一種多路視頻信號分時遠距離傳輸方法的實現*

羅 旭，廉小親，王 濤，李康飛，張曉力，段振剛

（北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京100048）

一種多路視頻信號分時遠距離傳輸方法的實現*

羅 旭，廉小親，王 濤，李康飛，張曉力，段振剛

（北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京100048）

研究復用一根電纜分時傳輸多路視頻信號的方法，設計多路視頻分時傳輸系統，用于一臺主控設備對多個對象進行視頻監控。闡述了系統的硬件組成及原理，給出了視頻發射/接收及電子開關電路的設計思路，制定了主控計算機和多路微控制器STC15F2K61S2的通信協議，給出了微控制器軟件設計思路。測試結果表明，系統采用差分雙絞線驅動器傳輸視頻信號，結合對多路電子開關的控制，實現了多路視頻信號有效的通斷，進而實現了多路視頻信號復用雙絞線遠距離傳輸，實際傳輸效果清晰，信號波形無失真。

多路視頻傳輸；分時復用；差分雙絞線驅動器；485總線；電子開關

0 引言

視頻圖像智能監控[1]在安防領域越來越受到重視，在一些大范圍的公共場所(如停車場、寫字樓、學校等)。都設置了大量的圖像采集區，用于安全監管，便于突發事件的報警。智能監控一般利用相關圖像識別算法，提取圖像特征來判斷事件是否發生，不要求記錄整個事件的過程。所以，如果每個攝像機都實時傳輸畫面到終端，會大量使用傳輸線和接收設備，不但布線麻煩，而且成本很高。分時傳輸則可以用一臺計算機和一根電纜對多個對象輪詢進行監控管理，不但方便布線，而且大大降低了購買設備的成本。本文介紹一種實用的多路視頻信號分時遠距離傳輸方法，并已經應用在某大型地下停車場，實現每個車位的視頻信號輪詢采集傳輸，用于識別每輛車的車牌信息。分時傳輸方案也可應用于多傳感器共用一個采集通道，解決電路規模較大的問題。

1 系統整體組成

硬件系統由一臺計算機、若干攝像機、發射器、微控制器、電子開關、一個接收器和一個視頻采集卡組成。系統框圖如圖1所示，攝像機輸出的單端逐行倒相(Phase Alteration Line，PAL)制式視頻信號經差分雙絞線驅動器(發射器)轉換成差分信號，但信號由于被電子開關關斷，無法被傳輸。此時計算機通過485總線用微控制器控制每一個多輸入多輸出的電子開關，對差分信號分別進行通斷，并在一條雙絞線上分時傳輸某一路的視頻信號，終端則由一個接收器把差分信號轉換回單端PAL視頻信號，之后送入視頻采集卡處理，計算機通過讀取采集卡內的數據，可獲取攝像機的畫面并進行分析。其中，微控制器選用 STC公司的STC15F2K61S2單片機，發射器和接收器分別選用Intersil公司的先進、高速、低成本視頻差分放大器EL5171、EL5172芯片，電子開關選擇CMOS 4000系列的CD4066，選擇帶有BNC接口的攝像機。視頻采集卡選購市面通用型號即可，視頻采集卡的作用是將攝像機輸出的模擬視頻信號轉換成計算機可識別的數字信號，輸入計算機后成為可編輯的數據文件。傳輸線可以選用屏蔽雙絞線(Shielded Twisted Pair，STP)。

圖1 視頻信號的傳輸系統組成

2 硬件設計及實現

2.1 視頻發射/接收電路設計

我國視頻信號制式一般是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節信號，所以視頻信號的標稱視頻帶寬為 6 MHz。單端信號受傳輸距離增大或混入干擾的影響，會造成幅度衰減或信號變形，在遠距離傳輸時會出現畫面不清晰甚至出現黑場的情況。所以，選擇EL5171用作單端信號轉換成平衡差分信號傳輸，以及用EL5172再將差分信號轉換回單端信號的方式，可延長傳輸距離和抵抗部分傳輸干擾。該芯片對輸入信號的最大帶寬是 250 MHz(-3 dB)。在±5 V供電方式下，最大輸出電流可在 90 mA，滿足視頻信號的轉換和傳輸。通過調節反饋電阻網絡還可以改變帶寬和增益[3]，適用不同距離傳輸，保證信號質量最佳。視頻信號轉換電路如圖2所示。

圖2 視頻信號轉換電路

在可靠性設計方面，EL5171供電電源必須經過低頻和高頻信號濾波，使紋波盡可能小，保證轉換質量。

2.2 電子開關電路設計

系統根據主控設備的命令要求實現多路視頻信號的傳輸，因此電子開關電路的設計是非常關鍵的。信號通斷可利用繼電器或三極管分立元件電路實現，但由于繼電器本身功耗大、工作頻率低、觸點壽命短等缺點，一般用于控制電機等大功率器件。三極管模擬電路對頻率響應不易調節，容易造成信號丟失或失真。選擇集成CMOS芯片可以實現快速準確的通斷，CD4066是四雙向模擬開關集成電路[4]，管腳圖如圖 3(a)所示，控制端接高電平開關導通，接低電平截止，導通電阻在幾十歐姆，斷開電阻達 100 MΩ。在選通狀態下的頻率帶寬為 40 MHz。在正負雙電源供電下，可傳輸幅度不大于電源的模擬或數字信號。其具備功耗低、導通速度快、抗干擾能力強、無機械觸點等特點，可以應用在視頻信號通斷的設計中。

用 CD4066的前兩路輸入/輸出傳輸平衡差分信號(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電源電平是一樣的，是±5 V。用單片機 I/O口控制光電耦合器實現 CD4066控制端電平的切換，系統上電后，MCU初始化管腳是高電平，則光耦輸出端默認是低電平-5 V，故所有的開關均處于關斷狀態；等接到開啟命令后，MCU_CTRL管腳輸出低電平，光耦工作，輸出高電平+5 V，CD4066的前兩路處于同時導通狀態，視頻信號可以通過。電路結構如圖3(b)所示。

在可靠性設計方面，CD4066輸入端加入雙向鉗位二極管(BAT54S)，防止輸入端電壓超過芯片電源電壓損壞電子開關，如圖3(b)。

圖3 電子開關電路

2.3 微控制器通信電路設計

出于成本和應用環境考慮，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串行總線標準。

可靠性設計方面,MAX485使用隔離電源供電和光耦隔離，上電默認接收狀態，輸出 AB線兩側加 TVS(瞬態抑制二極管)保護防電壓浪涌，AB線上加500 mA自恢復式保險絲防雷擊短路。每隔300 m接入485中繼器，增強信號。同時，避免和強電一起走線。

3 微控制器軟件及通信協議設計

3.1 微控制器與PC通信協議設計

實現多路視頻信號的傳輸，需制定微控制器與計算機的通信協議，協議中需要包含哪路視頻信號的開關命令。表1為開啟第一路視頻信號的協議?？紤]到遠距離通信，波特率不宜設置太高，選擇4 800 b/s、1個起始位、1個停止位、無硬件校驗。

表1485 總線通信協議

協議中，幀頭和幀尾字節固定為0x68H和0x16H，控制通信的發起和結束。地址字節范圍是 0x01H～0x1EH,總線可以接入 30個微控制器，0x00H、0x1FH地址可用于廣播控制，如全部關閉。由于只有單個開關的開啟命令，沒有單個關閉命令，命令和數據長度、數據字節留作擴展功能。校驗字節是所有字節的累加和，便于計算機在接到返回的校驗失敗信息時重發命令。

3.2 微控制器軟件設計

STC15F2K61S2微控制器使用MAX485芯片通過485總線接收計算機的指令，決定是否通斷各自的視頻信號。在485通信中，每個從設備都有不同的地址，可用5位撥碼開關來設定不同的地址，最多可設置32個從設備地址，實際中只用了1～30號地址，0和31號可用于廣播地址。通信協議中包含的地址字節，用于指向要發送數據的設備。本設計利用485通信的廣播特性，當發送打開某個攝像頭信號的指令時，所有的微控制器都會收到同樣的指令，然后比對是否和設定的本機地址相同，如果相同則控制電子開關打開視頻信號，否則就保持或執行關閉，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傳輸，實現了雙絞線上總是只有一個攝像機的圖像信號存在，避免了信號混疊。計算機端的指令發送方式可以選用自動定時輪詢方式或者手動選擇方式。

圖4 微控制器軟件流程

計算機運行VC++6.0軟件環境和界面，來發起輪詢命令?？梢赃x擇專業的工控機代替普通計算機，工控機一般含有多個串口，可以提高帶負載數量。但受篇幅限制，不在本文討論范圍之內。

4 測試結果

由于電子開關CD4066在導通狀態下，仍有幾十歐姆的導通電阻，故需使用示波器觀察視頻信號經過開關之前和之后的差別，以及從攝像機輸出的信號和最終視頻采集卡的輸入信號的差別，主要觀測值為信號幅度和頻率，幅度單位是 mV，包括峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值 Vmin，測量頻率單位是 kHz。測試位置點如圖5所示。在開關導通狀態下，差分信號經過CD4066前后對比波形如圖 6所示。圖6中(A)、(B)為轉換后的差分信號，(C)、(D)分別為經過電子開關后的差分信號。單端視頻信號波形和恢復后的波形如圖7所示,圖7中(A)為攝像機輸出信號，(B)為接收器恢復后的信號。在開關關斷狀態下，電子開關輸出的波形如圖8所示。

圖5 測試點位置

圖6 開關導通時信號前后波形

圖7 單端視頻信號的波形及恢復

對比圖6，可以觀察到差分信號經過電子開關后會有幾十毫伏的衰減，但對比圖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償，幅度變大。圖8表明在關斷狀態下，信號幅度很弱，不會影響總線上的其他信號,實測結果可能由于測試方法的原因而引入了高頻噪聲,Vp-p實際值會接近0 mV。通過波形測試發現，CD4066可以有效關斷視頻信號，同時也可以真正傳輸視頻信號。

另外，視頻頻段的信號在用雙絞線傳輸時，由于線上電阻損耗和介質損耗，信號的功率從進入雙絞線傳送到負載時會衰減，衰減大小和信號的頻率有關，信號的頻率越高，衰減量越大，主要衰減在信號頻點為5～6 MHz時較明顯。用頻譜儀可以觀察到高頻成分的幅度衰減，這種衰減會影響畫面邊緣和細節質量。通過對高頻信號的幅度提升補償，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。

圖8 開關關斷時信號波形

5 結束語

本設計實現了多路視頻信號分時傳輸的方法，并成功應用于某大型停車場的車位圖像信息采集系統。設計新穎，布線簡單，節約成本，可部署在各種視頻安防監控場所，用于智能識別。其優點主要在于復用雙絞線傳輸多路視頻信號，并可以和485總線同時走線，所以一根普通雙絞線電纜即可傳輸兩種信號；還可制作水晶頭與RJ45接口接駁，便于安裝和系統調試運行。同時，利用這種分時傳輸方法，也可為各種多傳感器數據分時采集提供方案。

[1]劉京京，蔡喜平.國外智能視頻監控的熱點探究[J].電子測試，2014(21)：28-30.

[2]董偉峰.監控系統中視頻信號傳輸的設計[J].企業科技與發展，2011(2)：12-13.

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

[4]桂良啟，郭偉，張祖蔭.電子開關 CD4066在數據采集裝置中的應用[J].電子技術，2003，30(8)：38-41.

[5]唐伯良.高頻預提升和補償在雙絞線視頻傳輸中的運用[J].上海大學學報(自然科學版)，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：計算機測控技術。

北京市自然基金重點項目 B類(KZ201410011014)

廉小親(1967-)，通信作者，女，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向：信號信息處理、計算機測控技術，E-mail：lianxq@263.net。