摄像机在煤矿监控系统中使用广泛，尤其对一些重要场所更需要在集控室远程操控摄像机实现移动、调焦等功能。对摄像机的控制使用RS一485总线的较多，文献[1]以AT89C52单片机为控制器设计了构建于RS.485总线基础上的矿用摄像机工作台控制系统。在现场使用这种方法进行控制的过程中，笔者发现：当控制距离较远(超出1 km)以及挂接控制器较 (在某矿发电厂实测大于36台)时会出现部分摄像机失控、误动现象，其中频繁地误动还会导致工作台的故障，给工作带来不便。为解决以上问题，本文以嵌入式处理器LPC2129为主控芯片设计了矿用摄像机控制器，并通过CAN(contoller area network)总线实现了远程控制。CAN总线属于现场总线的一种，它具有可靠性 高、通信距离远、连线简单、性价比高等特点。
CAN采用非破坏总线仲裁技术，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出 现网络瘫痪情况(以太网则可能)。CAN的通信距离最远可达10 km(速率5 kbit/s以下时) ，因此煤矿 远程控制很适合采用CAN总线。另外CAN总线可以使用双绞线作为通信介质，这使得原有RS-485网络 的控制系统不用重新布线就可以升级为CAN总线控制系统，可大大节约成本。
当前嵌入式系统技术成熟、应用广泛。这主要得益于它的处理器将通用CPU中许多由板卡完成的任务精简到芯片内部，在保证特定功能的前提下使系统设计趋于小型化，便于系统集成。LPC2129是飞利浦公司生产的基于16/32位ARM7TDMI—S内核的嵌入式处理器。其内部具有256 KB的Flash、16 KB的 RAM、2路CAN控制器。其他外围接口也很丰富，这样无需外扩存储器就可以移植实时操作系统。因此，本文选用LPC2129作为主控芯片，另外使用嵌入式系统所设计的控制器尺寸小，从而使其可方便地嵌入到防爆工作台。
1 控制系统工作原理
控制系统如图1所示，监控上位机通过RS-232串口与1/S.232-CAN转接器相连，转接器与控制器构成CAN总线网络，控制器直接控制摄像机和工作台。系统控制原理如下：上位机通过鼠标及键盘接收特定摄像机控制动作命令，通过软件转换为摄像机控制器地址及控制命令，然后打包为控制字，再通过串口发送给转接器。转接器按协议将控制字转换为CAN总线帧格式并将帧发送到总线上。地址相符的控制器接收该帧数据，根据控制命令产生控制信号，控制摄像机及工作台完成相关动作。
图1 控制系统
2 控制系统电路设计
控制系统的电路设计按功能分为3个部分：控制器电路、CAN总线电路、转接器电路。
2.1 控制器电路
考虑到本系统的被控对象是摄像机和工作台，而摄像机选用索尼FCB系列的摄像模块，该模块支持RS-232串M通信，所以控制器电路设计如图2上部所示。图中利用LPC2129的串口0(P0.0、P0.1)经电平转换芯片ST3232构成控制器串口，外接摄像机模块，完成对摄像机的控制。由于本设计没有采用传统的拨码开关设定控制器地址，地址的设定要通过上位机来完成，因此通过LPC2129的串口1(P0.8、P0.9)完成与上位机的通信，实现地址的写入。对工作台的控制实际上是控制工作台的两个驱动电机，使用LPC2129的PWM接口P0.7、P0.21以及通用I/O接口P1.17、P1.19经光电隔离后进行驱动，控制电机的转动，从而带动工作台的转动。
图2 电路原理图
2.2 CAN总线电路
LPC2129内部集成了CAN控制器，使用它无需外接单独的CAN芯片就可以方便地构成CAN总线。电路如图2下部所示，由LPC2129的CAN引脚P0.23、P0.24外挂收发器模块CTM8250接入CAN总线系统。CTM8250是周立功公司生产的一款带隔离的通用CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收发器件，芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC 2500 V的隔离功能。此处使用该模块是为了保证在煤矿现场总线工作的稳定性和可靠性。与RS-485总线类似，在总线的最远端要串接120Ω电阻R20a为防止掉电后控制器CAN地址丢失，系统外扩了一片I2C总线的非易失性存储器24C04，I2C总线上的电阻R4、R5的作用是进行电位上拉。
2.3 转接器电路
转接器的作用是连接上位机与CAN总线。由图2可以看出，只需将对摄像机和工作台的控制部分去掉就可以完成此功能。为简化没计，本文没有使用其他处理器，转接器仍然利用LPC2129的串口1完成与上位机的通信，并通过CAN引脚外挂收发器模块CTM8250完成CAN总线通信。在转接器里也外扩了24C04，主要用于存储控制器的地址映射表。
3 控制协议
控制系统中上位机要首先与转接器通信，传送控制命令，这部分需要一个串口通信协议。通信时采用两次握手的方法，地址使用逻辑地址(详见控制器地址配置部分)，数据的格式直接采用后面的CAN数据格式，在数据之后加一个字节的校验和作为通信校验。鉴于串口通信的文献较多，此处不再赘述。
由于转接器里的控制命令要通过CAN总线远距离传输，而CAN V2.0B规范只规定了底层协议标准，并没有对高层协议做统一规定，因此高层的控制协议需要单独开发。CAN的报文由4个不同的帧类型表示和控制，即数据帧、远程帧、错误帧、过载帧。鉴于摄像机控制系统中控制命令不多，故本文采用数据帧的标准格式发送控制命令，这样做的优点是可以减少网络传输的数据量，提高控制系统响应的实时性。协议具体设置如图3所示，数据帧包括帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域以及帧结束共7个部分。其中帧起始、CRC域、应答域、帧结束4个部分在文献[5]中已经详细规定，此处从略。
图3 CAN控制数据报文帧格式图
本协议以标准格式的11位标识符(ID10一ID0)为控制器、转接器地址，由于CAN协议规定IDIO—ID4必须不能全为隐性1，因此有效地地址数为2032个。根据CAN规定RTR位在数据帧格式里必须为显性0，标识符和RTR位构成数据帧的仲裁域。需要指出的是由于仲裁域决定数据在总线上传输时的优先级，因此在设置时应将重要场所的摄像机配置为高优先级地址。控制域的r位是两位保留位，后面的DLC3一DLC0用于确定数据域的长度，本协议所需数据域为8字节，故控制域取值为：DLC3一DLC0=1000。
所有控制命令全部在数据域的8个字节中设置，其中最后1个字节Byte0用于决定发送的是控制器更新地址还是控制字节，当其取值O*O1时表示发送的是更新地址，且其前面的Bytel～Byte2的高1 1位表示逻辑地址，Byte3-Byte4的高11位表示原地址，Byte5-Byte6的高11位表示要更新的地址;当字节Byte0取值0x02时表示其前面的6个字节Bytel—Byte6是控制字节，控制字节的详细设置如图3下部所示。
① 字节Bytel。第7位控制摄像机电源开关，取值0控制电源开，取值1控制电源关闭;第6位控制摄像机缩放，取值0控制摄像机进行缩放，取值1维持原状不缩放且第0～5位的取值无意义;第5位表示在进行缩放时是缩还是放，0则缩，1则放;第4位取值0表示按标准格式缩放，取值1表示按可变格式缩放，且前面的第0～3位表示可变格式的控制，取值范围由低到高分8级，以二进制数0～7表示，等于8时表示按步进格式缩放，取其他值无意义。
②字节Byte2。用来控制摄像机的调焦，设置与Bytel相似，从略。
③字节Byte3。第7位是控制工作台移动的开关，取值0为开即进行移动，取值1则关闭工作台移动;第6—3位表示工作台移动的方向，取值0表示移动方向有效，1表示无效。
④字节Byte4的第7～4共4位控制工作台左右移动速度，第3—0共4位控制工作台上下移动速度，分9个等级，以二进制数0—8表示，取其他值无意义。需要说明的是：控制字节的Byte2第7位、Byte3低3位以及Byte5、Byte6在协议中没有使用，编程时全部取值1，Byte5、Byte6留作协议进行下一步拓展时使用。虽然CRC域可以实现校验，但是为了确保通信的可靠性，本协议仍以Byte7作校验码，校验码的计算方法为取Byte0～Byte6累加和的低8位。另外需要说明的是：由于工作台的控制采用PWM调速，所以分了4个方向、9个速度等级，由Byte4控制，上下、左右的速度等级可以取不同值对应不同的速度。
在本文中摄像模块的控制要使用SONY的VISCA协议，因此还要在控制器中设计CAN控制协议到VIS—CA协议的转换。VISCA协议是公开的，此处只需将控制命令转换为VISCA协议的控制码通过串口发送即可。
