基于LPC2138的红外摄像机解决方案

现行普通摄像机在得到视频信号后，经LM1881提取水平和同步信号并送入字符叠加芯片UPD6453GT。UPD6453GT产生的字符信号与视频信号一起送到NJM2264D叠加，就可以形成叠加了字符的视频信号。根据需求，只可以实现中文字符和英文字符的叠加。本文介绍的是一种基于LPC2138 ARM7作为MCU 来实现一款红外摄像机的方案，能实现视频信号的水平/垂直分离、字符叠加，还介绍了各芯片的功能及云台等方面的内容。
1 系统硬件设计
    基于LPC2138 ARM7实现的红外摄像机的系统结构框图如图1，其主要硬件包括LPC2138 LM1881、UPD6453、JNM2266、A3967等。

    LPC2138是PHILIPS公司的一款32/16位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并带有512 KB的嵌入高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在最大时钟速率下运行；多个串行接口，包括2个标准UART、2个高速I2C接口；9个边沿或电平触发的外部中断引脚，通过片内PLL可实现最大为60 MHz的CPU操作频率。CPU操作电压范围为3.0~3.6 V(3.3 V±10%)，I/O口可承受5 V的最大电压。
    LPC2138电路图如图2所示，主要实现以下功能：

    (1)使用LPC2138的两个串口，可以用一个串口与上位机通信，另一个与摄像机通信。所有上位机发送的协议命令先经LPC2138解析后，控制云台或直接发往摄像机。
    (2)利用两个I2C口扩展两片EEPROM，一片用于存储汉字的点阵码，用于叠加汉字字符；另一片用于存储用户的设置信息，如看守位、预置位、巡视组数据等。
    (3)利用LPC2138一个外部中断，检测步进电机的过零点，用于初始化时的自学习和运行时的位置显示校正。
    (4)利用LPC2138的PWM功能发送脉冲，驱动A3967/A3977等步进电机的驱动芯片。LPC2138的PWM容易控制，可以根据速度设定编写PWM的发出脉冲。
    (5)利用LPC2138的实时时钟实现日历功能，并将时间显示在CRT上。还可以利用LPC2138的时钟中断功能控制摄像机的运行。
    (6)需要使用一个光偶检测摄像机是否过零点，此信号还需经施密特触发器整形后作为LPC2138的外部中断。
    LM1881可以将复合视频信号中的垂直同步信号和水平同步信号分离出来。分离出来的信号输入到UPD6453GT，作为字符信号的同步信号。具体电路如图3所示。

    UPD6453是NEC公司推出的专用字符叠加芯片，它的主要特点是显示编辑功能强，可以在屏幕上显示12行24列的字符，每个字符为12×18点阵，字符的大小、闪烁频率可以根据需要进行调整，同时为了达到显示的多样性，屏幕的背景色、字符的边缘色以及字符本身的颜色也可以进行修改。UPD6453内部不但提供240 B的字模，而且还提供16 B的RAM空间以供用户填入自定义字符，这就为汉字显示提供了可能。UPD6453字节的背景色、边缘色以及字符本身的背景色均有7种，在颜色控制上，为用户提供了更多的选择。图4为UPD6453电路图。控制命令主要有：

  [p]    (1)显示控制:确定是否允许显示字符、字符的闪烁频率，及控制LC振荡的停振和起振。
    (2)背景控制：确定背景的类型(无背景、字符边缘背景、字符块背景、全屏幕背景)。
    (3)背景颜色控制：确定背景的颜色(有7种颜色选择)。
    (4)视频 RAM复位：此时晶振起振，视频RAM写模式，字符的颜色、大小等为默认设置。
    (5)显示块位置控制：用来确定12行24列的字符显示块离屏幕最上端、最左端的距离。
    (6)显示字符行、列地址控制：确定字符在12行24列的显示块中的行列位置。
    (7)字符大小、平滑控制：确定每一行字符的显示大小，以及用多倍显示时是否采用字符的平滑措施。
    (8)字符RAM写地址控制：UPD6453内部提供16个字符的RAM空间，每个字符为12×18点阵。该命令用来确定将点阵数据写入RAM空间中第几个字的第几行(一共18行)，写完一行，行地址自动加1，写完一个字，字地址自动加1。
    (9)字符RAM写数据控制：确定需要写入RAM空间的一行12个点的点阵数据。
    (10)显示字符控制：确定芯片UPD6453的256个字符(包括固化的240个字符以及16个自定义字符)中哪个字符送出显示，以及该字符的显示颜色和是否闪烁。
    NJC2266是使用4.75~13 V电压的高性能视频开关；内部6 dB放大器电路；3输入，1输出；内部灌入芯片箝位功能(VIN1)，可以输入视频信号；内部亮度信号控制功能(VIN2，VIN3)，用来连接两个电位器控制，分别控制字符边框和字符的亮度。具体的电路图如图5所示。

    A3967采用Allegro公司的A3967SLB芯片。该芯片驱动能力可达30 V、±750 mA，它适合双极步进电机使用，与需要L298拖动的L297芯片相比，实现更方便。若负载更大，则可选用3977，其驱动能力为30 V、±2.5 A。A3967/A3977电路图如图6所示。A3967SLB驱动步进电机可以达到8细分驱动，这款24引线的SOIC，采用该公司EasyStepper接口，将8条控制线路减少为2条(步长和方向)，其内嵌的转换器可以实现对步进电机的控制，只要简单地输入控制电机的脉冲即可，不需要环形分配器、复杂的相变编程和高频控制。A3967SLB的内部电路保护，包括利用磁滞的过热停止保护、低电压锁定和过流保护，也不需外接功率驱动部分。A3967SLB还具有混合、快速和慢速电流衰减模式选择，内置PWM电流控制，同步整流，低输出阻抗的 DMOS电源输出。这种驱动方式设计简单，调试方便，运行可靠，对硬件要求较低。A3967内部的PWM电流控制：每一个H桥都有一个固定截止时间的PWM电流控制电路，从而将负载电流限制在一个最高值之内。开始进行工作时，对角线上的一对源接受DMOS处于输出状态，电流流经电机绕组和SENCE脚所接的电流取样电阻。当取样电阻上的压降等于D/A的输出电压时，电流取样比较器将PWM锁存器复位，从而关闭源驱动器(上桥)进入慢衰减模式；或同时关闭源接受驱动器(下桥)进入快衰减模式；或者混合模式，使之产生环流或电流回流至源端。该环流(回流)将持续衰减到截止时间为止，然后，产生下一次的PWM循环。另外，在给A3967/3977布线时，必须考虑地平面和电阻Rs的布线。

    恒流大功率红外灯的驱动设计OCP2030是一款BUCK型DC-DC；具有2％的反馈电压精度；输入电压较宽，最高可达20 V；最大3 A的电流，很容易实现5 W的LED驱动。SOP8封装；图7中R的选择原则是：要求是大功率电阻，如0.5 W或1 W，封装形式是2012或更大。

    如果不能满足要求，还可以采用多个小功率的LED并联。为满足红外摄像机黑白转换，可以用OCP2030的4脚即FB来控制整个芯片的运行。LED中流过的电流为：
    I_led=0.5 V/R(A)
    如R选0.68 Ω，I_led=0.7 A
2 软件设计
    软件的设计应该基于模块式设计，以便以后扩充功能，增加摄像机的控制协议。同时应该考虑CPU的时钟频率。步进电机的驱动以及显示，通信控制等都需要及时处理。
    本文介绍了一款红外摄像机的方案和电路图，在此基础上可以扩充其功能，添加不同的模块，如更换MCU实现网络摄像机等。
参考文献
[1] 周立功.深入浅出ARM7－LPC213x_214x(上)[M].北京:北京航天航空大学出版社，2008，6.
[2] 郭欣，孙泓波，顾红.UPD6450和uPD6453在视频字符叠加系统中的应用[J].电子技术应用，2006，12(3):254-256.