基于單片機(jī)的可視對(duì)講門(mén)禁系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種樓宇無(wú)線(xiàn)可視對(duì)講電路，該電路以單片機(jī)為控制器核心，再連接外圍電路，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸電路來(lái)傳輸視頻信號(hào)，可以達(dá)到 50～200 m的無(wú)線(xiàn)傳輸距離。該設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是在單張拍攝的基礎(chǔ)上，獲得圖像的連續(xù)顯示，它真正意義上實(shí)現(xiàn)了圖像信號(hào)的無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸。

　　1 整體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。這三部分共同完成了主控制器與分控制器的信息交換，達(dá)到樓宇監(jiān)控的目的。主控制器和分控制器通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸模塊SRWF進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的傳輸。該通信模型屬于一對(duì)多的通信模式，其整體方框圖如圖1所示。

　　主控制器的主控芯片為AT89C51，通過(guò)鍵盤(pán)獲得訪(fǎng)問(wèn)的房間號(hào)碼，確認(rèn)后，單片機(jī)會(huì)控制打開(kāi)視頻采集芯片和緩沖芯片進(jìn)行工作，并在設(shè)定的通信波特率的情況下，通過(guò)串口通信，由單片機(jī)把數(shù)據(jù)送給數(shù)字傳輸電路，數(shù)字傳輸電路再通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。從控制器的主控芯片也使用AT89C51，通過(guò)數(shù)字傳輸電路接收主控器的控制信息和數(shù)據(jù)信息，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，若是主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的通信地址信號(hào)，從控制器會(huì)讀取振鈴音存儲(chǔ)電路里的數(shù)據(jù)，從而發(fā)出振鈴音。接下來(lái)開(kāi)始接收視頻信號(hào)，并通過(guò)LCD顯示電路顯示出來(lái)，用戶(hù)可通過(guò)按鍵控制電路決定是否與主控器進(jìn)行進(jìn)一步通話(huà)。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 主控制器的電路設(shè)計(jì)

　　主控制器電路由單片機(jī)AT89C51、鍵盤(pán)掃描電路、驅(qū)動(dòng)及數(shù)碼顯示電路、看門(mén)狗電路、無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電路等幾部分組成。主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖2所示。

　　其工作流程如下：先通過(guò)鍵盤(pán)掃描電路掃描用戶(hù)的按鍵信息，以便獲得從機(jī)的通信地址，并將按鍵信息通過(guò)4個(gè)LED顯示出來(lái)，以便用戶(hù)清楚獲知自己要訪(fǎng)問(wèn)的從機(jī)地址。用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)上的增值、減值、重輸，確認(rèn)修改其輸入值。當(dāng)用戶(hù)按下確認(rèn)鍵的時(shí)候，主機(jī)存貯此時(shí)的從機(jī)地址，并開(kāi)啟視頻芯片采樣視頻信號(hào)，同時(shí)把從機(jī)地址通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸芯片SRWF發(fā)送出去。收到從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)和準(zhǔn)備就緒信號(hào)后，主機(jī)在設(shè)定的波特率下開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。每發(fā)1幀數(shù)據(jù)就等待從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，同時(shí)對(duì)每幀數(shù)據(jù)都發(fā)送校驗(yàn)幀，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確無(wú)誤。

　　2.1.1 鍵盤(pán)掃描電路

　　鍵盤(pán)掃描部分采用4×4鍵盤(pán)，通過(guò)P1口設(shè)置掃描電平，先置P1口的低4位中某一位為零，然后讀取P1口高4位的電平。P1口的低一位置零即給列線(xiàn)置低，若在P1口的高4位監(jiān)測(cè)到某位為零，則通過(guò)行列的位置即可知道按鍵的部位，在按鍵過(guò)程中存在抖動(dòng)問(wèn)題，解決方法有硬件編碼鍵盤(pán)和軟件編碼方式，鑒于成本考慮和AT89C51的高性能考慮本設(shè)計(jì)采用軟件編碼方式實(shí)現(xiàn)掃描，鍵盤(pán)掃描電路如圖2所示。

　　2.1.2 LED顯示電路

　　LED顯示電路采用動(dòng)態(tài)顯示方式顯示，由74LS248 BCD譯碼芯片和74LS138譯碼器組成。采用74LS248的目的是為了節(jié)省I/O口資源，以便控制更多的外圍芯片。LED的段選數(shù)據(jù)由通過(guò) 74LS248譯碼過(guò)來(lái)的段選碼決定，位選數(shù)據(jù)由74LS138譯碼產(chǎn)生。工作的時(shí)候首先把按鍵的值轉(zhuǎn)換為BCD碼，再送入P0口的第4位，但是對(duì)P0口時(shí)整體復(fù)制會(huì)破壞位選口的數(shù)據(jù)。此時(shí)需進(jìn)行P0口數(shù)據(jù)的修正，通過(guò)或邏輯運(yùn)算把位選數(shù)據(jù)也送入P0口的第4位和第5位，再把修正好的數(shù)據(jù)送給P0口，此時(shí)既有段選數(shù)據(jù)又有位選數(shù)據(jù)。要使顯示的數(shù)據(jù)不閃，則需要利用人眼的視覺(jué)暫留性，將每個(gè)數(shù)據(jù)顯示之間的時(shí)間延時(shí)控制在10 ms以?xún)?nèi)，這樣顯示的數(shù)字才不閃。LED顯示電路如圖2所示。

　　2.1.3 視頻獲取及數(shù)傳電路

　　視頻獲取電路由CAMERA 0V 7620芯片和IDT7205組成，采用該組合方法是因?yàn)橐曨l獲取的數(shù)據(jù)量都比較大，但單片機(jī)的工作頻率比較低。如果直接搭配則二者不能正常接收。因此，增加緩沖芯片IDT7205，這樣通過(guò)單片機(jī)控制其工作來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)量和單片機(jī)的匹配，只有單片機(jī)允許接收時(shí)才使能IDT7205。如果單片機(jī)監(jiān)測(cè)到視頻芯片的VSYN上跳后，就會(huì)在P0.7口輸出1，從而開(kāi)始控制IDT7205從視頻芯片獲取數(shù)據(jù)。SRWF模塊在使用之前要進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信道、接口類(lèi)型、接口速率、接口參數(shù)等的設(shè)定，在設(shè)置完成后便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)模塊收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的第1個(gè)數(shù)據(jù)后自動(dòng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)同步等工作，因此第1個(gè)數(shù)據(jù)將在 5個(gè)字節(jié)時(shí)間延遲后從接收方串口輸出，如圖2所示。

　　2.2 分控制器的電路設(shè)計(jì)

　　分控制器也采用AT89C51單片機(jī)作為微處理器，分控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由晶振、LCD圖像顯示電路、按鍵開(kāi)鎖電路、看門(mén)狗電路、通信接口電路、存儲(chǔ)器等組成。分控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖3所示。

　　它的工作過(guò)程是：初始化其接收波特率，并一直處于信息監(jiān)測(cè)狀態(tài)，當(dāng)收到地址幀時(shí)，就與本身的地址相對(duì)比，若不同，則丟棄此幀數(shù)據(jù)繼續(xù)檢測(cè)。若相同，則讀取 AT24C02芯片存儲(chǔ)的樂(lè)曲編碼，通過(guò)P2.1口來(lái)控制喇叭發(fā)出樂(lè)曲音，從而告訴用戶(hù)，有訪(fǎng)客請(qǐng)求進(jìn)入樓宇。當(dāng)用戶(hù)按下鍵盤(pán)上的接聽(tīng)鍵時(shí)，單片機(jī)會(huì)把從無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸模塊接收過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)送P0口進(jìn)行液晶顯示。房主看到液晶上的圖像時(shí)，若認(rèn)識(shí)訪(fǎng)客，則按鍵開(kāi)鎖;若不認(rèn)識(shí)訪(fǎng)客，則按掛機(jī)鍵，結(jié)束視頻通話(huà)。視頻顯示電路的主要工作芯片為T(mén)FT6448B。TFT6448B自帶數(shù)據(jù)鎖存器，不需要擴(kuò)展鎖存芯片，在選中TFT6448B后，通過(guò)往TFT6448B的相應(yīng)行、列、控制、數(shù)據(jù)寄存器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)AT89C51對(duì)TFT6448B的控制顯示。
3 軟件設(shè)計(jì)

　　主機(jī)由AT89C51單片機(jī)充當(dāng)，從機(jī)為AT89C51單片機(jī)。主機(jī)與從機(jī)的數(shù)據(jù)通信波特率定為9 600 B，每個(gè)從機(jī)都有惟一的地址號(hào)，用來(lái)區(qū)分各從機(jī)。單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信由串口完成，定時(shí)器T1為波特發(fā)生器，數(shù)據(jù)傳送格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，1位可編程位(T-B8)。工作方式：將定時(shí)器T1設(shè)置為方式2，串口設(shè)置為工作方式3。

　　該系統(tǒng)的通信協(xié)議是：所有從機(jī)的SM2位置1，處于接收地址幀狀態(tài)，主機(jī)發(fā)送一地址幀，其中第8位是地址，第9位是地址/數(shù)據(jù)的區(qū)分標(biāo)志，該位置1表示該幀為地址幀。所有從機(jī)接收到地址幀后，都將接收的地址與本機(jī)的地址比較，對(duì)于地址相符的從機(jī)，使自己的SM2位置O，并把本機(jī)地址發(fā)回主機(jī)作為應(yīng)答;對(duì)于地址不符的從機(jī)，仍保持SM2=1，對(duì)主機(jī)后發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀不予理睬。從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后，要發(fā)送一幀校驗(yàn)和，并置第9位為1，作為從機(jī)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束的標(biāo)志。主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷數(shù)據(jù)接收標(biāo)志RB8。若RB8=1，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，并比較此幀校驗(yàn)和，若正確，則回送正確信號(hào)00H，命令該從機(jī)復(fù)位;若出錯(cuò)，則發(fā)送信號(hào)OFFH，命令該從機(jī)重發(fā)數(shù)據(jù)。若接收幀RB8=0，則將數(shù)據(jù)存到緩沖區(qū)，并準(zhǔn)備接受下一幀信息。主機(jī)接收到從機(jī)的應(yīng)答地址后，確認(rèn)地址是否相符，如果地址不符，則發(fā)復(fù)位信號(hào);如果地址相符，則清TB8=0，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。從機(jī)收到復(fù)位命令后回到監(jiān)聽(tīng)地址狀態(tài)，否則開(kāi)始接受數(shù)據(jù)和命令。主控制器和從控制器的通信程序流程圖如圖4和圖5所示。

　　4 系統(tǒng)仿真

　　在Proteus的ISIS 7.1sp2軟件環(huán)境下畫(huà)出電路原理圖，接下來(lái)就是將設(shè)計(jì)的程序在Keil C51μVision2開(kāi)發(fā)集成環(huán)境上編譯成機(jī)器語(yǔ)言，進(jìn)入Proteus的ISIS，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊菜單“Debug”，選中“use romote debuger monitor”，便可實(shí)現(xiàn)KeilC與Proteus的連接調(diào)試。首先在Proteus中雙擊單片機(jī)AT89C51，將KeilC下編程生成的.HEX 文件導(dǎo)入到AT89C51中，可在Proteus中單擊全速仿真運(yùn)行按鈕，進(jìn)行現(xiàn)象查看，能清楚地觀察到芯片上每一個(gè)引腳的電平變化，紅色代表高電平，藍(lán)色代表低電平;如果現(xiàn)象不正確，則在KeilC中單步調(diào)試程序，并在Proteus觀察現(xiàn)象，哪一步不正確，則對(duì)該段的程序進(jìn)行修改，調(diào)試直到仿真完全成功為止。

　　依次按下掃描鍵盤(pán)上的3個(gè)按鈕，待3個(gè)按鈕全部輸入后，會(huì)在數(shù)碼管上顯示剛才所按的數(shù)據(jù)，按照按下的順序顯示數(shù)字，該數(shù)字表示要訪(fǎng)問(wèn)的房間號(hào)碼，如504表示要訪(fǎng)問(wèn)504房間的主人。該房間號(hào)碼會(huì)提供給單片機(jī)用來(lái)作為多機(jī)通信的地址，仿真結(jié)果如圖6所示。

　　在Proteus里用LM4229代替設(shè)計(jì)中的TFT6448B芯片。仿真的目：用來(lái)獲得圖像顯示的編碼方式和液晶的單色位圖顯示功能。LM4229通過(guò) CDWRITE READ三個(gè)引腳的電平來(lái)確定是讀數(shù)據(jù)還是讀狀態(tài)，或者是寫(xiě)數(shù)據(jù)還是寫(xiě)命令。其數(shù)據(jù)引腳為8位，可以與單片機(jī)進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)交換，P2口為液晶顯示的控制端，仿真結(jié)果如圖7所示。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　該可視對(duì)沖電路采用了以單片機(jī)AT89C51為核心，以SRWF-1，CAMERA OV 7620，IDT7205等為外圍芯片的設(shè)計(jì)。文中給出了硬件電路圖及主程序流程圖，闡述了軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的處理。該電路完全可以滿(mǎn)足圖像信號(hào)的連續(xù)采集，無(wú)線(xiàn)傳輸圖像信號(hào)，顯示單色位圖，振鈴呼叫的樓宇無(wú)線(xiàn)可視對(duì)講電路的實(shí)用要求。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于把低速單片機(jī)應(yīng)用于數(shù)據(jù)量大的圖像信號(hào)采集和圖像短距離無(wú)線(xiàn)傳輸上。在設(shè)計(jì)中，圖像信號(hào)的實(shí)時(shí)性處理將成為以后需要努力研究的方向。