云台控制器的软件设计.docx

近年来，视频监控得到了迅速发展，其应用范围越来越广。为扩大监控范围，改善监控视野，可以借助于云台，即把摄像机装在云台上，通过云台转动带动摄像机旋转，同时可以控制摄像机镜头的参数。云台在监控系统中起着关键的作用，它直接反映监控系统的监控指标。
本文设计了一种基于AT89C52单片机的电动云台控制器。该控制器能够接收控制台的控制命令，控制云台的垂直运动和水平运动，以及摄像机的聚焦/散焦，变倍近远、光圈变力小，以调整摄像机的视野.
本文在介绍课题的应用背景的基础上，重点分析了云台所具备的功能，并针对这些功能提出了本设计的实现方案。在软件程序设计中，简要介绍了串行通讯的基本知识和详细说明了应用于云台中的通讯协议PELCO-D和PELCO-P等协议，并在此基础上设计了各部分的软件流程图。最后阐述了本设计所采用的有关软件可靠性方面的措施。
通过调试、系统的实际运行，验证了本设计运行稳定，实现了云台的上下左右旋转，实现了对镜头聚焦、变倍、光圈的控制。达到了预期的应用目标。
关键词：云台，协议,监控系统，解码器
前 言
云台控制器是视频监控系统中重要的前端控制设备，它接收中心控制设备发送的串行编码信号，通过软件解码后驱动不同的硬件电路，以控制云台、镜头、辅助照明灯光、雨刷等操作，能方便地跟踪被监控目标。中心控制设备可以是视频矩阵切换器、控制键盘、多媒体计算机、数字视频录像机(DVR)等，中心控制设备和云台控制器之间一般通过串行RS-485接口进行通信。随着单片机和大规模集成电路技术的发展，解码器也逐渐由独立设备向模块化发展，尤其是在智能球形摄像机中应用得更普遍。目前视频监控行业还没有建立统一的中心控制设备与前端控制设备之间的通信控制协议标准，各个厂商都使用各自的通信控制协议，这些协议互不兼容，常用的通信控制协议有PELCO-D,PELCO-P PANASONIC,PHILIPS,SAMSUNG,RM110,CCR-20G,AB,AD,DALLES,KALATEL, KRE-301, VICON , ORX-10, YAAN, HY , ALEC，KONY等。目前市场上的云台控制器大部分采用拨码开关的方式，由人工选择要选用的通信协议，本设计就是采用拨码开关选择多种协议像PELCO-P、PECLO-D、YAAN、明景等云台协议，而单片机内部根据所选协议而执行相应控制协议方案。本设计通过上位机控制云台控制器执行相应云台上、下、左、右。镜头的变焦、变倍、光圈动作等。通过测试验证了本设计的可行性。
目 录
摘 要I
ABSTRASCTII
前 言III
1绪论1
1
1
1
9
1.2.3镜头、云台、解码器、转换器的安装方法10
12
13
2总体方案设计15
2.1 系统功能分析15
15
16
16
17
3系统通信协议设计19
19
19
20
20
20
3.2.4 RS-485标准21
3.3 PELCO-D协议22
3.4 PELCO-P协议25
3.5 YAAN协议27
30
33
4、软件程序的实现35
35
36
38
39
40
5、实验调试及结论43
5.1 RS485串口中断通信实验43
43
5.3 拨码开关实验44
6、总结及展望45
6.1 总结45
6.2 云台发展趋势展望46
参考文献50
致 谢52
附 录 一 硬件电路53
附 录 二 软件程序55
1绪论
课题的应用背景

1、解码器
解码器，国外称其为接收器/驱动器（Receiver/Driver）或遥控设备（Telemetry），是为带有云台、变焦镜头等可控设备提供驱动电源并与控制设备如矩阵进行通讯的前端设备。通常，解码器可以控制云台的上、下、左、右旋转，变焦镜头的变焦、聚焦、光圈以及对防护罩雨刷器、摄像机电源、灯光等设备的控制，还可以提供若干个辅助功能开关，以满足不同能够用户的实际需要。高档次的解码器还带有预置位和巡游功能。
解码器按照云台供电电压分为交流解码器和直流解码器。交流解码器为交流云台提供交流230V或24V电压驱动云台转动；直流解码器为直流云台提供直流12V或24V电源，如果云台是变速控制的还要要求直流解码器为云台提供0-33或36V直流电压信号，来控制直流云台的变速转动。
按照通讯方式分为单向通讯解码器和双向通讯解码器。单向通讯解码器只接收来自控制器的通讯信号并将其翻译为对应动作的电压/电流信号驱动前端设备；双向通讯的解码器除了具有单向通讯解码器的性能外还向控制器发送通讯信号，因此可以实时将解码器的工作状态传送给控制器进行分析，另外可以将报警探测器等前端设备信号直接输入到解码器中由双向通讯来传诵现场的报警探测信号，减少线缆的使用。
按照通讯信号的传输方式可分为同轴传输和双绞线传输。一般的解码器都支持双绞线传输的通讯信号，而有些解码器还支持或者同时支持同轴电缆传输方式，也就是将通讯信号经过调制与视频信号以不同的频率共同传输在同一条视频电缆上。
解码器的电路是以单片机为核心，由电源电路、通讯接口电路、自检及地址输入电路、输出驱动电路、报警输入接口等电路组成。
解码器一般不能单独使用，需要与系统主机配合使用。

云台是一种安装在摄像机支撑物上的工作台，用于摄像机与支撑物的联结，云台具有水平和垂直运动的功能。

云台按照可以运动功能分为水平云台和全方位（全向）云台。
按照工作电压分为交流定速云台和直流高变速云台。
按照承载重量分为轻载云台、中载云台和重载云台。
按照负载安装方式分为顶装云台和侧装云台。
根据使用环境分为通用型和特殊型。通用型是指使用在无可燃、无腐蚀性气体或粉尘的大气环境中，又可分为使用型和室外型。最典型的特殊型应用是防爆云台。
2.2、云台的内部结构
全方位云台内部有两个电机，分别负责云台的上下和左右各方向的转动。其工作电压的不同也决定了该云台的整体工作电压，一般有交流 24V、交流220V及直流12V。当接到上、下动作电压时，垂直电机转动，经减速箱带动垂直传动轮盘转动；当接到左、右动作电压时，水平电机转动并经减速箱带动云台底部的水平齿轮盘转动。
需要说明的是云台都有水平、垂直的限位栓，云台分别由两个微动开关实现限位功能。当转动角度达到预先设定的限位栓时，微动开关动作切断电源，云台停止转动。限位装置可以位于云台外部，调整过程简单，也可以位于云台内部，通过外设的调整机构进行调整，调整过程相对复杂。但外置限位装置的云台密封性不如内置限位装置的云台。
室外云台与室内云台大体一致，只是由于室外防护罩重量较大，使云台的载重能力必须加大。同时，室外环境的冷热变化大， 易遭到雨水或潮湿的侵蚀。因此室外云台一般都设计成密封防雨型。另外室外云台还具有高转矩和扼流保护电路以防止云台冻结时强行起动而烧毁电机。在低温的恶劣条件下还可以在云台内部加装温控型加热器。
3、通用型云台的性能指标
㈠云台的转动速度
云台的转动速度衡量云台档次高低的重要指标。云台水平和垂直方向是由两个不同的电机驱动的，因此云台的转动速度也分为水平转速和垂直转速。由于载重的原因，垂直电机在启动和运行保持时的扭矩大于水平方向的扭矩，在加上实际监控时对水平转速的要求要高于垂直转速，因此一般来说云台的垂直转速要低于水平转速。
交流云台使用的是交流电机，转动速度固定，一般为水平转动速度为4°/秒～6°/秒，垂直转动速度为3°/秒～6°/秒。有的厂家也生产交流型高速云台，可以达到水平15°/秒，垂直9°/秒，但同一系列云台的高速型载重量会相应降低。
直流型云台大都采用的是直流电机，具有转速高、可变速的优点，十分适合需要快速捕捉目标的场合。其水平最高转速可达40～50°/秒，垂直可达10～24°/秒。另外直流型云台大都具有变速功能。变速的效果由控制系统和解码器的性能决定，以使云台电机根据输入的电压大小做相应速度的转动。常见的变速控制方式有两种，一种是全变速控制，就是通过检测操作员对键盘操纵杆控制的位移量决定对云台的输入电压，全变速控制是在云台变速范围内实现平缓的变速过渡。另外一种是分档递进式控制，就是在云台变速范围内设置若干挡，各档对应不同的电压（转动速度），操作前必须先选择所需转动的速度档，在对云台进行各方向的转动操作。
㈡云台的转动角度
云台的转动角度尤其是垂直转动角度与负载（防护罩/摄像机/镜头总成）安装方式有很大关系。
云台的水平转动角度一般都能达到355°，因为限位栓会占用一定的角度，但会出现少许的监控死角。有些云台改进了限位装置使其可以达到360°甚至365°（有5°的覆盖角度），以消除监控死角；有些球型云台增加电动滑环装置，可使球型云台360连续旋转，而线缆不会绞缠在一起。用户使用时可以根据现场的实际情况进行限位设置。例如安装在墙壁上的壁装式，即使云台具有360°的转动角度，实际上只需要监视云台正面的180°角度，即使转动到后面方向的180°也只能看到安装面（墙壁），没有实际监控意义。因此壁装式只需要监视水平180°的范围，角装式只需监视270°的范围。这样避免云台过多地转动到无需监控的位置，也提供了云台的使用效率。
顶装式云台的垂直转动角度一般为+30°至-90°，侧装的垂直转动角度可以达到±180°，不过正常使用时垂直转动角度在+20°至-90°即可。
㈢云台的载重量
云台的最大负载是指垂直方向承受的最大负载能力。摄像机的重心（包括防护罩）到云台工作面距离为50mm，该重心必须通过云台回转中心，并且与云台工作面垂直，这个中心即为云台的最大负载点，云台的承载能力是以此点作为设计计算的基准。如果负载位置安装不当，重心偏离回转中心，增大了负载力矩，实际的载重量将小于最大负载量的设计值。因此云台垂直转动角度越大，重心偏离也越大，相应的承载重量就越小。
云台的载重量是选用云台的关键，如果云台载重量小于实际负载的重量不仅会使操作功能下降，而且云台的电机、齿轮也会因长时间超负荷损坏。云台的实际载重量可从3kg到50kg不等，同一系列的云台产品，侧装时的承载能力要大于顶装，高速型的承载能力要小于普通型。
㈣使用环境指标
室内使用的云台的要求不高，云台的使用环境的各项指标主要针对室外使用的云台。其中包括使用环境温度限制、湿度限制、防尘防水的IP防护等级。
一般室外环境使用的云台温度范围为-20℃至+60℃，如果使用在更低温度的环境下，可以在云台内部加装温控型加热器使温度下限达-40℃或更低。湿度指标一般为95%不凝结。防尘防水的IP等级应达到IP66以上。
IP防护等级的高低反映了设备的密封程度，主要指防尘和液体的侵入，它是一种国际标准，符合1997年的BS5490标准和1976年的IECS529标准。IP后的第一个数值表示抗固体的密封保护程度，第二位表示抗液体保护程度，第三位表示抗机械冲击碰撞。实际当中一般只用的前两位，即IPXX.另外在实际使用中应根据环境选择使用相适合的材料和防护层，如铁质外壳不适合使用在潮湿和具有腐蚀性的环境中。其各位含义如下表1-1:
表1-1 IP防护级别各位含义

第一位
第二位
第三位
0
无保护    
 无保护
无保护
1
固体物质达50mm，如手偶然接触
水的垂直下落，如冷凝

2
固体物质答案12mm，如手指
水的直接喷洒，倾斜不超过15°

3
固体物质超2.5mm，如工具、电线
水的喷洒，倾斜不超过60°

4
固体物质超过1mm，如工具、细电线
水从各个方向喷洒，允许有限侵入

5
防尘——有限侵入（保证对设备无损害）
水从各个方向低压喷射，允许有限侵入
碰撞能量2J
6
安全防尘  
水从各个方向高压喷射，如船舱，允许有限侵入

7

浸入水下15cm至1m  
碰撞能量6J
8

长时间浸入水下

9

碰撞能量20J
㈤回差
回差也称为齿轮间隙（Gear Backlash），是考察云台转动精度的重要指标。
㈥可靠性
云台的可靠性一般以平均故障（间隔）时间MTBF、平均修理时间MTTR、平均无故障时间MTTF及为动开关的极限次数等指标衡量。
4、特殊用途的云台
云台的应用范围很广，各种特殊行业也对云台产品有一定的需求，由于使用环境特殊因此需要云台产品具有满足现场环境特殊防护性能，常见的有水下型、高温型、低温型、防腐型和防爆型。特殊云台对使用的材料、防护等级、防护方式等都有严格的要求，并必须遵守相应的行业特殊标准。其中以防爆型云台最为突出。
㈠防爆设备简述
石油、化工、煤炭和国防等许多工业部门，在生产、加工、运输和贮存的各个过程中，经常可能泄露或溢散出各种各样的易燃易爆气体、液体和各种粉尘及纤维。这类物质与空气混合后，可能成为具有爆炸危险的混合物，当混合物的浓度达到爆炸浓度范围时，一旦出现火源即会引起爆炸和发生火灾等严重事故。当前已经研制出隔爆型、本质安全型、增安型、正压型、充油型、充砂型、无火花型等多种型式的防爆电气设备。
可燃性气体、蒸汽级别、温度组别举例如下，
凡是用于煤矿井下的防爆设备为I类设备，其它用于工厂的防爆设备为II类设备。在II类设备中按适用于爆炸性气体混合物最大试验安全间隙或最小点燃电流比分为A、B、C三级。T1值T6为设备允许表面最高温度，T1—450℃、T2—300℃、T3—200℃、T4—135℃、T5—100℃、T6—85℃。
    I类设备的表面可能堆积粉尘时，允许最高表面温度为150℃；II类设备的允许最高表面温度为T4—135℃、T5—100℃、T6—85℃。
    对于电压不超过1.2V、电流不超过0.1A，且能量不超过20微焦或功率不超过25mw的电气设备，在经过防爆检验部门认可后，可直接使用于工厂爆炸性气体环境中和煤矿井下。
（二）防爆原理
防爆设备的应用原理一般有间隙型、防止接触型、采用安全措施型及其它如利用爆炸的滞后特性支撑超前断电等其他防爆原理。其中适用于电视系统的有间隙防爆原理和采用安全措施防爆原理。
⒈间隙防爆原理
    电火花及电弧可以引燃爆炸性混合物。由德国建立起来的间隙隔爆结构，是防止电弧等引燃周围爆炸性混合物较可靠的方法。它具有一个足够牢固的外壳，能经受内部爆炸气体混合物产生的最大爆炸压力，确保不变形或损坏，并具有一定结构间隙以使喷射出来的燃烧生成物通过一定的法兰长度冷却到低于外部爆炸性混合物的自燃温度。结构间隙可以是平面结合面或圆筒结合面组成，还可以是曲路、螺纹或屏障式等结构组成。除此之外。如微孔、网罩、叠片、充砂等结构也属于这种原理的防爆形式。
⒉采用安全措施的防爆原理
    在设备上采用一系列的安全措施使其在最大限度内不致产生火花、电弧或危险温度，或采用有效的保护元件使其产生的火花、电弧或温度不能引燃爆炸性混合物，以达到防爆目的。防爆增安型、本质安全型等电气设备都采用这一原理制造的。
㈢防爆设备的标志
    隔爆型防爆设备“d”、本质安全型设备有“ia”和“ib”。设备外壳的明显处应设置清晰永久性凸纹标志“Ex”。同时设备外壳的明显处还应设置铭牌，并可靠地固定。上应该有“Ex”标志，防爆型式标志，并顺次标明防爆型式、类别、级别、温度组别等；防爆合格证编号；出产日期、产品编号、产品标准中指出必须注明的内容等。
例如“d II BT3”表示隔爆型II类B级T3温度组防爆设备。
㈣防爆设备的材料
    对于隔爆型防爆设备外壳应能承受1.5倍内部实际最大爆炸压力，但不得小于3.5×105 Pa。用于I类采掘工作面的设备，外壳须采用钢板或铸钢制成；I类非采掘工作面的设备，其外壳可用牌号不低于HT25-47灰铸铁制成；I类携带式设备和II类设备，外壳可用抗拉强度不低于117.6N/mm2（12kg /mm2）、含镁量不大于0.5%（重量比）的轻合金制成。
本质型设备的外壳材质可用含镁量不大于0.5%（重量比）的轻合金或表面电阻不大于1×109Ω的塑料制成。
市场上流行的云台的有很多种，主要分为固定云台和电动云台，固定云台适用于监控范围不大的情况，通常是将摄像机调节到一定俯仰和水平角度，锁定调整机构即可。电动云台可以大范围扫描监控，扩大了监控的范围。通常云台的分类，按使用环境分为室内型和室外型，室外型密封性好，防水、防尘、负载大;按安装方式分为侧装和吊装;按运动功能分为水平云台和全方位(全向)云台等。
其中根据使用环境的不同还分为通用型和特殊型。通用性是指使用在无可燃、无腐蚀性气体或粉尘的大气环境中。特殊型应用于易燃易爆等恶劣大气环境，最典型的特殊性应用是防爆云台。
本设计主要应用于通用系统中云台设计。

云台、解码器和计算机的硬件连接如图1-1所示，云台由摄像头支架和驱动器组成，驱动器的作用是通过步进电机来驱动摄像头支架的转动，从而带动摄像头的转动。一个高性能摄像机云台可以使支架向多个方向(上、下、左、右、左上、右上、左下、右下等)转动，并可以调节摄像头的焦距、光圈、景深等。云台一般通过解码器作为中间设备与计算机的RS232/RS485串口相连接，解码器通过串口和计算机进行通信。解码器的主要作用是通过串口接收计算机的控制码，并对此控制码进行地址解析和命令解析，将解析的命令转换成相应的能够驱动云台转动的控制电压，再传递给云台以控制云台的转动、摄像机镜头的调节及停止操作。
图1-1 云台基本原理图
计算机对云台和镜头的控制实际上是通过解码器来实现的，一个解码器只能为一个云台提供控制服务。每个解码器都可以通过其内部的物理开关来设置其对应的地址，并且在一个监控系统中每个解码器设置的内部物理地址应该互不相同，否则就会出现混淆。每个解码器内部也设有一个地址解析器，负责将串口发出来的数据进行地址解析。计算机通过串口实现对云台和镜头的控制，对云台和镜头的控制信号是计算机通过串口输出到解码器的单向控制信号。为了使用一个串口来控制多个云台和镜头，每当解码器收到控制信号时，首先就要经过解码器对控制信号进行地址解析，当发现解析的地址与解码器内部设置的地址一致时，则接受相应的控制信号，并对该控制命令进行解析，将命令转换成相应的能够驱动云台和镜头的控制电压，再将控制电压传递给云台和镜头以控制云台的转动、镜头的调解或停止等操作;否则，若发现解析的地址与解码器内部设置的地址不一致时，则该控制命令就不是本解码器所对应云台或镜头的控制信号，解码器不对控制命令做转换。
串行端口的本质功能是作为CPU和串行设备间的编码转换器，在Windows环境下，串口是系统资源的一部分。当数据从CPU经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。应用程序要使用串口进行通信，必须设置通讯的串口地址、波特率、奇偶校验、数据位和停止位，在使用之前向操作系统提出资源申请要求(打开串口)，通信完成后必须释放资源(关闭串口)。[27]
1.2.3镜头、云台、解码器、转换器的安装方法
变倍镜头或变倍摄像机（一体机），可以实现焦距、光圈、远近的监控画面变化； 云台可以实现左右、上下、自动等监控位置变化； 解码器可以把变倍镜头（或一体机）、云台、报警信号等控制信号与主机之间进行双线互相传输；
以前和现在我们使用云镜控制器进行操作，除了简单的操作方法外，大量的电缆消耗、布线的复杂性、不能异地控制等缺点，使得现在的监控工程基本抛弃了云镜控制器的使用，95%以上的工程使用解码器（板）技术实现云镜控制，布线简单、操控方便、容易维护。但是，对于出入行的新手而言，面对几十、几百甚至上千个接线端，确实有点头大。我们现在对一组普通的设备的安装接线方法进行讲解，希望能对大家有所帮助。
第一步：把变倍镜头或一体机、云台的电缆接入解码器（不可带电操作！！！）：参照镜头或一体机、云台的说明书、标签，对照解码器的接线图，仔细准确
地把所有电缆接入解码器的接线端子，两者的接口必须完全对应连接。注意：线
头根据接线端子的尺寸做到芯线与接线柱接触良好、牢固，芯线不外露。做好在
安装前先把以上设备检测后再实际安装。如图1-2为解码器内部接线实物图
第二步：接出摄像机电源、云台电源、设定地址码和波特率开关：
根据镜头或摄像机、云台的要求，从解码器的电源输出端接出摄像机电源并调整云台的电源，并根据主机的设定或压缩卡的设定，调整好地址码和波特率。接入220V电源线。最后接出485控制线：正负极必须完全对应。调整主机、加电测试。

图1-2 解码器内部接线实物图
　 将485控制器的连接线接入主机的COM1或COM2口，调整主机的相关参数，全部安装完毕后，再次检查接线端口和电源、电压，确认无误后，给解码器加电测试，以下的设置以8008软件为例：图1-3为上位机控制软件选择摄像头机的控制端口图

图1-3 选择摄像头机的控制端口图
图1-4为上位机选择和设置与解码器匹配的协议图：

图1-4 选择和设置与解码器匹配的协议图
图1-5 为上位机对摄像头进行控制图：

图1-5 上位机对摄像头进行控制图

云台控制器有外置、内置之分，外置控制器的解码电路装在壳体外面，云台的控制信号线引出壳体，通过控制器给相应的控制线加控制信号，就能实现云台的上下左右旋转等功能，内置控制器的解码电路装在壳体里面，与整个云台形成一体，采用串行通讯控制，引出线相对较少，其电路设计相对复杂，要结合云台内部形状合理布局，此外还要考虑内部安全，质量等环节。

云台控制器由AT89C52单片机模块、电机驱动模块、摄像头驱动模块、RS458通信模块、电源模块等组成。单片机接收上位机发过来协议命令，对其命令解析驱动相应模块执行动作，根据控制命令通过云台对拍摄方向进行上、下、左、右运动控制,或对摄像机的焦距、光圈和景深进行调节。其中接受上位机命令采用中断方式，然后由单片机对接收数据进行校验，让驱动模块执行控制字。
本文的文章结构如下：
第一章主要介绍了云台控制技术的意义及发展现状。
第二章主要介绍总体方案设计。对现有云台所具备的功能，进行了分析，根据云台的功能，提出几种相应的控制方案，并最终确定本设计采用的控制方案。
第三章主要介绍系统软件设计。介绍一些串行通信基本知识，对软件开发工具、开发环境作了简要描述、通讯传输协议PELCO-D、PELCO-P协议等标准。
第四章主要介绍通信协议实现，实现详细介绍了本系统所采用的通讯传输协议PELCO-D等协议的程序实现。软件部分给出了本系统两大模块的程序流程图等。
第五章是对整个设计的调试阶段。在这一章中简要介绍了程序调试的基本过程，经实际运行系统，实现了云台的上下左右功能，能够控制镜头的焦距、光圈、变倍等参数，完成了本设计的设计目标。
第六章是总结，主要是对在开发过程中遇到的软件问题作下总结，对本设计的完成总结，本章最后是对课题的展望和收获。
2总体方案设计
2.1 系统功能分析
云台的功能主要是负责扩大摄像机的监视范围，以及控制镜头等参数，使得视野更清晰。如图2-1所示，云台系统包括两大模块，镜头模块和运动模块。镜头模块主要控制镜头的参数，细分为变焦、变倍、光圈等。而运动模块又细分为上下动作控制，左右动作控制。电源供电模块为所有的板块提供工作电源。

AT89C52

系统电源
摄像机控制
RS-485通信模块模块
波特率设置
波特率设置
通信协议设置
通信协议设置
本地地址设置
本地地址设置
系统电源
摄像头控制
云台控制
云台控制
辅助控制
辅助控制

图2-1 系统设计框图

镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体，如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像也就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，当图像变得不清楚时，可以调整摄像头的参数，改变CCD芯片与镜头基准面的距离(即相当于调整人眼晶状体的位置)，将模糊的图像变得清晰。镜头有三个参数影响图像的质量，变倍(ZOOM )、焦距(FORCE)、光圈(IRIS )
变倍:通过内部的复杂透镜组来实现放大倍率，移动镜头内部的镜片，改变它们之间的相对位置，在一定范围内改变镜头的焦距长度和视角。
焦距:是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，是指透镜中心或其第二主平面到图像聚集点处的距离，单位一般为毫米或英寸。
光圈:用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置，位于摄像机镜头内部，可用来控制通过镜头的光线的多少。
常用的镜头有三可变镜头，二可变镜头。二可变镜头是指变倍(ZOOM)、焦距(Focus)均通过马达驱动变化，而光圈(IRIS)通过摄像机驱动信号自动控制，即自动光圈。三可变是指焦距、变倍、光圈三个参数均通过电动马达驱动发生变化。
在监控系统中，镜头的作用是非常重要的，它直接影响监控视野的质量，云台控制系统接收控制操作台所发控制命令，并解码该命令对镜头的变倍，焦距，光圈等参数进行控制。[23]

云台的上下左右运动，是其最基本的功能，云台内部有两个电动机，一个控制水平方向旋转.一个控制垂直方向旋转，当上下运动时，垂直电机转动，经减速箱带动垂直传动轮盘转动，垂直旋转的角度有士35、士45、士75等。当左右动作时，水平电机转动并经减速箱带动云台底部的水平齿轮转盘转动，水平旋转的角度一般为350度。云台都有水平、垂直限位栓，用以控制云台水平和垂直旋转的角度大小。限位栓是由两个微动开关来实现，当转动角度达到预先设定的限位栓时，碰触微动开关，微动开关动作切断电源，云台停止转动。[23]

系统主要由AT89C52单片机主控模块、RS-485通信模块,参数设置模块、驱动控制模块和系统电源模块等组成。

采用ATMEL公司推出的AT89C52微处理器。AT89C52单片机是具有4K可编程可擦除程序存储器的低功耗、高性能CMOS的8位单片机。该芯片运用Atmel公司的高密度非易失性存储技术，并且与工业标准的MCS-51指令集和引脚兼容。通过多功能8位CPU与闪存芯片的单片机的结合，AT89C51单片机在许多嵌入式控制应用中所体现的灵活性强，低成本的特性，使之成为功能强大的单片微机之一。
2.2.3.2 RS485通信模块
由于一个监控中心往往要实现对多个现场进行监控,且监控中心与现场的距离都较远,因此,云台控制器与监控中心的通信采用RS 485总线。该总线允许的通
信距离最远可达一千二百多米,每条总线上允许连接设备最多可达32个,经过适当的串口扩展,这完全能够满足图像监控系统对监控节点的要求。系统采用MAX 487专用芯片进行通信模块设计。

参数控制模块是用来设置云台控制器的设备地址、通信协议和通信波特率参数的,它们由拨码开关与单片机的I/O口直接相连，我们设置6个拨码开关来设置设备地址，可设置0-64个地址，通信协议设置是用来选择云台控制器与监控中心进行数据通信所采用的通信协议,由于目前云台控制器种类繁多,不同厂家都制定有互不相同的通信协议,为了最大限度地提高云台控制器的通用性,本系统通过通信协议设置开关可分别选用目前较为流行的4种通信协议: PELCO-D, PELCO-P、YAAN、明景等通信协议; 通信波特率设置是用来设置单片机与监控主机进行串行通信的波特率,考虑到通信距离、通信的可靠性和单片机波特率的设置参数等因素,在此用2个拨码开关进行4种通信波特率的设置:1 200 b/s,2 400 b/s,4 800 b/s和9 600 b/s。

控制模块是用于实现对云台、摄像机和监控现场的辅助设备进行控制。云台、摄像机和监控现场的辅助设备的控制都是开关控制,因此控制模块由继电器驱动电路构成。继电器选用12 V供电线圈的继电器,驱动电路选用集成8路达林顿管阵列的ULN2003集成电路，同时摄像头驱动部分采用CD4070和D2822共同驱动。实现摄像头控制。

电源模块是用于实现对云台电机、云台控制器和摄像机进行供电。考虑到云台控制器的通用性,电源模块能够提供单相交流24 V为电机提供电源,直流5 V为控制器供电和12 V为云台镜头供电,单相24 V由变压器绕组中的一组提供。直流5 V和12 V由变压器绕组其他绕组经全波整流后经LM7805、LM7912和LM7812集成三端稳压器输出得到。
详细硬件设计见同组的任柱云台控制器硬件设计部分。
3系统通信协议设计

视频监控中对云台的控制可以分为两个时代:
第一个控制时代，采用模拟量调节，云台的上下左右动作，以及镜头的三个参数控制都是采用模拟量调节。控制信号由一组控制线连接引出，这种控制方式极为不便，接线较多，各个信号之间易出错。
第二个控制时代，采用数字量调节，云台的所有动作，均可采用数字信号命令来控制，云台负责解码这个命令，进而完成相关的动作。由此产生了一些控制协议。
国内外对于云台镜头控制协议并没有一个统一的标准，而是由各个云台、监控设备生产商自己定义，造成现今云台镜头控制协议很多。尽管各个厂商的云台控制协议各不相同，但它们的控制方式是基本一样的，都是基于232/485控制，不同的仅仅是控制指令中的命令字而已。

随着计算机技术的发展，通讯传输在工业自动化控制领域得到越来越厂泛的应用。通常在实际工作中，两个设备之间的信息交换被称为通信，通信的方式有两种，并行通信和串行通信。并行通信是指数据的各位同时进行传送(发送或接收)的通信方式。其优点是传送速度高，缺点是在数据电压传送的过程中容易衰减互扰，数据有多少位，就需要多少根传送线，线路工程费用较高。串行通信指数据是一位一位按顺序传送的通信方式，它的突出优点是使用线路少，只需一对传输线，避免了多条线路特性的不一致，简单实用，这样就大大降低了传送成本，特别适用于远距离通信，因此在工业应用中绝大多数使用串行通讯。串行通讯的基本接口方式分为RS-232和RS-485两种标准。RS-232为全双工工作模式，其信号准位是参考地线而得，分别作为数据的传送和接收，实际应用中其传输距离可以达到15米，只具有一对一通讯。而RS-485却能解决长距离的串行通讯，解决了RS-232协议传输距离太近(15m)的缺陷。

串行通信的传送方式通常有3种:单向(或单工)配置，只允许数据向一个方向传送;半双向(或半双工)配置.允许数据向两个方向中的任一方向传送.但每次只能有一个站点发送;全双向(全双工)配置，允许同时双向传送数据，全双工配置要求两端的通信设备都具有完整和独立的发送和接收能力。

串行通信有两种基本的通信方式:异步通信和同步通信，在异步通信中，数据是一帧一帧(包括一个字符代码或—字节数据)传送的。同步通信中，在数据开始传送前用同步字符来指示(常约定1~2个)，并由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，按照连续按顺序传送数据，直到通信告一段落。

通信协议是对数据传送方式的规定，包括数据格式定义和数据位定义等。通信双方必须遵守统一的通信协议。串行通信协议包括同步协议和异步协议两种。在此只讨论异步串行通信协议和异步串行协议规定的字符数据的传送格式。
1)起始位
通信线上没有数据被传送时处于逻辑1状态。当发送设备要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑0信号，这个逻辑低电平就是起始位。起始位通过通信线传向接收设备，接收设备检测到这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。起始位所起的作用就是设备同步，通信双方必须在传送数据值前协调同步。
2)数据值
当接收设备收到起始位后，紧接着就会收到数据位。数据位的个数可以是5, 6, 7或8。这些数据位被接收到移位寄存器中，构成传送数据字符。在字符数据传送过程中，数据位从最低有效仿开始发送，依次顺序在接收设备中被转换为并行数据。
3)奇偶校验位
数据位发送完之后，可以发送奇偶校验位。奇偶校验用于有限差错检测，通信双方须约定一致的奇偶校验方式。如果选择偶校验，那么组成数据位和奇偶位的逻辑I的个数必须是偶数;如果选择奇校检，那么逻辑1的个数必须是奇数。
4)停止位
在奇偶位或数据位(当无奇偶校验时)之后发送的是停止位。停止住是一个字符数据的结束标志，可以是I位、1.5位或2位的高电平。接收设备收到停止位之后，通信线路上便又恢复逻辑1状态，直至下一个字符数据的起始位到来。
5)波特率设置
通信线上传送的所有位信号都保持一致的信号持续时间，每一位的信号持续时间都由数据传送速度确定，而传送速度是以每秒多少个二进制位来衡量的，这个速度叫波特率。如果数据以每秒300个二进制位在通信线上传送，那么传送速度为300波特，通常记为300 b/s。
3.2.4 RS-485标准
RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求:接收器的输入电阻R (in) 12KΩ,驱动器能输出士7V的共模电压，输入端的电容<50 pF，在节点数为32个，配置了120Ω的终端电阻情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V(终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关)接收器的输入灵敏度为200mv(即(V+)-(V-) 0.2 V，表示信号“1”;（V+)-(V-)0.2V，表示信号“0")RS-485是一种基于差分信号传送的串行通信链路层协议。它解决了RS-232协议传输距离太近(15m)的缺陷，是工业上广泛采用的较长距离数据通信链路层协议。
RS-485的信号在传送出去之前会充分解成正负的两条线路，当到达接收端后。再将信号相减还原成原来的信号，如果将原始的信号标注为DT，而被分解后的信号分别标注为D+和D-，则原始信号与分解后的信号在由传输端传送出去时的预算关系如下:
DT=(D+)-(D-) ( 3-1 )
同样，接收端在接收到信号后，也按上式的关系将信号还原成原来的样子，而如果此线路受到干扰，则两条传输线上的信号会分别成为(D+)+Noise。和(D) + Noise，则会成方程式如下:
DT=[（D+)+Noise]- [（D）+Noise]=(D+)-(D) (3-2)
此方程式与前一方程式的结果是一样的，所以使用RS-485网络可以有效地防止噪声干扰也正是因为这种特性，工业上比较适合使用这种串行传输方式。RS-485上的数据线虽然有两条，不过这两条线路却是一个信号标准电位的正负端，真正的信号必须是两条线路相减所得到的，因此在一个时间点内，只可以有一个方向的数据在传送，也就形成了半双工的工作模式，这种不参考地结而由两条信号标准电位相减，从而得到信号标准电位的传导方式称为差动式输入。[1]
目前市场在监控行业所采用的控制协议很多种，例如RV800(科立解码器通讯协议)，CBC(日本CBC高速球通讯协议)，CS850A(松下CS850A高速球通讯协议)，PIH(利凌PIH717解码器通讯协议)，MG-CS160(明景B0l通讯协议)等。由于美国PELCO公司在监控行业占有重要位置，其推出的PELCO协议是当前比较通用的云台控制协议，是最为典型的云台控制协议。PELCO协议主要分为两种，PELCO-D协议和PELCO-P协议，PELCO-P协议一般采用RS-485接口进行传输，波特率一般在1200-9600bps之间，1位起始位，1位停止位，8位数据位，无校验位。PELCO-D协议一般用于矩阵和其他设备之间的通信，同样