的交流电机的正反向控制。

单片机输出的控制信号通过MC1413来驱动放大。光耦器件MOC3041用来隔离可控硅上的交流高压和直流低压控制信号。其输出用来触发双向可控硅，双向可控硅选用ST Microelectronic公司的T4系列，该可控硅内部集成有缓冲续流电路，不用在双向可控硅两端并联RC吸收电路，可以直接触发，电路设计简单。

图10是镜头控制电路。变焦镜头有光圈、聚焦、变倍三个直流电机，三个电机有一个公共接地端，在非公共端加正、负电压时电机正、反向旋转。单片机发出的镜头控制信号实际上是对镜头的直流电机的正反电压控制。

直流伺服电机的正反向控制电路一般有H型(桥式)互补对称式和T型互补对称式两种。其中，H型(桥式)互补对称式电路的集成芯片很多，但这类芯片一般较贵，而且镜头的控制路数较多。为了降低成本，采用T型互补对称式驱动电路。

图中，4555A双四选一构成硬件互锁，用来防止上下两个FET功率管同时导通，其采用3.3V供电。光耦合隔离器TLP521-4将镜头的电机电源与数字电路互相隔离，以避免电机接通和断开时所造成的毛刺影响数字电路的工作。同时，TLP521-4驱动两个FET功率管，后者直接用来驱动直流电机。两个FET管一个是P型沟道，另一个是N型沟道，形成互补结构。为了避免FET管因电压尖峰而损坏，电路中采用了电容及金属氧化物压敏电阻作为瞬时吸收保护器。4555A的2、3脚分别接正向、反向控制信号，5、6脚是选择信号，通过光耦合隔离器TLP521-4驱动FET功率管IRF9024，IRF9024直接驱动直流电机。两个TLP521-4均采用+5V供电，两个FET功率管IRF9024分别采用+12V、-12V供电。

图11是RS485通讯接口电路。解码器与实验箱两者之间的数据传送经过RS485收发器MAX485，由单片机的TXD和RXD串行口发送和接收。单片机MSP430F148不断查寻RXD口数据，当判断数据到来时，读入操作数据，再判别是何种控制功能，发出对应的控制信号。

图中，为了提高数据传输的抗干扰性，MAX485为+5V单独供电，采用高速光耦6N137与其他的电源完全隔离，不共地。由于传输线现场可能有电磁干扰，所以在传输线上并联瞬变电压抑制器TVSC，串联熔断器，传输线用有屏蔽层的电缆。

单片机的URXD1脚通过6N137与485的RO脚相连接，用于判断数据是否到来。P1.0脚通过TLP521-4控制MAX485的RE、DE脚。UTXD0脚通过6N137与485的DI脚相连接。485的6、7脚接屏蔽电缆线，8脚接+5V电源。

通信协议与指令结构

系统控制指令主要可以分为：实验箱控制(加解锁)、实验数据获取、云台翻转控制、启动视频会话等4种指令类型。

指令格式如下：cc，源地址，目标地址，指令类型，操作类型，确认标识，参数长度，参数1，...，参数n，校验和。

上面的指令格式中。cc为指令起始符。源地址为发送方的地址编号，目标地址为接收方的地址编号，均占2个字节。

指令类型1个字节，前面4位表示指令方向，定义为：高4位为0是下行指令(实验箱发给解码器)，高4位不为0是上行指令(解码器发给计算机)。低4位就是具体的指令类型号：1-实验箱控制；02-实验数据获取；03-云台翻转控制；04-启动视频会话，允许进一步扩展。

操作类型对应某一指令下的具体操作。参数长度指明参数一项中参数的个数(0～99)。指令类型为01时，操作类型为01，表示实验箱加锁操作；操作类型为02，表示实验箱解锁操作。参数中可设置时延，3个字节，分别表示HH-MM-SS，即小时，分钟，秒，允许延时操作。指令类型为02时，操作类型为01时，表示获取实验结果文件；操作类型为02时，表示获取实验源文件，参数可指定文件的格式类型。指令类型为04时，操作类型为01时，表示由实验箱向主机发送视频，操作类型为02时，表示由主机向实验箱发送视频，操作类型为03时，表示视频交互。

确认标识代表是否为回复指令，00为指令，01代表确认收到指令。

云台翻转指令较为复杂，单独说明。指令类型为03时，代表云台操作。操作类型可以为01、02、03，分别表示单独控制云台，单独控制镜头及云台镜头同时操作。云台操作参数1个字节，对于01、02的操作类型，表示云台或者镜头的具体动作；对于03的操作类型，高4位代表云台动作，低4位代表镜头动作。

云台动作：

0-不动；1-向上运动；2-向下运动；3-向左运动；4-向右运动；5-左上方向；6-左下运动；7-右上方向；8-右下方向；9-自动扫描。

镜头状态：

0-镜头不动；1-光圈变大；2-光圈变小；3-景深不动；4-景深远；5-景深变近；6-焦距不变；7-焦距变远；8-焦距变近。

校验和为除帧头以外的其余各字节之和与256的余数。

例：如主机发送控制命令给1#实验箱，控制1#实验箱的云台，命令格式如下：

云台向下、镜头景深变近：cc 000103030125，其中，00代表主机默认的地址编号，01代表1#实验箱，03代表云台翻转控制，03代表同时操作云台镜头，01代表1个参数，25代表云台向下运动、镜头景深变近。

其余的指令格式可以类推。

当发送指令时为保证指令的正确性，制定以下协议：

发送方：发送后须等到确认指令后才能把此指令从发送队列里删除。如果未收到确认，则隔一段时间重发一次(时间间隔设定为100ms)；重发三次后，仍未收到确认，则把此指令从队列里删除；同时，给出出错信息，当发送方收到重发指令后，应立即重发。但重发次数不能超过三次，超过三次后，也把指令删除，同时给出信息。

接收方：当收到正确指令时，应马上发回确认指令；若接收错误，应马上发回重发指令。注意：应答指令不应放在发送队列中，而是即时产生马上发送出去。

Claims (6)

1.一种视频通信与信号处理的同步监测及实验系统，其特征在于包括同步监测管理网络平台、数据分析与通信平台、监控终端和n路结构相同的监测与实验支路，其中同步监测管理网络平台包括二个一级以太网交换机和n+1个二级以太网交换机，数据分析与通信平台由实验数据分析与实时控制代理主机串接第一通用无线分组通信装置构成，监控终端由中心控制主机串接第二通用无线分组通信装置构成，每条监测与实验支路都由同步监测通信及控制装置依次串接视频处理实验箱、云台控制系统构成，二个一级以太网交换机通过万维网连接，第一一级以太网交换机分别与n+1个二级以太网交换机级联，第一至第n个二级以太网交换机分别与n个同步监测通信及控制装置的网络接口连接，第n+1个二级以太网交换机与实验数据分析与实时控制代理主机的网络接口连接，第二一级以太网交换机与中心控制主机的网络接口连接，第一、第二通用无线分组通信装置通过GSM网络通信，其中n为自然数。

2.一种视频通信与信号处理的同步监测及实验系统，其特征在于包括同步监测管理网络平台、数据分析与通信平台、移动终端和n路结构相同的监测与实验支路，其中同步监测管理网络平台包括第一一级以太网交换机和n+1个二级以太网交换机，数据分析与通信平台由实验数据分析与实时控制代理主机串接第一通用无线分组通信装置构成，每条监测与实验支路都由同步监测通信及控制装置串接视频处理实验箱、云台控制系统构成，第一一级以太网交换机分别与n+1个二级以太网交换机级联，第一至第n个二级以太网交换机分别与n个同步监测通信及控制装置的网络接口连接，第n+1个二级以太网交换机与实验数据分析与实时控制代理主机的网络接口连接，移动终端通过GSM网络与第一通用无线分组通信装置通信，其中n为自然数。

3.根据权利要求1或2所述的视频通信与信号处理的同步监测及实验系统，其特征在于所述云台控制系统包括RS485通信接口电路、云台控制解码器、云台控制电路、镜头控制电路和辅助控制电路，其中云台控制解码器包括译码器、微处理器、报警探头接口、云台驱动电路、镜头驱动电路和辅助驱动电路，RS485通信接口电路分别与视频处理实验箱和译码器双向通信连接，微处理器分别与译码器和报警探头接口双向通信连接，微处理器的输出端分别串接云台驱动电路、镜头驱动电路和辅助驱动电路后分别对应接云台控制电路、镜头控制电路和辅助控制电路的输入端。

4.根据权利要求1或2所述的视频通信与信号处理的同步监测及实验系统，其特征在于所述同步监测通信及控制装置包括微处理器、网卡、PCI芯片、可编程逻辑器、总线存储器、外部扩展存储器、配置存储器、锁存器和串口电平转换芯片，其中微处理器的T1脚接总线存储器的SCL脚，微处理器的INT1脚接总线存储器的SDA脚；微处理器的TXD脚接串口电平转换芯片T1IN脚，微处理器的RXD脚接串口电平转换芯片的R1OUT脚；微处理器的P1.0脚接PCI芯片的LW/R脚，微处理器的P1.1脚接PCI芯片的READY脚，微处理器的P1.2脚接PCI芯片的ADS脚，微处理器的P1.3脚接PCI芯片的BLAST脚；微处理器的AD(0～7)脚分别同锁存器的D(0～7)脚、网卡的MD(0～7)脚及可编程逻辑器的输入输出IO(0～7)脚相连接；微处理器的A(8～14)脚分别同外部扩展存储器的A(8～14)脚及可编程逻辑器的输入输出IO(8～14)脚连接，微处理器的A15脚同外部扩展存储器的CE脚相连接，微处理器的RD脚同外部扩展存储器的OE脚相连接，微处理器的WR脚外部扩展存储器的WE脚相连接；微处理器的T0脚同网卡的RST脚及PCI芯片的RST脚相连接；锁存器的Q(0～7)脚同外部扩展存储器的A(0～7)脚相连接；可编程逻辑器的输入输出IO(15～46)脚同PCI芯片的LD[31:0]脚相连接；可编程逻辑器的输入输出IO(47～76)脚同PCI芯片的LA[31:2]脚相连接，可编程逻辑器的输入输出IO(77～80)脚同PCI芯片的LBE[3:0]脚相连接；配置存储器的SK脚同PCI芯片的EESK脚相连接，配置存储器的DO脚同PCI芯片的EEDO脚相连接，配置存储器的DI脚同PCI芯片的EEDI脚相连接，配置存储器的CS脚同PCI芯片的EECS脚相连接；PCI芯片的AD(0～31)脚同网卡的AD(0～31)脚相连接，PCI芯片的C/BE[3:0]脚同网卡的C/BE[3:0]脚相连接，PCI芯片的FRAME脚同网卡的FRAME脚相连接，PCI芯片的IRDY脚同网卡的IRDY脚相连接，PCI芯片的TRDY脚同网卡的TRDY脚相连接，PCI芯片的IDSEL脚同网卡的IDSEL脚相连接，PCI芯片的INTA脚同网卡的INTA脚相连接。

5.一种如权利要求1所述的视频通信与信号处理的同步监测及实验系统的实现方法，其特征在于：

中心控制主机：当万维网无故障时，依次经过第二一级以太网交换机、万维网、第一二级以太网交换机后通过第一至第n个二级以太网交换机分别向n个同步监测通信及控制装置发送控制命令以及获取实验数据；当万维网故障无法通信时，则依次经过第二通用无线分组通信装置、GSM网络、第一通用无线分组通信装置向实验数据分析与实时控制代理主机发送控制命令以及获取实验数据；

实验数据分析与实时控制代理主机：当万维网故障无法通信时，依次经过第n+1个二级以太网交换机、第一一级以太网交换机后分别通过第一至第n个二级以太网交换机将接受到的控制指令分别发送至n个同步监测通信及控制装置并获取实验数据；

同步监测通信及控制装置：通过串口向视频处理实验箱发送加锁解锁指令并从视频处理实验箱获取实验数据；同时，分别通过第一至第n个二级以太网交换机接收控制命令和发送实验数据；

云台控制系统：通过RS-485接口获取实验箱转发的云台控制指令，通过云台控制解码器解析控制指令；最终通过云台控制电路、镜头控制电路实现云台、镜头的运动控制。

6.一种如权利要求2所述的视频通信与信号处理的同步监测及实验系统的实现方法，其特征在于：

移动终端：依次经过GSM网络、第一通用无线分组通信装置向实验数据分析与实时控制代理主机发送控制命令以及获取实验数据；

实验数据分析与实时控制代理主机：依次经过第n+1个二级以太网交换机、第一一级以太网交换机后分别通过第一至第n个二级以太网交换机将接受到的控制指令分别发送至n个同步监测通信及控制装置并获取实验数据；

同步监测通信及控制装置：通过串口向视频处理实验箱发送加锁解锁指令并从视频处理实验箱获取实验数据；同时，分别通过第一至第n个二级以太网交换机接收控制命令和发送实验数据；

云台控制系统：通过RS-485接口获取实验箱转发的云台控制指令，通过云台控制解码器解析控制指令；最终通过云台控制电路、镜头控制电路实现云台、镜头的运动控制。

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