基于多串口控制板的水下视频控制系统设计

引言

载人潜水器水下视频系统控制设备数目较多，控制信号和视频信号都通过光纤电缆传输到载人舱，舱外光电信号转换在光纤罐内，大深度海水环境中耐压罐中空间小，本文主要介绍基于自行设计研发的多串口控制板的水下视频控制系统。

1 概述

载人潜水器在水下进行作业时，潜航员可以通过载人舱的玻璃观察窗对周围场景直接进行观察，但是受限于观察窗大小和视角限制，观察角度仍然十分有限，潜水器下方、侧方、后方无法通过直接观察，仍然需要水下高清摄像机、水下照相机以及搭载云台等视频设备辅助潜航员驾驶潜水器。水下摄像机、水下照相机不仅用于辅助潜航员水下观察，而且可以存储潜水器在水下作业时的视频作为后期研究学习的重要资料[1]，载人潜水器整体结构如图1所示。潜水器视频设备在水下工作时，潜航员可以在载人舱内根据需要通过手柄控制器进行控制，例如摄像机的调焦调距、照相机的拍照、云台的转动等指令都可以进行实时控制。考虑到传输的快速性以及稳定性，高清视频以及照相机预览视频信号是通过光纤电缆传输到载人舱内[2]，为了减少系统线路的复杂性，舱内控制手柄发送的485控制信号通过光端机转换为光信号之后也通过光纤电缆传输到光纤转换罐，再通过光纤转换罐内的光端机转化为485差分信号，然后通过光纤罐内的多串口控制板解析控制指令，然后通过子串口分配到相应视频设备，进行相应的控制。

图1 载人潜水器整体结构图

2 水下视频控制系统组成

水下视频设备控制系统由载人舱内设备、光纤转换罐内设备、水下视频摄像设备三部分组成，具体组成结构如图2所示。载人舱内设备主要包括模光端机、视频控制器、视频显示存储器，作用是将舱外传来的视频光纤信号通过光端机转换为视频同轴信号，然后将视频信号发送到显示屏进行显示，发送到存储器进行视频存储，同时还要将载人舱内的控制信号通过光纤电缆发送到光纤转换罐；光纤转换罐内设备主要包括光端机、多串口控制板、光纤波分复用器，作用是将水下视频摄像、照相设备传输来的视频电信号转换为光纤信号后通过光纤电缆发送到载人舱内，并将载人舱内发送来的控制信号通过多串口控制板进行解析，分配到相应子串口，发送给相应的视频设备；视频设备主要包括水下摄像机、水下照相机、水下云台等，作用是按照潜航员要求采集相关视频、图像信号发送到光纤转换罐，并能接收控制指令执行相应操作。下文主要介绍为了匹配视频系统控制而设计的多串口控制电路板的硬件设计和软件设计内容。

图2 水下视频设备控制系统组成

3 多串口控制板硬件设计

载人潜水器搭载的摄像机、照相机、云台等设备一般通过485接口进行控制，而通常载人潜水器搭载的摄像机、照相机、云台数量较多，而单片机的USART接口一般最多有3个，因此需要对单片机的串口进行扩展，以满足系统控制的需要。多串口控制板的硬件结构图如图3所示，电路板一共有11个外围串口，包括1个母串口和10个子串口，母串口直接占用单片机的一个USART接口，10个子串口是单片机的另外两个USART接口扩展产生的。母串口与载人舱的视频控制器进行485通信，当母串口接收到载人舱内控制指令后，单片机根据通讯协议对数据包进行解析，判断控制设备和控制内容，然后通过相应子串口发送给目标设备。

图3 多串口控制板的硬件结构图

多串口控制板的主控制芯片选用意法半导体公司的STM32F103RET6型号单片机，该型号单片机属于32位ARM微控制器系列，其主要特点是具有Cortex-M内核，单周期乘法和硬件除法器，4-16MHZ晶振振荡器，CPU频率最高可达到72MHz，串行单线调试（SWD）和JTAG接口，多达8个定时器，3个USART接口，工作电压为2.0-3.6V[3]，可以完全满足系统设计要求。

母串口直接与单片机的USART1接口连接，进行数据发送与接收，因为水下电气系统的特殊要求，需要进行电源和信号的电气隔离，因此485电平转换芯片选用ADM2687E型号。该芯片是具有±15kV ESD保护功能和电源隔离数据的收发器，适合多点传输线路上的高速通信应用。ADM2687E集成了一个5kV rms隔离DC/DC电源，可以为自己提供隔离供电，省去了外部DC/DC隔离电源模块，该芯片集成ADI公司的iCoupler技术，将一个3通道隔离器、一个三态差分线路驱动器，一个差分输入接收器和ADI公司的isoPowerDC/DC转换器集成于单封装中。它们采用5 V或者3.3 V单电源供电，实现完全集成的信号和电源隔离RS-485解决方案。选用ADM2687E可以满足电气隔离和数据传输速率的要求并且可以减少电路的复杂性[4]。

子串口扩展功能通过选用成都视普科技有限公司的SP3539芯片实现，一片SP3539可以将单片机原有的1个通用异步收发接口（USART）扩展为5个完全独立的子串口，每个子串口都是波特率、奇偶效验方式、数据帧长度都可独立设置的全双工子串口，都有8Byte独立FIFO，可同时收、发送数据。SP3539采用分时复用技术实现串口的扩展，在上电默认模式下母串口的波特率是各子串口波特率的6倍，即：各子串口可在特定的时间段内独占母串口，因此即使所有子串口都有连续不断的数据输入也不会发生数据丢失[5]。

SP3539芯片需要一个外部16MHz晶振提供工作时钟，单片机通过读写地址线选择选通的子串口，然后通过母串口就可以对子串口发送接收数据。SP3539电路原理图如图4所示。

图4 SP3539电路原理图

STM32F103RET6单片机的USART1接口作为母串口用于和载人舱内视频控制器通信，USART2接口和USART3接口分别通过SP3539芯片进行一分五子串口扩展，这样可以为系统提供10个独立控制的子串口，用于和水下摄像机、水下照相机和水下云台等设备进行通信，控制其实现相应控制指令。

4 多串口控制板软件软件

STM32F103RET6单片机软件程序用C语言编写，编译环境为KeiluVision4。载人舱内视频控制器的控制指令每50ms发送一帧，通过光纤传输到光纤转换罐，为了增加通信的可靠性，多串口控制板接收到一帧完整指令后首先进行校对，校对正确后再根据通信协议执行相关操作，否则放弃这一帧数据指令继续等待下一帧。

多串口控制板的软件流程如图5所示。多串口控制板上电之后，单片机首先进行初始化配置，包括系统时钟初始化、IO口配置、USART接口及中断函数的配置。当母串口接收到一个数据包之后会触发相应串口中断响应函数，接收完之后对数据进行校验，数据校验正确后则进入程序主循环进行处理：如果是摄像机控制指令，那么通过与摄像机相连的子串口向摄像机发送位置询问指令，如果摄像机返回指令表示没有到达限位位置，则通过该子串口继续向摄像机发相应调焦调距指令，否则返回主程序继续等待下一帧数据；如果是云台控制指令，那么通过与云台相连的子串口向云台发送位置询问指令，如果云台返回指令表示没有到达限位位置，则通过该子串口继续向云台发送相应运动指令，否则返回主程序继续等待下一帧数据；如果是照相机控制指令，那么继续判断是否是拍照指令，如果是则通过与照相机相连接的子串口向照相机发送拍照指令，如果是照相机调焦调距指令，则通过该子串口向照相机发送位置询问指令，如果照相机返回指令表示没有到达限位位置，则通过该子串口向照相机发送相应运动指令，否则返回主程序继续等待下一帧数据。

图5 多串口控制板软件流程图

5 试验结果及结论

多串口控制电路板的硬件电路和软件程序调试完成后，与载人潜水器整个视频系统组装好进行了联调试验，视频传输及相关控制指令都调试通过，后期继续完成了水池试验和海上试验。经过多次试验验证，基于多串口控制板的水下视频设备控制系统达到了预期的性能要求，并且功能稳定，视频控制效果良好可靠，数据传输快速高效，潜航员可以根据自己的观察驾驶需求有效的控制舱外高清摄像机、照相机以及云台等设备，视频系统的正常工作为载人潜水器在深海作业发挥了重要作用，提高了潜航员的作业效率与作业质量，多角度的视频信号也确保了潜水器水下作业的安全性。因此基于多串口控制板的水下视频控制系统设计发挥了预期的功能，保证了系统的完整性和操作的便利性，其中图6为多串口电路板电路图，图7为水下摄像机视频图像显示效果图。

图6 多串口控制板电路图

图7 水下摄像机视频图像显示效果图