楼宇点对点全数字化可视对讲系统电气模块设计.doc

南华大学船山学院

毕业设计(论文)

题 目： 楼宇点对点全数字化可视对讲系统电气模块设计
专业名称： 电子信息工程
指导教师： 陈忠泽
职 称： 教授
班 级： 2008级
学 号： 20089470110
学生姓名： 周国庆

2012年6月9日

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楼宇点对点全数字化可视对讲系统电气模块设计

摘要:社会进步引起了人类生活方式和思维模式改变，人们对于安全重视越来越高。安防产业市场前景越来越被看好，监控和数字服务是安防产业重要技术支撑手段。楼宇对讲系统从90年代被引进国内，到现在中小城市都随处可见，智能楼宇对讲已经成为安防产业发展潮流。楼宇对讲系统对于保障人民生活及社会安全具有重要意义，已经从普通对讲发展到可视对讲，可视对讲功能日益趋向于多样化、综合化以及人性化。以实时监控、控制、报警等特点深受广大小区用户欢迎，并取得较大经济效益及社会效益。当前，随着科学技术发展和人们生产生活提高，可视对讲系统将会广泛应用于越来越多住宅小区。
本论文涉及是点对点全数字化可视对讲系统采用ARM内核STM32作为核心控制器件。外围采用音频模块、视频模块、显示设备及键盘。来访者通过键盘按下“CALL”按键，控制器件可以把来访者语音和视频信号传送到室内机，主人通过按下“ANSWER”按键便可及来访者通话。通过按下“OPEN”按钮，大门自动打开。当主人不在家时，还可“留言留影”。该系统具有实用性强、性价比高、抗干扰性好等优点。

关键词：可视对讲系统；STM32；音视频模块；门禁控制。

Design of electrical module for Point to point all.digital video intercom Building system

ABSTRCAT:The progress of society caused by changes in human lifestyle and patterns of thought, the people of the importance of security is increasingly high. Market prospects of the security industry is increasingly optimistic about.Monitoring and digital service is the important technical support means of security industry. Building conversational system was introduced into China from 90s and up to now, it can be seen everywhere in small.medium.sized cities. Intelligent Building conversational System has become a trend in the security industry .The Building conversational system has great significance for the guaranty of people's lives and social security has been developed from ordinary intercom to visual intercom .Visual intercom function inclines to diversified, comprehensive and humanized. With the advantages of Real.time monitoring, control and alarm, it is widely welcomed by the majority of residential users and has achieved good social and economic benefits. With the development of science and technology and people's living standard, visual intercom will be more and more popular in the residential district.
This article is a topic about research on the Point to point all.digital video intercom system for intelligent building adopts ARM STM32 core as the core control device. The peripheral uses audio module, video module, the display device and keyboard. Press "CALL" button through the keyboard, the control device can transmitted visitors’ voice and video signals to the indoor machine. Masters can then press the "ANSWER' button and speak to the visitors. When they press the” OPEN" button, the door will open automatically. When the master was not at home, the visitors can also leave some messages or pictures. The system obtained high opinion because of its Practical, high cost.effective, good interference resistance.

Key words ：Video intercom system; STM32; Audio and video modules; Entrance Control

目录

第一章 绪论 1
1.1 楼宇点对点可视对讲系统设计课题背景 1
1.2 近年来国内外研究现状 1
1.3 楼宇可视对讲系统设计要求 2
第二章 楼宇可视对讲系统方案总体论证 4
2.1 楼宇可视对讲系统功能及分析 4
2.2 无线系统及有线系统选择 6
2.3楼宇可视对讲系统信号传输方式 6
2.4楼宇可视对讲系统方案设计 8
第三章 楼宇可视对讲系统硬件电路设计 10
3.1可视对讲系统处理器选择 10
3.2 可视对讲系统流程图设计 11
3.3可视对讲系统键盘设计 14
3.4 可视对讲系统呼叫及摘挂机检测模块设计 16
3.5可视对讲系统视频模块设计 17
3.6可视对讲系统音频模块设计 19
3.7可视对讲系统中音频信号放大处理模块设计 20
3.8可视对讲系统显示设计 21
3.9可视对讲系统中电磁门控锁控制 22
第四章 系统仿真和调试 23
总结 24
致谢信 26
参考文献 27
附录一：室内机PCB板示意图 28
附录二：室外机PCB板示意图 29
附录三：室内机原理图 .................................................................................30
附录四：门口机原理图....................................................................................31

第一章 绪论
1.1 楼宇点对点可视对讲系统设计课题背景
现代住宅小区特点是用户集中、容量大、进行统一保安管理。随着人们生活水平提高，对现代小区期望越来越高。因此小区安防系统必须满足“安全可靠、经济有效、集中管理”要求，虽然目前市场上有各种各样安防系统，但是真正符合小区特点，为人们提供更加高效、简单、快捷可视对讲系统并不多。可视对讲系统可以消除对讲系统“只闻其人，不见其声”特点。从而大大地提高了室内用户对来访客了解。
随着现代生活节奏加快，小区物业管理显得尤为重要。其中访客登记及值班看门管理方法已不适合现代管理快捷、方便、安全需求。楼宇对讲系统是在各单元安装防盗门，小区总控中心管理员总机、楼宇出入口对讲主机、电控锁、闭门器及用户家中可视对讲分机通过专用网络组成。以实现访客及住户对讲，住户可遥控开启防盗门，各单元梯口访客再通过视频对讲呼叫住户，对方同意后方可进入楼内，从而限制了非法人员进入。同时，若住户在家里发生抢劫或突发疾病，可通过该系统通知保安人员以得到及时支援和处理。当住户外出时，访客可以通过语音留言，住户回来时对讲可以提醒并告知住户。
1.2 近年来国内外研究现状
楼宇对讲系统从上个世纪90年代兴起于日本和欧美，在欧美国家、香港、台湾等地区已经采用了近20年，国外可视对讲产品主要有韩国和日本品牌。从1992年起，国外楼宇产品制造商，陆续到中国大陆开拓市场。楼宇对讲产品最早进入国内市场单户型及单元型楼宇对讲产品，并且功能比较单一，只能简单实现访客系统基本功能。自从2000年以来，有实力生产厂家集中开发联网型楼宇智能产品，楼宇智能系统集成度越老越高，首先实现了多门口机及多管理机系统，接着集成了安防报警、小区服务及信息发布等功能，另外还有一些厂家还集成了三表远抄、监控以及巡更等系统，产品性能也有进一步提高。对讲系统数字化、网络化、+信息化以及智能化楼宇监控是今后发展方向。
当前采用可视对讲系统是通过遥控摄像机及辅助设备（如镜头、云台等）直接监看被监控场所情况，把被监控场所图像和声音传送到监控中心，用长时间录像机将图像记录到存储介质上，为突发时间及时反应和以后处理提供了方便条件和重要依据。随着可视对讲产品成本进一步降低、市场继续扩大、新技术不断引入，可视对讲产品功能日趋多元化。如门口机模块中引入图像识别技术、指纹识别技术使系统更加人性化；采用音频和视频数字化技术、ARM嵌入式技术可以使系统直接接入宽带网络；采用蓝牙技术可以实现免布线无线楼宇对讲系统登网。目前，规模较大生产厂家在销售、工程安装、服务方面成本居高不下，然而随着产品日趋标准化，工程安装、服务方面成本居高不下，然而随着产品日趋标准化，工程安装服务社会化，产品成本也会逐步降低。总之，楼宇可视对讲产品发展已经到了一个全新阶段，但是还有很多方面还不很成熟，未来楼宇可视对讲产品将向新高度发展。
1.3 楼宇可视对讲系统设计要求
目前国内已经有很多可视门铃方面产品，主流产品是有线方式，单向语音且模拟。相对于无线通信，有线通信具有以下特点：抗干扰能力强、信号传输稳定、信道容量大。通过有线可以较好解决语音及视频信号在传输过程中失真问题。随着当前人们生活水平大幅度提高，人们对于居住环境安全、方便提出了越来越高要求，从追求简单生存空间向着追求数量、质量、功能、服务等多重需求过渡。为满足人们日益增长各种要求，采用有线方式传输，通过信号调制及解调来实现数字传输。
本文设计了一种基于嵌入式STM32F103一种新型楼宇可视对讲系统。在本系统中，阐述了该系统总体结构和工作原理，并对其中数字通信、图像信息处理、有线传输以及智能模块各种控制等关键技术进行了详细设计和实现。
本系统总体结构主要分为门口机和室内机两个部分，门口机和室内机分别包括不同模块，而每个模块由不同组件和外围电路组成。其中门口机和室内机都是基于STM32F103为处理器，通过处理器控制门口机和室内机各个模块组件及其外围电路控制。
主要原理是通过处理器控制各个模块来实现可视对讲系统基本功能。然后通过处理器利用软件控制各个分模块来完成。在各个模块完成各自功能得过程中，处理器主要完成是对模块软件控制。控制各个模块模拟及数字信号变化，控制各个模块之间衔接和完成访问先后顺序。通过控制各个模块在访问过程中室内机和门口机之间相互通信。
本系统为全数字化可视对讲系统，音视频信号经过采集之后变换成数字信号进行传输。
首先是视频信号，为单向传输。在室外，视频模拟信号经过摄像头采集和处理，通过主控芯片对其软件编程，实现模拟信号到数字信号转变和视频信号编解码。主控芯片通过同轴电缆以基带传输方式把信号传送到室内机，室内机把图像信号输送到显示屏上显示。
其余信号包括音频信号和控制信号，均为双向传输。在室内，模拟语音信号经过语音芯片处理转换为数字信号以及控制操作经过处理器处理转换为相应控制信号(监视、摘挂机及开锁信号)，经过处理和打包，再通过通信线传输，传送到室内控制模块把信号经过处理和解压之后传给室内机。
本系统设计要求主要要遵循以下几个原则：
（1）实用性和先进性：所设计智能化对讲系统应该在体现实用原则下，尽可能采用先进技术和方法，力求物尽其用，不虚设浪费。
（2）可靠性和稳定性：考虑技术先进同时，应确保系统可靠稳定运行。
（3）可扩展性和易维护性：为了适应用户要求，必须充分考虑系统升级能力和扩展能力。同时系统应便于维护，尽可能降低系统运行和维护费用。
（4） 具有高性能价格比，能够做到物有所值，追求物超所值。
预期目标：能够在保持语音通话质量和稳定度。在视频方面，保持视频通话流畅性和清晰度。具有检测报警和语音留言等功能。其中在无人到来时候，摄像头处于低功耗待机状态。当检测有人到来时，自动开启摄像头模块，并准备进行视频通话。当主人不在家时，可以通过语音或者视频来留影、留言。

第二章 楼宇可视对讲系统方案总体论证
2.1 楼宇可视对讲系统功能及分析
楼宇点对点可视对讲系统是以可视对讲为基础，从基本需求出发，形成方便、快捷可视对讲系统。其中楼宇点对点可视对讲系统是为了满足人们对于安全、舒适生活作为出发点。特别是为了日常沟通和交流方便，应满足一些基本功能。从系统设计角度出发：系统分为硬件部分和软件部分。从系统总体上分为室内机和门口机两个部分。从系统功能上划分为：呼叫对讲功能、视频通话功能、语音留言功能、电机控制开锁功能等等。为了满足社会需要还会添加防盗报警功能、紧急救助功能等等。从系统信号上分析分为：模拟信号和数字信号两大类。为了满足以上功能实现，需要系统设计一些模块来支撑。为了达到语音对讲功能则需要语音模块。视频对讲则需要视频模块，还有就是当来访者访问室内用户需要键盘及显示模块。这几个模块为最基本模块，也是楼宇点对点可视对讲系统中重要模块。楼宇点对点可视对讲系统其他功能也就是在这两者基础上加上一些放大模块和控制部件，再和控制器进行连接，对控制器进行编程，即可实现以上功能。然而在实际过程中，各个模块存在一定联系。如在来访者访问室内用户时，应先通过摘挂机模块向室内用户发出信号，即通过信号变换和控制器之后，转换为电信号，即门铃。这时，如果室内用户在家即可按下应答，即可开启语音模块和视频模块，由于视频是单向，即室内用户可以看到来访者，来访者看不到室内用户。如果不在家，即可通过语音和视频留影留言。这样方便室内用户能够及时掌握来访者信息。在这过程中，首先是用户通过键盘模块向室内用户申请访问，用户应答，通过语音及视频模块来实现对讲，再通过显示模块显示来访者摸样。最后再通过键盘结束访问。通过下面2.1.1图可以清楚看到来访者访问室内用户全部过程。

图2.1.1为来访者访问流程图
通过上图可以清晰了解来访者访问全部过程，而通过图2.1.2为点对点楼宇对讲系统基本结构，可以清晰了解室内机和室外机相互联系。以及室内机是如何相互沟通。通过两个图相互补充可以了解室外机是如何室内机联系以及来访者是如何访问。本设计以此图为基础，下面将详细介绍系统工作原理以及单元电路设计。

图2.1.2楼宇点对点对讲系统基本结构

在分析完室内机及室外机之间联系和来访者如何访问室内用户之后，再分析一下系统信号变换过程。系统主要包括音频信号和视频信号两个部分，在音频模块中，当收到控制器信号后，门口机开启音频模块。即采集音频信号，这时采集是模拟信号，经过A/D转换和外围辅助电路设计，完成从模拟信号到数字信号变换。再通过控制器处理后，经室内机里音频模块和其外围电路变换为模拟信号。而视频信号和音频信号有区别，其完成A/D和D/A主要是通过软件编程控制视频模块来实现。采用算法对信号进行压缩和编解码。音频和视频信号变换过程如图2.3所示:

图2.1.3为系统信号变换过程
2.2 无线系统及有线系统选择
有线系统就是系统所需要所有零部件都是用看见电线进行连接，这种方式比较简便，虽然在连接时工作量比较大，但是其工作性能比较可靠、稳定，适合应用于点对点及中小型电路。所以选择有线系统。
无线系统就是不用电线连接，主要靠是无线发射和接收装置进行信号传输。这种设计安装和拆卸都很简单，在设计上也比有线复杂些，但是无线最大问题就是很容易受到外界电磁波干扰，造成信号不稳定。
2.3楼宇可视对讲系统信号传输方式
在系统设计过程中，有两个重要信号需要传输。其分别是语音信号和视频信号。对于其他报警信号、门机控制信号只需经过处理器处理即可。而语音信号和视频信号作为本系统最重要两个信号，其传输方式[1]需要考虑系统特点以及要求等等。
首先，音频信号传输方式。音频信号传输方式，通常分为三种：音频不作任何改变基带传输方式；通过调频或者调幅传输方式；把音频信号转变成数字信号音频信号数字化传输方式。
1、音频不作任何改变传输方式：由于音频信号不需要转为其它传输方式，所以，音频信号电路简单，制造成本低，被现在楼宇对讲系统所普遍采用，但其缺点是：传输距离短，一旦受到外界干扰而不容易消除，需要独立音频信号传输线。
2、通过调频或者调幅把音频信号转换成射频信号传输方式：此种方式被广泛用在广播和电视音频信号传输中，其特点是：音频信号传输距离远，使用调频方式传输音频信号抗干扰能力强，价格相对比第一种方式要高，但可以同时传输多路调制音频信号。
3、把音频信号转变成数字信号音频信号数字化传输方式：此种传输方式是把音频信号完全转换成数字信号，其音频信号质量取决于音频信号采集精度，采集精度越高，数据量越大。数字信号在传输过程中，不会有任何丢失。但在实际运用中，由于数字音频信号数据量相对较少，在一条线中可以传输多路数字语音信号，或者可同时传输其它数据或图像信号。
根据以上三种传输方式特点，本系统选择是第三种传输方式，其理由是：本系统要求是全数字楼宇对讲系统，故其音频信号需为数字信号传输。数字信号数据量较小，且在传输过程中不存在信号丢失。
其次，视频信号传输方式，通常可分为以下几种：视频信号基带传输方式；把视频信号调制成射频信号传输方式；视频信号转换成数字信号传输方式。
1、视频信号基带传输方式：
这种视频传输方式对摄像头出来图像不作任何处理，直接通过同轴电缆传输，其特点是：视频信号不作任何改变，省略了视频信号转换电路，降低了相关设备生产成本，缺点是信号传输距离短，虽经放大，但其传输距离一般不超过1KM，基带传输视频信号一旦受到干扰，就难以消除。
2、把视频信号调制成射频信号传输方式
此种传输方式把视频信号转换成射频信号，经放大后，使用同轴电缆最远距离可达5KM，但其传输设备需要相关调制和解调电路，成本较高。
3、视频信号转换成数字信号传输方式
这种视频传输方式是视频信号数字化传输，但由于视频信号转换成数字信号时，数据量过大，相关转换设备成本过高。
本系统选择是第一种传输方式，即通过摄像头把图像采集之后，通过同轴电缆传输。中间有处理器控制。这种传输方式被现在楼宇对讲系统普遍采用。第二种传输方式由于采用射频信号传输以及较多调制和解调电路，成本较高，被广泛用于电视信号传输。而第三种传输方式把视频信号转换成数字信号，存在数据量大、信号处理复杂等，一般情况下不采用。
综合以上，本系统两种信号采用传输方式为：音频传输采用把音频信号转变成数字信号音频信号数字化传输方式。而视频传输则采用视频信号基带传输方式。
2.4楼宇可视对讲系统方案设计
根据系统功能分析，以及信号传输方式选择可以确定系统基本结构图。通过结构图来确定室内机和门口机各自功能以及互相通信方式。
该系统【2】由两部分组成：室内机部分和门口机部分。室内机结构图其主要由室内机控制器、显示设备、通话设备、门铃和报警、开锁等控制信号输入键组成。室内机控制器作用及门口机控制器作用类似，显示设备用于显示门口视频，户主可根据不同情况选择不同控制按键。室内控制器主要功能就是当有来访者访问时，通过处理器及室外机建立联系，并通过按键来控制室外机。室内机结构图如图2.4.1所示：

图2.4.1室内机结构设计
门口机结构图如图2.4.2示，其主要包括：门口机控制器、键盘、摄像头、喇叭、麦克、报警装置等几部分。该系统中视频信号为单向传输，在室内可以观察到门口情况，在门口无法查看室内情况，所以门口机接收到信号中没有视频信号；键盘用于输人房间号；摄像头用于捕捉门口视频信号；喇叭和麦克用于户主和访客进行语音交流；报警装置用于当户主遇到特殊情况时报警。

图2.4.2室外机结构设计

第三章 楼宇可视对讲系统硬件电路设计
3.1可视对讲系统处理器选择
在设计可视对讲系统过程中，基本模块运行，需要处理器去控制。而处理器作为本系统重要组成部分，在选择处理器上必须从信号分析入手，综合考虑功耗、后期升级、处理速度等各个方面。最后确定控制器类型及型号。
本系统选择处理器是STM32F103，下面将介绍STM32F103[5]一些情况及作为处理器一些说明。
1、 信号分析：由于在信号采集中有两种信号分别为音频信号和视频信号。对于音频信号，其中语音信号采样频率为16bit/s，这就要求处理器处理频率较高。当语音模块处理完之后，还要将语音信号送到室内机，这就要求处理机自带ADC。而视频信号则需要高速图像编码和解码功能，需要处理器具有高速处理功能。视频信号采集频率为30帧/s,则需要时钟频率达到24MHZ，所以当在处理图像信号时，处理器必须具有高速处理能力。而STM32F103具有最高72MHZ工作频率，在存储器0等待周期访问时可达1.25DMisp能力。而STM32F103采用Thumb指令集架构子集，包括了所有16位和32位Thumb.2基本指令。同时采用哈佛处理器结构，在取指同时可以读取/存储数据。
2、 低功耗和节能：当室外机无来访者访问时候，室外机应处于休眠省电状态而不会影响唤醒后正常运行。而当室外机有来访者访问时候应迅速从低功耗状态脱离。STM32F103具有2.0V到3.6V工作电压范围兼容主流电池技术，如锂电池和镍氢电池，封装还设有一个电池工作模式专用引脚Vbat。以72MHz频率从闪存执行代码，仅消耗 27mA电流。低功耗模式共有四种，可将电流消耗降至两微安。从低功耗模式快速启动也同样节省电能；启动电路使用STM32内部生成8MHz信号，将微控制器从停止模式唤醒用时小于6微秒。从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低产品，相当于0.5mA/MHz。
3、 可靠复位电路和多种时钟选择：上电复位和掉电锁定功能，确保芯片只在电压规定范围内运行，如果芯片误操作和偏离正常运行，看门狗定时器就会复位。STM32F103有3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数通道和增量编码器输入，还有1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制PWM高级控制定时器 ，有2个看门狗定时器（独立和窗口型）以及系统时间定时器：24位自减型计数器 。通过以上定时器不仅可以确保程序正常运行，而且可以保证编程资源丰富性。
4、 宽电压供电：STM32F103系列芯片可以工作在宽电压范围内，从2V到5V，特别适用于电池供电场合，可以容忍I/O管脚。
5、 存储器：语音和视频信号同时输入，需要不断访问存储器。这就需要存储器有大空间。而STM32F103拥有从64K或者128K字节闪存程序存储器和高达20K字节SRAM。
6、 多通道模数转换器(A/D)：STM32F103拥有2个12位模数转换器和1us转换时间（多达16个输入通道）。转换范围在：0至3.6V。具有双采样和保持功能。可以充分保证快速数据转换。
此外，STM32F103还有26/37/51/80个I/O口，所有I/O口一颗映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号。还有CAN总线、USB、9个通信口等等。
通过以上条件分析，STM32F103基本上满足系统设计需求，并且还留有一定裕量，作为后期技术升级。选择STM32F103可以充分达到设计所需硬件要求。
3.2 可视对讲系统流程图设计
在设计其他模块之前，需要对系统整个工作流程有一个大致了解。通过对系统工作过程了解来确定系统工作模块以及分析系统各个模块联系。本系统分为门口机和室内机两个部分。通过门口机和室内机流程图可以看到访问系统全过程。下面分别为门口机和室内机流程图：

图3.2.1为门口机工作流程图

图3.2.2为室内机工作流程图
通过门口机和室内机流程图可以看到系统工作整个流程。访问者通过键盘向室内用户申请访问，键盘通过扫描之后，由控制器控制发送ID信号及室内机进行匹对，如相同，则确定访问室内用户。室内用户通过控制器发送“答应”信号。这时，控制器控制开启摄像头，室内用户通过显示模块可以看到来访者摸样，通过确认之后，双方可以通过语音对讲，对讲完之后。室内用户可以通过控制器控制电机开门。最后摘挂机之后，完成整个访问过程。在这过程之中，系统分别展示了各个模块功能和作用，以及在系统流程图顺序。通过流程图可以知道系统分别需要以下模块：键盘、呼叫及摘挂机模块、视频模块、语音对讲模块、视频显示模块、电机开锁模块等。通过流程图还可以确定设计各个模块顺序。
3.3可视对讲系统键盘设计
在楼宇对讲中，键盘作为来访者访问室内用户首要步骤，当来访者通过按键按下键盘，系统通过键盘扫描，确定键盘按下按键，再通过处理器处理，送到显示模块显示。在键盘设计过程中要考虑键盘一些特性和键盘一些功能设计。首先在键盘设计上分为矩阵式键盘和独立式键盘。其中，独立式键盘特点是所有键盘共地。即当有键按下时，即被拉为低电平，扫描检测到信号。而矩阵式键盘和独立式键盘不同，其在键盘中按键数量较多时，可以减少对I/O口占用。其通过来回扫描方式，来检测键盘按下。在键盘设计过程中，还要考虑按键抖动及连击等。
1、键抖动及消除
键盘按键一般都采用触点式按键开关。当按键被按下或释放时，按键触点弹性会产生一抖动现象。即当按键按下时，触点不会迅速可靠地接通，当按键释放时，触点也不会立即断开，而是要经过一段时间抖动才能稳定下来，抖动时间视按键材料不同一般在5ms~10ms之间。
键抖动可能导致计算机将一次按键操作识别为多次操作，为克服这种由键抖动所致误判，本设计采用软件延时法，这样可以简化硬件设计。软件延时法即：当判定按键按下时，用软件延时10ms~20ms,等待键稳定后重新再判断一次，以躲过触点抖动期。
2、键连击处理
当我们按下某键时，对应功能便会通过键盘分析程序得以执行。如果在操作者释放键之前，对应功能得以多次执行，如同操作者在不断操作一样，这种现象就称为连击。连击现象软件方法来解决，当某键被按下时，首先进行软件去抖动处理，确认键被近下后，便执行对应功能，执行完后不是立即返回，而是等待键释放之后再返回，从而使一次按键只被响应一次，避免连击现象。
除了考虑以上内容以外，还要考虑键盘数字键和功能键设计。下图为键盘列表图：
表3.3.1键盘功能列表
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
呼叫
挂机
群呼
监控
取消
确认
以上为键盘设计方法和键盘功能展示。键盘作为访问室内用户渠道，键盘设计及软件部分控制显得尤为重要。特别是软件部分控制，是键盘控制关键之所在。下图为键盘模块原理图：

图3.3.2为键盘模块原理图
本设计中键盘工作原理：本次设计键盘工作查询方式，矩阵式键盘查询工作原理如下：如图3.2.6.1所示，4列线，4行线。列线通过上拉电阻连接到电源上；因此当无键按下时，各列线均为高电平。当行线有低电平输出时，表明有键按下，相应列线上会出现低电平。根据此原理，CPU对整个键盘进行扫描。所谓扫描，即CPU不断轮流对行线置低电平，然后检查列线输入状态，确定按键情况。在确定有键按下后，先把第一条行线置为低电平、其余行线置为高电平，再读入相应值。若第一条行线为低， 若出现为：0111、1011、1101、1110。则分别表示对应键按下。若全1，则证明按下键不在该行，应进行下一行扫描。下一行扫描时，判断方法同前。扫描键盘时间很短，仅为几微秒，而按一次键至少需要几十毫秒，所以只要有键按下，就可以马上判断出是哪个键被按下，从而很快执行相应功能。上述为键盘工作原理介绍，其访问室内机过程以及键盘抖动及消除和键盘连击都由软件进行处理控制。

3.4 可视对讲系统呼叫及摘挂机检测模块设计
在来访者访问室内用户时，首先是通过键盘访问室内用户。这其中需要经过信号检测和语音呼叫，故其需要呼叫及摘挂机模块。
呼叫检测模块由图中D3、R10、R11、C16、Q3及STM32F103PE1脚及其上上拉电阻R11构成。当来访者按下门铃开关，由CN7脚HJ线传来门铃呼叫信号一路经扬声器发出门铃呼叫声，另一路经过D3反向截止，R10及C16组成充放电电路，由R11驱动三极管Q3导通，使STM32F103得PE1脚由高电平变为低电平，完成呼叫检测。另一端，S1连接着语音模块，当完成呼叫检测之后，通过按下S1按键即可实现语音通话。在图中，由于9014饱和电流为5mA，当电源接上10K电阻，即。即小于饱和电流。R10和R11为Q3提供偏置电压。

图3.4.1呼叫检测模块图
由图3.4.2可知，以及下图压键开关、STM32F103PE2及其上拉电阻R13构成摘挂机检测模块，当主人摘机后压键开关转换状态，摘挂机模块主要由处理器控制PE2引脚，控制开关接通或者接地，来完成PE2脚电平由高变低，完成摘机检测。反之，完成挂机检测。

图3.4.2摘挂机检测模块图
通过摘挂机检测模块图可知，其中5V电压接1K限流电阻，可以通过限流电阻保证电流在IO口范围之内，10uF电容为复位电容。摘挂机模块主要是通过AIO来控制开关是接地还是处于高电平。再向处理器PE2引脚发送信号，处理器通过软件完成摘挂机过程。摘挂机模块主要功能：当来访者进行访问时候，需经过摘挂机模块向室内机提出访问。当室内机答应请求，即通过控制器件向摘挂机模块发出信号。这时双方可以进行通话。然后通话结束，同样也是通过摘挂机模块完成。
3.5可视对讲系统视频模块设计
本系统采用是视频对讲，这就需要视频模块作为支撑。视频模块则以采集视频信号为主，视频由于存在信息量大，以及压缩编解码等过程。为了保证采集所需信号具有清晰、以及信号编程可压缩等特点，需要视频模块采集帧率达到30帧/秒，信噪比低等特点。根据系统设计要求和传输方式知，视频模块具有A/D转换功能、图像压缩及编解码功能。为了确保通话中不出现迟钝、黑屏等现象，需要传感器每秒采集图像帧数较高。通过视频模块采集之后，直接由同轴电缆传输到室内机，中间有处理器控制。其中在图像传输过程中，通信方式采用是FSK（频移键控）方式。本系统选择OV7670。其内部含有软件控制A/D转换和数字信号处理以及图像缩放等功能。
OV7670是CAMERCHIP图像传感器，具有体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式各种分辨率8位影响数据。OV7670VGA图像最高可达到30帧/秒，当图像达到30帧/秒时，处理器频率需要达到24MHZ。OV7670信噪比为46dB，动态范围为52dB。具有自动增益控制和镜头失光补偿等功能。根据OV7670时序图，采集一帧数据需要5个时钟周期，30帧数据则需要150个时钟周期。由于OV7670输入时钟频率为24Mhz，故采集30帧数据所需时间为6.25us。

图3.5.1为OV7670管脚图
上图3.5.1为OV7670引脚图，首先，通过控制器选中OV7670片选引脚HREF，这时OV7670处于选中状态。然后控制SIOD和SIOC两个引脚采集视频信号，这时视频信号是模拟信号，由于视频信号较大，把信号暂时存放在OV7670存贮器。在采集信号同时，控制器控制行同步和帧同步以及闪光灯控制输出。然后通过内部增益控制之后，送到内部模拟信号处理转换成RGB三种颜色，通过内部A/D转换后，变成数字信号。通过内部DSP和FIFO处理之后，输出数字视频信号。最终通过同轴电缆基带传输方式传送到视频显示模块显示。由于视频信号存在信息量大、编解码等过程。为了保证信号在同轴电缆传输可靠性，在OV7670采集完信号之后，加了一个74HC00逻辑控制器和一个AL422BFIFO存储芯片。通过AL422B缓存处理之后，保证视频模块传给控制芯片数据速率。
根据上述参数说明，和信号在OV7670变换过程，可以知道OV7670完全可以满足系统设计要求，具有低功耗、信噪比低、以及镜头失光补偿等一系列特点，可以充分满足设计需要。
3.6可视对讲系统音频模块设计
在楼宇可视对讲系统中，最基本功能就是语音功能。语音功能则需要语音模块来实现。根据系统设计要求和传输方式，在选择语音芯片时需要同时考虑芯片性价比高、通话清晰且稳定、外围电路简单等一些特点。还需考虑语音还原程度和量化噪声干扰。本系统采用是ISD4002，来访者先通过摘挂机模块向室内用户申请访问，当室内用户发出应答信号之后，即通过控制器向ISD4002发出信号，ISD4002采集完信号之后，再通过放大、滤波等一系列内容后，送到处理器，然后通过处理器完成一系列过程。
ISD4002采用了2.7V~3.3V单片语音录放电路，录放时间长、高质量、自然语音还原技术。其采样频率为8Khz，典型带宽为3.4Khz。工作电流为25.30mA，维持电流为1uA，具有自动降噪技术等功能。通过采样频率可以知道其采取数据频率完全在处理器芯片之下。工作电流较低，可以减少系统功耗。

图3.6.1为音频模块原理图
由图3.6.1所示，图中Vccd和VccA分别为芯片模拟和数字电路使用电源总线。通过C14和C17电容耦合和滤波可以消除电源带来干扰。Vssa和Vssd为芯片内部模拟和数字电路地线。ANA