樓宇點對點全數(shù)字化可視對講系統(tǒng)電氣模塊設計

1、 南華大學船山學院畢業(yè)設計(論文)題 目： 樓宇點對點全數(shù)字化可視對講系統(tǒng)的電氣模塊設計 專業(yè)名稱： 電子信息工程 指導教師： 陳忠澤 職 稱： 教授 班 級： 2008級 學 號： 20089470110 學生姓名： 周國慶 2012年6月9日樓宇點對點全數(shù)字化可視對講系統(tǒng)的電氣模塊設計摘要:社會的進步引起了人類生活方式和思維模式的改變，人們對于安全的重視越來越高。安防產(chǎn)業(yè)的市場前景越來越被看好，監(jiān)控和數(shù)字服務是安防產(chǎn)業(yè)重要的技術支撐手段。樓宇對講系統(tǒng)從90年代被引進國內(nèi)，到現(xiàn)在中小城市都隨處可見，智能樓宇對講已經(jīng)成為安防產(chǎn)業(yè)發(fā)展的潮流。樓宇對講系統(tǒng)對于保障人民生活與社會安全具有重要意義，已

2、經(jīng)從普通對講發(fā)展到可視對講，可視對講功能日益趨向于多樣化、綜合化以及人性化。以實時監(jiān)控、控制、報警等特點深受廣大小區(qū)用戶的歡迎，并取得較大的經(jīng)濟效益與社會效益。當前，隨著科學技術的發(fā)展和人們生產(chǎn)生活的提高，可視對講系統(tǒng)將會廣泛的應用于越來越多的住宅小區(qū)。本論文涉及的是點對點全數(shù)字化可視對講系統(tǒng)采用ARM內(nèi)核的STM32作為核心控制器件。外圍采用音頻模塊、視頻模塊、顯示設備及鍵盤。來訪者通過鍵盤按下“CALL”按鍵，控制器件可以把來訪者的語音和視頻信號傳送到室內(nèi)機，主人通過按下“ANSWER”按鍵便可與來訪者通話。通過按下“OPEN”按鈕，大門自動打開。當主人不在家時，還可“留言留影”。該系統(tǒng)具

3、有實用性強、性價比高、抗干擾性好等優(yōu)點。關鍵詞：可視對講系統(tǒng)；STM32；音視頻模塊；門禁控制。Design of electrical module for Point to point all.digital video intercom Building systemABSTRCAT:The progress of society caused by changes in human lifestyle and patterns of thought, the people of the importance of security is increasingly high. Marke

4、t 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.

5、 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 incline

6、s 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 standar

7、d, 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

8、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

9、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 Con

10、trol目錄第一章 緒論11.1 樓宇點對點可視對講系統(tǒng)設計課題背景11.2 近年來國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 樓宇可視對講系統(tǒng)設計要求2第二章 樓宇可視對講系統(tǒng)方案的總體論證42.1 樓宇可視對講系統(tǒng)的功能及分析42.2 無線系統(tǒng)與有線系統(tǒng)的選擇62.3樓宇可視對講系統(tǒng)信號的傳輸方式62.4樓宇可視對講系統(tǒng)方案設計8第三章 樓宇可視對講系統(tǒng)硬件電路設計103.1可視對講系統(tǒng)處理器的選擇103.2 可視對講系統(tǒng)流程圖設計113.3可視對講系統(tǒng)鍵盤設計143.4 可視對講系統(tǒng)呼叫及摘掛機檢測模塊設計163.5可視對講系統(tǒng)視頻模塊的設計173.6可視對講系統(tǒng)音頻模塊的設計193.7可視對講系統(tǒng)中音頻信

11、號放大處理模塊設計203.8可視對講系統(tǒng)的顯示設計213.9可視對講系統(tǒng)中的電磁門控鎖的控制22第四章 系統(tǒng)的仿真和調(diào)試23總結24致謝信26參考文獻27附錄一：室內(nèi)機PCB板示意圖28附錄二：室外機PCB板示意圖29附錄三：室內(nèi)機原理圖.30附錄四：門口機原理圖.31第一章 緒論1.1 樓宇點對點可視對講系統(tǒng)設計課題背景 現(xiàn)代住宅小區(qū)的特點是用戶集中、容量大、進行統(tǒng)一保安管理。隨著人們生活水平的提高，對現(xiàn)代小區(qū)的期望越來越高。因此小區(qū)安防系統(tǒng)必須滿足“安全可靠、經(jīng)濟有效、集中管理”的要求，雖然目前市場上有各種各樣的安防系統(tǒng)，但是真正符合小區(qū)的特點，為人們提供更加高效、簡單、快捷的可視對講系統(tǒng)

12、并不多。可視對講系統(tǒng)可以消除對講系統(tǒng)“只聞其人，不見其聲”的特點。從而大大地提高了室內(nèi)用戶對來訪客的了解。 隨著現(xiàn)代生活的節(jié)奏的加快，小區(qū)的物業(yè)管理顯得尤為重要。其中訪客登記及值班看門的管理方法已不適合現(xiàn)代管理快捷、方便、安全的需求。樓宇對講系統(tǒng)是在各單元安裝防盜門，小區(qū)總控中心的管理員總機、樓宇出入口的對講主機、電控鎖、閉門器及用戶家中的可視對講分機通過專用網(wǎng)絡組成。以實現(xiàn)訪客與住戶對講，住戶可遙控開啟防盜門，各單元梯口訪客再通過視頻對講呼叫住戶，對方同意后方可進入樓內(nèi)，從而限制了非法人員的進入。同時，若住戶在家里發(fā)生搶劫或突發(fā)疾病，可通過該系統(tǒng)通知保安人員以得到及時的支援和處理。當住戶外出

13、時，訪客可以通過語音留言，住戶回來時對講可以提醒并告知住戶。1.2 近年來國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 樓宇對講系統(tǒng)從上個世紀90年代興起于日本和歐美，在歐美國家、香港、臺灣等地區(qū)已經(jīng)采用了近20年，國外的可視對講產(chǎn)品主要有韓國和日本品牌。從1992年起，國外的樓宇產(chǎn)品制造商，陸續(xù)到中國大陸開拓市場。樓宇對講產(chǎn)品最早進入國內(nèi)市場的單戶型與單元型樓宇對講產(chǎn)品，并且功能比較單一，只能簡單實現(xiàn)訪客系統(tǒng)的基本功能。自從2000年以來，有實力的生產(chǎn)廠家集中開發(fā)聯(lián)網(wǎng)型樓宇智能產(chǎn)品，樓宇智能系統(tǒng)的集成度越老越高，首先實現(xiàn)了多門口機與多管理機系統(tǒng)，接著集成了安防報警、小區(qū)服務及信息發(fā)布等功能，另外還有一些廠家還集成了三表遠

14、抄、監(jiān)控以及巡更等系統(tǒng)，產(chǎn)品的性能也有進一步提高。對講系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、+信息化以及智能化樓宇監(jiān)控是今后發(fā)展方向。 當前采用的可視對講系統(tǒng)是通過遙控攝像機及輔助設備（如鏡頭、云臺等）直接監(jiān)看被監(jiān)控場所的情況，把被監(jiān)控場所的圖像和聲音傳送到監(jiān)控中心，用長時間錄像機將圖像記錄到存儲介質(zhì)上，為突發(fā)時間的及時反應和以后的處理提供了方便條件和重要依據(jù)。隨著可視對講產(chǎn)品成本的進一步降低、市場繼續(xù)擴大、新技術的不斷引入，可視對講產(chǎn)品的功能日趨多元化。如門口機模塊中引入圖像識別技術、指紋識別技術使系統(tǒng)更加人性化；采用音頻和視頻數(shù)字化技術、ARM嵌入式技術可以使系統(tǒng)直接接入寬帶網(wǎng)絡；采用藍牙技術可以實現(xiàn)免布

15、線的無線樓宇對講系統(tǒng)登網(wǎng)。目前，規(guī)模較大的生產(chǎn)廠家在銷售、工程安裝、服務方面的成本居高不下，然而隨著產(chǎn)品的日趨標準化，工程安裝、服務方面的成本居高不下，然而隨著產(chǎn)品的日趨標準化，工程安裝服務社會化，產(chǎn)品成本也會逐步降低?？傊?，樓宇可視對講產(chǎn)品的發(fā)展已經(jīng)到了一個全新的階段，但是還有很多方面還不很成熟，未來樓宇可視對講產(chǎn)品將向新的高度發(fā)展。1.3 樓宇可視對講系統(tǒng)設計要求目前國內(nèi)已經(jīng)有很多可視門鈴方面的產(chǎn)品，主流產(chǎn)品是有線方式，單向語音且模擬。相對于無線通信，有線通信具有以下特點：抗干擾能力強、信號傳輸穩(wěn)定、信道容量大。通過有線可以較好的解決語音及視頻信號在傳輸過程中的失真問題。隨著當前人們生活水

16、平的大幅度提高，人們對于居住環(huán)境的安全、方便提出了越來越高的要求，從追求簡單的生存空間向著追求數(shù)量、質(zhì)量、功能、服務等多重需求過渡。為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種要求，采用有線方式傳輸，通過信號調(diào)制與解調(diào)來實現(xiàn)數(shù)字傳輸。本文設計了一種基于嵌入式的STM32F103的一種新型的樓宇可視對講系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，闡述了該系統(tǒng)的總體結構和工作原理，并對其中的數(shù)字通信、圖像信息的處理、有線傳輸以及智能模塊的各種控制等關鍵技術進行了詳細的設計和實現(xiàn)。本系統(tǒng)總體結構主要分為門口機和室內(nèi)機兩個部分，門口機和室內(nèi)機分別包括不同的模塊，而每個模塊由不同的組件和外圍電路組成。其中門口機和室內(nèi)機都是基于STM32F103為處

17、理器，通過處理器控制門口機和室內(nèi)機的各個模塊的組件及其外圍電路的控制。 主要原理是通過處理器控制各個模塊來實現(xiàn)可視對講系統(tǒng)的基本功能。然后通過處理器利用軟件控制各個分模塊來完成。在各個模塊完成各自功能得過程中，處理器主要完成的是對模塊的軟件控制?？刂聘鱾€模塊模擬與數(shù)字信號的變化，控制各個模塊之間的銜接和完成訪問的先后順序。通過控制各個模塊在訪問的過程中的室內(nèi)機和門口機之間的相互通信。本系統(tǒng)為全數(shù)字化可視對講系統(tǒng)，音視頻信號經(jīng)過采集之后變換成數(shù)字信號進行傳輸。首先是視頻信號，為單向傳輸。在室外，視頻模擬信號經(jīng)過攝像頭的采集和處理，通過主控芯片對其軟件編程，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變和視頻信號的

18、編解碼。主控芯片通過同軸電纜以基帶傳輸?shù)姆绞桨研盘杺魉偷绞覂?nèi)機，室內(nèi)機把圖像信號輸送到顯示屏上顯示。其余的信號包括音頻信號和控制信號，均為雙向傳輸。在室內(nèi)，模擬語音信號經(jīng)過語音芯片的處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以及控制操作經(jīng)過處理器的處理轉(zhuǎn)換為相應的控制信號(監(jiān)視、摘掛機及開鎖信號)，經(jīng)過的處理和打包，再通過通信線傳輸，傳送到室內(nèi)控制模塊把信號經(jīng)過處理和解壓之后傳給室內(nèi)機。 本系統(tǒng)設計要求主要要遵循以下幾個原則：（1）實用性和先進性：所設計的智能化對講系統(tǒng)應該在體現(xiàn)實用的原則下，盡可能的采用先進的技術和方法，力求物盡其用，不虛設浪費。（2）可靠性和穩(wěn)定性：考慮技術先進的同時，應確保系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運行。（

19、3）可擴展性和易維護性：為了適應用戶要求，必須充分考慮系統(tǒng)的升級能力和擴展能力。同時系統(tǒng)應便于維護，盡可能的降低系統(tǒng)的運行和維護費用。（4） 具有高性能價格比，能夠做到物有所值，追求物超所值。預期目標：能夠在保持語音通話的質(zhì)量和穩(wěn)定度。在視頻方面，保持視頻通話的流暢性和清晰度。具有檢測報警和語音留言等功能。其中在無人到來的時候，攝像頭處于低功耗待機狀態(tài)。當檢測有人到來時，自動開啟攝像頭模塊，并準備進行視頻通話。當主人不在家時，可以通過語音或者視頻來留影、留言。第二章 樓宇可視對講系統(tǒng)方案的總體論證 2.1 樓宇可視對講系統(tǒng)的功能及分析 樓宇點對點可視對講系統(tǒng)是以可視對講為基礎，從基本需求出發(fā)，

20、形成的方便、快捷的可視對講系統(tǒng)。其中樓宇點對點可視對講系統(tǒng)是為了滿足人們對于安全、舒適的生活作為出發(fā)點。特別是為了日常的溝通和交流方便，應滿足一些基本功能。從系統(tǒng)設計的角度出發(fā)：系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。從系統(tǒng)總體上分為室內(nèi)機和門口機兩個部分。從系統(tǒng)功能上劃分為：呼叫對講功能、視頻通話功能、語音留言功能、電機控制開鎖功能等等。為了滿足社會需要還會添加防盜報警功能、緊急救助功能等等。從系統(tǒng)信號上分析分為：模擬信號和數(shù)字信號兩大類。為了滿足以上功能的實現(xiàn)，需要系統(tǒng)設計一些模塊來支撐。為了達到語音對講功能則需要語音模塊。視頻對講則需要視頻模塊，還有就是當來訪者訪問室內(nèi)用戶需要鍵盤及顯示模塊。這幾個

21、模塊為最基本的模塊，也是樓宇點對點可視對講系統(tǒng)中的重要模塊。樓宇點對點可視對講系統(tǒng)的其他的功能也就是在這兩者基礎上加上一些放大模塊和控制部件，再和控制器進行連接，對控制器進行編程，即可實現(xiàn)以上功能。然而在實際的過程中，各個模塊存在一定的聯(lián)系。如在來訪者訪問室內(nèi)用戶時，應先通過摘掛機模塊向室內(nèi)用戶發(fā)出信號，即通過信號變換和控制器之后，轉(zhuǎn)換為電信號，即門鈴。這時，如果室內(nèi)用戶在家即可按下應答，即可開啟語音模塊和視頻模塊，由于視頻是單向，即室內(nèi)用戶可以看到來訪者，來訪者看不到室內(nèi)用戶。如果不在家，即可通過語音和視頻留影留言。這樣方便室內(nèi)用戶能夠及時掌握來訪者的信息。在這過程中，首先是用戶通過鍵盤模塊

22、向室內(nèi)用戶申請訪問，用戶應答，通過語音及視頻模塊來實現(xiàn)對講，再通過顯示模塊顯示來訪者的摸樣。最后再通過鍵盤結束訪問。通過下面的2.1.1圖可以清楚的看到來訪者訪問室內(nèi)用戶的全部過程。圖2.1.1為來訪者訪問的流程圖通過上圖可以清晰的了解來訪者訪問的全部過程，而通過圖2.1.2為點對點樓宇對講系統(tǒng)的基本結構，可以清晰的了解室內(nèi)機和室外機的相互聯(lián)系。以及室內(nèi)機是如何相互溝通的。通過兩個圖相互補充可以了解室外機是如何室內(nèi)機聯(lián)系以及來訪者是如何訪問的。本設計以此圖為基礎，下面將詳細介紹系統(tǒng)工作原理以及單元電路的設計。圖2.1.2樓宇點對點對講系統(tǒng)的基本結構 在分析完室內(nèi)機與室外機之間的聯(lián)系和來訪者如何

23、訪問室內(nèi)用戶之后，再分析一下系統(tǒng)信號的變換過程。系統(tǒng)主要包括音頻信號和視頻信號兩個部分，在音頻模塊中，當收到控制器的信號后，門口機開啟音頻模塊。即采集音頻信號，這時采集的是模擬信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和外圍輔助電路的設計，完成從模擬信號到數(shù)字信號的變換。再通過控制器處理后，經(jīng)室內(nèi)機里的音頻模塊和其外圍電路的變換為模擬信號。而視頻信號和音頻信號有區(qū)別，其完成A/D和D/A主要是通過軟件編程控制視頻模塊來實現(xiàn)。采用算法對信號進行壓縮和編解碼。音頻和視頻信號的變換過程如圖2.3所示: 圖2.1.3為系統(tǒng)信號的變換過程2.2 無線系統(tǒng)與有線系統(tǒng)的選擇 有線系統(tǒng)就是系統(tǒng)所需要的所有零部件都是用看的見的電線進

24、行連接的，這種方式比較簡便，雖然在連接時的工作量比較大，但是其工作性能比較可靠、穩(wěn)定，適合應用于點對點及中小型電路。所以選擇有線系統(tǒng)。無線系統(tǒng)就是不用電線的連接，主要靠的是無線的發(fā)射和接收裝置進行信號的傳輸。這種設計安裝和拆卸都很簡單，在設計上也比有線的復雜些，但是無線最大的問題就是很容易受到外界的電磁波干擾，造成信號不穩(wěn)定。2.3樓宇可視對講系統(tǒng)信號的傳輸方式 在系統(tǒng)設計過程中，有兩個重要的信號需要傳輸。其分別是語音信號和視頻信號。對于其他的報警信號、門機控制信號只需經(jīng)過處理器的處理即可。而語音信號和視頻信號作為本系統(tǒng)最重要的兩個信號，其傳輸?shù)姆绞?需要考慮系統(tǒng)特點以及要求等等。 首先，音頻

25、信號傳輸方式。音頻信號傳輸方式，通常分為三種：音頻不作任何改變的基帶傳輸方式；通過調(diào)頻或者調(diào)幅傳輸方式；把音頻信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號的音頻信號的數(shù)字化傳輸方式。 1、音頻不作任何改變的傳輸方式：由于音頻信號不需要轉(zhuǎn)為其它的傳輸方式，所以，音頻信號的電路簡單，制造成本低，被現(xiàn)在樓宇對講系統(tǒng)所普遍采用，但其缺點是：傳輸距離短，一旦受到外界干擾而不容易消除，需要獨立的音頻信號傳輸線。 2、通過調(diào)頻或者調(diào)幅把音頻信號轉(zhuǎn)換成射頻信號的傳輸方式：此種方式被廣泛用在廣播和電視的音頻信號傳輸中，其特點是：音頻信號傳輸距離遠，使用調(diào)頻方式傳輸?shù)囊纛l信號抗干擾能力強，價格相對比第一種方式要高，但可以同時傳輸多路調(diào)制的

26、音頻信號。 3、把音頻信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號的音頻信號的數(shù)字化傳輸方式：此種傳輸方式是把音頻信號完全轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其音頻信號的質(zhì)量取決于音頻信號的采集精度，采集精度越高，數(shù)據(jù)量越大。數(shù)字信號在傳輸過程中，不會有任何丟失。但在實際運用中，由于數(shù)字音頻信號數(shù)據(jù)量相對較少，在一條線中可以傳輸多路數(shù)字語音信號，或者可同時傳輸其它的數(shù)據(jù)或圖像信號。 根據(jù)以上三種傳輸方式的特點，本系統(tǒng)選擇是第三種傳輸方式，其理由是：本系統(tǒng)要求的是全數(shù)字樓宇對講系統(tǒng)，故其音頻信號需為數(shù)字信號傳輸。數(shù)字信號數(shù)據(jù)量較小，且在傳輸過程中不存在信號的丟失。 其次，視頻信號的傳輸方式，通常可分為以下幾種：視頻信號的基帶傳輸方式；把視頻

27、信號調(diào)制成射頻信號的傳輸方式；視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的傳輸方式。 1、視頻信號的基帶傳輸方式： 這種視頻傳輸方式對攝像頭出來的圖像不作任何的處理，直接通過同軸電纜傳輸，其特點是：視頻信號不作任何改變，省略了視頻信號轉(zhuǎn)換電路，降低了相關設備的生產(chǎn)成本，缺點是信號傳輸距離短，雖經(jīng)放大，但其傳輸距離一般不超過1KM，基帶傳輸?shù)囊曨l信號一旦受到干擾，就難以消除。 2、把視頻信號調(diào)制成射頻信號的傳輸方式 此種傳輸方式把視頻信號轉(zhuǎn)換成射頻信號，經(jīng)放大后，使用同軸電纜最遠距離可達5KM，但其傳輸設備需要相關的調(diào)制和解調(diào)電路，成本較高。 3、視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的傳輸方式 這種視頻傳輸方式是視頻信號的數(shù)字化

28、傳輸，但由于視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號時，數(shù)據(jù)量過大，相關轉(zhuǎn)換設備成本過高。本系統(tǒng)選擇是第一種傳輸方式，即通過攝像頭把圖像采集之后，通過同軸電纜傳輸。中間有處理器控制。這種傳輸方式被現(xiàn)在的樓宇對講系統(tǒng)普遍采用。第二種傳輸方式由于采用射頻信號傳輸以及較多的調(diào)制和解調(diào)電路，成本較高，被廣泛用于電視信號的傳輸。而第三種傳輸方式把視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，存在數(shù)據(jù)量大、信號處理復雜等，一般情況下不采用。 綜合以上，本系統(tǒng)兩種信號采用的傳輸方式為：音頻傳輸采用把音頻信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號的音頻信號的數(shù)字化傳輸方式。而視頻傳輸則采用視頻信號的基帶傳輸方式。2.4樓宇可視對講系統(tǒng)方案設計 根據(jù)系統(tǒng)的功能分析，以及信號

29、傳輸方式的選擇可以確定系統(tǒng)的基本結構圖。通過結構圖來確定室內(nèi)機和門口機的各自功能以及互相的通信方式。 該系統(tǒng)【2】由兩部分組成：室內(nèi)機部分和門口機部分。室內(nèi)機結構圖其主要由室內(nèi)機控制器、顯示設備、通話設備、門鈴和報警、開鎖等控制信號輸入鍵組成。室內(nèi)機控制器的作用與門口機控制器作用類似，顯示設備用于顯示門口視頻，戶主可根據(jù)不同的情況選擇不同的控制按鍵。室內(nèi)控制器的主要功能就是當有來訪者訪問時，通過處理器與室外機建立聯(lián)系，并通過按鍵來控制室外機。室內(nèi)機結構圖如圖2.4.1所示： 圖2.4.1室內(nèi)機結構設計 門口機結構圖如圖2.4.2示，其主要包括：門口機控制器、鍵盤、攝像頭、喇叭、麥克、報警裝置等

30、幾部分。該系統(tǒng)中視頻信號為單向傳輸，在室內(nèi)可以觀察到門口的情況，在門口無法查看室內(nèi)情況，所以門口機接收到的信號中沒有視頻信號；鍵盤用于輸人房間號；攝像頭用于捕捉門口視頻信號；喇叭和麥克用于戶主和訪客進行語音交流；報警裝置用于當戶主遇到特殊情況時報警。圖2.4.2室外機結構設計第三章 樓宇可視對講系統(tǒng)硬件電路設計3.1可視對講系統(tǒng)處理器的選擇在設計可視對講系統(tǒng)的過程中，基本模塊的的運行，需要處理器去控制。而處理器作為本系統(tǒng)的重要組成部分，在選擇處理器上必須從信號的分析入手，綜合考慮功耗、后期升級、處理速度等各個方面。最后確定控制器的類型及型號。本系統(tǒng)選擇的處理器是STM32F103，下面將介紹S

31、TM32F1035的一些情況及作為處理器的一些說明。1、 信號分析：由于在信號采集中有兩種信號分別為音頻信號和視頻信號。對于音頻信號，其中語音信號的采樣頻率為16bit/s，這就要求處理器的處理頻率較高。當語音模塊處理完之后，還要將語音信號送到室內(nèi)機，這就要求處理機自帶ADC。而視頻信號則需要高速的圖像編碼和解碼功能，需要處理器具有高速的處理功能。視頻信號的采集頻率為30幀/s,則需要時鐘頻率達到24MHZ，所以當在處理圖像信號時，處理器必須具有高速的處理能力。而STM32F103具有最高72MHZ工作頻率，在存儲器的0的等待周期訪問時可達1.25DMisp的能力。而STM32F103采用的T

32、humb指令集架構的子集，包括了所有的16位和32位的Thumb.2基本指令。同時采用哈佛處理器結構，在取指的同時可以讀取/存儲數(shù)據(jù)。2、 低功耗和節(jié)能：當室外機無來訪者訪問的時候，室外機應處于休眠省電狀態(tài)而不會影響喚醒后的正常運行。而當室外機有來訪者訪問的時候應迅速從低功耗狀態(tài)脫離。STM32F103具有2.0V到3.6V的工作電壓范圍兼容主流的電池技術，如鋰電池和鎳氫電池，封裝還設有一個電池工作模式專用引腳Vbat。以72MHz頻率從閃存執(zhí)行代碼，僅消耗 27mA電流。低功耗模式共有四種，可將電流消耗降至兩微安。從低功耗模式快速啟動也同樣節(jié)省電能；啟動電路使用STM32內(nèi)部生成的8MHz信

33、號，將微控制器從停止模式喚醒用時小于6微秒。從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當于0.5mA/MHz。3、 可靠的復位電路和多種時鐘選擇：上電復位和掉電鎖定功能，確保芯片只在電壓規(guī)定的范圍內(nèi)運行，如果芯片誤操作和偏離正常運行，看門狗定時器就會復位。STM32F103有3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入，還有1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器 ，有2個看門狗定時器（獨立的和窗口型的）以及系統(tǒng)時間定時器：24位自減型計數(shù)器 。通過以上定時器不僅可以確保程序正常運行

34、，而且可以保證編程資源的豐富性。4、 寬電壓供電：STM32F103系列芯片可以工作在寬的電壓范圍內(nèi)，從2V到5V，特別適用于電池供電的場合，可以容忍的I/O管腳。5、 存儲器：語音和視頻信號的同時輸入，需要不斷訪問存儲器。這就需要存儲器有大的空間。而STM32F103擁有從64K或者128K字節(jié)的閃存程序存儲器和高達20K字節(jié)的SRAM。6、 多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)：STM32F103擁有2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和1us轉(zhuǎn)換時間（多達16個輸入通道）。轉(zhuǎn)換范圍在：0至3.6V。具有雙采樣和保持功能?？梢猿浞值谋ＷC快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。此外，STM32F103還有26/37/51/80個I/O口，所

35、有I/O口一顆映像到16個外部中斷；幾乎所有的端口均可容忍5V信號。還有CAN總線、USB、9個通信口等等。通過以上條件的分析，STM32F103基本上滿足系統(tǒng)設計需求，并且還留有一定的裕量，作為后期的技術升級。選擇STM32F103可以充分達到設計所需的硬件要求。3.2 可視對講系統(tǒng)流程圖設計在設計其他的模塊之前，需要對系統(tǒng)的整個工作流程有一個大致的了解。通過對系統(tǒng)工作過程的了解來確定系統(tǒng)的工作模塊以及分析系統(tǒng)各個模塊的聯(lián)系。本系統(tǒng)分為門口機和室內(nèi)機兩個部分。通過門口機和室內(nèi)機流程圖可以看到訪問系統(tǒng)的全過程。下面分別為門口機和室內(nèi)機的流程圖：圖3.2.1為門口機工作流程圖圖3.2.2為室內(nèi)機

36、工作流程圖 通過門口機和室內(nèi)機的流程圖可以看到系統(tǒng)工作的整個流程。訪問者通過鍵盤向室內(nèi)用戶申請訪問，鍵盤通過掃描之后，由控制器控制發(fā)送ID信號與室內(nèi)機進行匹對，如相同，則確定訪問室內(nèi)用戶。室內(nèi)用戶通過控制器發(fā)送“答應”信號。這時，控制器控制開啟攝像頭，室內(nèi)用戶通過顯示模塊可以看到來訪者的摸樣，通過確認之后，雙方可以通過語音對講，對講完之后。室內(nèi)用戶可以通過控制器控制電機開門。最后摘掛機之后，完成整個訪問過程。在這過程之中，系統(tǒng)分別展示了各個模塊的功能和作用，以及在系統(tǒng)的流程圖的順序。通過流程圖可以知道系統(tǒng)分別需要以下模塊：鍵盤、呼叫及摘掛機模塊、視頻模塊、語音對講模塊、視頻顯示模塊、電機開鎖模

37、塊等。通過流程圖還可以確定設計各個模塊的順序。3.3可視對講系統(tǒng)鍵盤設計在樓宇對講中，鍵盤作為來訪者訪問室內(nèi)用戶的首要步驟，當來訪者通過按鍵按下鍵盤，系統(tǒng)通過鍵盤掃描，確定鍵盤的按下的按鍵，再通過處理器的處理，送到顯示模塊顯示。在鍵盤設計過程中要考慮鍵盤的一些特性和鍵盤的一些功能設計。首先在鍵盤的設計上分為矩陣式鍵盤和獨立式鍵盤。其中，獨立式鍵盤特點是所有的鍵盤共地。即當有鍵按下時，即被拉為低電平，掃描檢測到信號。而矩陣式鍵盤和獨立式鍵盤不同，其在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，可以減少對I/O口的占用。其通過來回掃描的方式，來檢測鍵盤的按下。在鍵盤設計過程中，還要考慮按鍵的抖動及連擊等。1、鍵抖動及消

38、除鍵盤按鍵一般都采用觸點式按鍵開關。當按鍵被按下或釋放時，按鍵觸點的彈性會產(chǎn)生一抖動現(xiàn)象。即當按鍵按下時，觸點不會迅速可靠地接通，當按鍵釋放時，觸點也不會立即斷開，而是要經(jīng)過一段時間的抖動才能穩(wěn)定下來，抖動時間視按鍵材料的不同一般在5ms10ms之間。 鍵抖動可能導致計算機將一次按鍵操作識別為多次操作，為克服這種由鍵抖動所致的誤判，本設計采用軟件延時法，這樣可以簡化硬件設計。軟件延時法即：當判定按鍵按下時，用軟件延時10ms20ms,等待鍵穩(wěn)定后重新再判斷一次，以躲過觸點抖動期。2、鍵連擊的處理當我們按下某鍵時，對應的功能便會通過鍵盤分析程序得以執(zhí)行。如果在操作者釋放鍵之前，對應的功能得以多次

39、執(zhí)行，如同操作者在不斷操作一樣，這種現(xiàn)象就稱為連擊。連擊現(xiàn)象軟件方法來解決，當某鍵被按下時，首先進行軟件去抖動處理，確認鍵被近下后，便執(zhí)行對應的功能，執(zhí)行完后不是立即返回，而是等待鍵釋放之后再返回，從而使一次按鍵只被響應一次，避免連擊現(xiàn)象。除了考慮以上內(nèi)容以外，還要考慮鍵盤數(shù)字鍵和功能鍵的設計。下圖為鍵盤列表圖： 表3.3.1鍵盤功能列表1 234567890呼叫掛機群呼監(jiān)控取消確認以上為鍵盤設計的方法和鍵盤功能的展示。鍵盤作為訪問室內(nèi)用戶的渠道，鍵盤的設計及軟件部分的控制顯得尤為重要。特別是軟件部分的控制，是鍵盤控制的關鍵之所在。下圖為鍵盤模塊的原理圖：圖3.3.2為鍵盤模塊的原理圖本設計中

40、鍵盤的工作原理：本次設計鍵盤工作的查詢方式，矩陣式鍵盤的查詢工作原理如下：如圖3.2.6.1所示，4列線，4行線。列線通過上拉電阻連接到電源上；因此當無鍵按下時，各列線均為高電平。當行線有低電平輸出時，表明有鍵按下，相應的列線上會出現(xiàn)低電平。根據(jù)此原理，CPU對整個鍵盤進行掃描。所謂掃描，即CPU不斷輪流對行線置低電平，然后檢查列線輸入狀態(tài)，確定按鍵情況。在確定有鍵按下后，先把第一條行線置為低電平、其余的行線置為高電平，再讀入相應的值。若第一條行線為低， 若出現(xiàn)為：0111、1011、1101、1110。則分別表示對應的鍵按下。若全1，則證明按下的鍵不在該行，應進行下一行的掃描。下一行掃描時，

41、判斷方法同前。掃描鍵盤的時間很短，僅為幾微秒，而按一次鍵至少需要幾十毫秒，所以只要有鍵按下，就可以馬上判斷出是哪個鍵被按下，從而很快執(zhí)行相應的功能。上述為鍵盤工作原理的介紹，其訪問室內(nèi)機的過程以及鍵盤的抖動及消除和鍵盤的連擊都由軟件進行處理控制。3.4 可視對講系統(tǒng)呼叫及摘掛機檢測模塊設計在來訪者訪問室內(nèi)用戶時，首先是通過鍵盤訪問室內(nèi)用戶。這其中需要經(jīng)過信號的檢測和語音的呼叫，故其需要呼叫及摘掛機模塊。呼叫檢測模塊由圖中的D3、R10、R11、C16、Q3及STM32F103的PE1腳及其上的上拉電阻R11構成。當來訪者按下門鈴開關，由CN的7腳的HJ線傳來的門鈴呼叫信號一路經(jīng)揚聲器發(fā)出門鈴呼

42、叫聲，另一路經(jīng)過D3反向截止，R10與C16組成的充放電電路，由R11驅(qū)動三極管Q3導通，使STM32F103得PE1腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑瓿珊艚袡z測。另一端，S1連接著語音模塊，當完成呼叫檢測之后，通過按下S1按鍵即可實現(xiàn)語音通話。在圖中，由于9014的飽和電流為5mA，當電源接上10K的電阻，即。即小于飽和電流。R10和R11為Q3提供偏置電壓。 圖3.4.1呼叫檢測模塊圖 由圖3.4.2可知，以及下圖的壓鍵開關、STM32F103的PE2及其上拉電阻R13構成摘掛機檢測模塊，當主人摘機后壓鍵開關轉(zhuǎn)換狀態(tài)，摘掛機模塊主要由處理器控制PE2引腳，控制開關接通或者接地，來完成PE2腳的電平由

43、高變低，完成摘機檢測。反之，完成掛機檢測。 圖3.4.2摘掛機檢測模塊圖 通過摘掛機檢測模塊圖可知，其中5V電壓接1K的限流電阻，可以通過限流電阻保證電流的在IO口的范圍之內(nèi)，10uF的電容為復位電容。摘掛機模塊主要是通過AIO來控制開關是接地還是處于高電平。再向處理器的PE2引腳發(fā)送信號，處理器通過軟件完成摘掛機的過程。摘掛機模塊的主要功能：當來訪者進行訪問的時候，需經(jīng)過摘掛機模塊向室內(nèi)機提出訪問。當室內(nèi)機答應請求，即通過控制器件向摘掛機模塊發(fā)出信號。這時雙方可以進行通話。然后通話結束，同樣也是通過摘掛機模塊完成。3.5可視對講系統(tǒng)視頻模塊的設計本系統(tǒng)采用的是視頻對講，這就需要視頻模塊作為支

44、撐。視頻模塊則以采集視頻信號為主，視頻由于存在信息量大，以及壓縮編解碼等過程。為了保證采集所需的信號具有清晰、以及信號編程可壓縮等特點，需要視頻模塊采集幀率達到30幀/秒，信噪比低等特點。根據(jù)系統(tǒng)設計要求和傳輸方式知，視頻模塊具有A/D轉(zhuǎn)換功能、圖像壓縮及編解碼功能。為了確保通話中不出現(xiàn)遲鈍、黑屏等現(xiàn)象，需要傳感器每秒采集圖像的幀數(shù)較高。通過視頻模塊采集之后，直接由同軸電纜傳輸?shù)绞覂?nèi)機，中間有處理器控制。其中在圖像傳輸過程中，通信方式采用的是FSK（頻移鍵控）方式。本系統(tǒng)選擇的OV7670。其內(nèi)部含有軟件控制的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理以及圖像縮放等功能。OV7670是CAMERCHIP圖像傳感

45、器，具有體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影響數(shù)據(jù)。OV7670的VGA圖像最高可達到30幀/秒，當圖像達到30幀/秒時，處理器的頻率需要達到24MHZ。OV7670的信噪比為46dB，動態(tài)范圍為52dB。具有自動增益控制和鏡頭失光補償?shù)裙δ?。根?jù)OV7670的時序圖，采集一幀數(shù)據(jù)需要5個時鐘周期，30幀數(shù)據(jù)則需要150個時鐘周期。由于OV7670的輸入時鐘頻率為24Mhz，故采集30幀數(shù)據(jù)所需時間為6.25us。 圖3.5.1為OV7670的管腳圖上圖3.5.1為OV7670的引腳圖，首先，

46、通過控制器選中OV7670的片選引腳HREF，這時OV7670處于選中狀態(tài)。然后控制SIOD和SIOC兩個引腳采集視頻信號，這時的視頻信號是模擬信號，由于視頻信號較大，把信號暫時存放在OV7670的存貯器。在采集信號的同時，控制器控制行同步和幀同步以及閃光燈的控制輸出。然后通過內(nèi)部增益控制之后，送到內(nèi)部模擬信號處理轉(zhuǎn)換成RGB三種顏色，通過內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字信號。通過內(nèi)部的DSP和FIFO處理之后，輸出數(shù)字視頻信號。最終通過同軸電纜的基帶傳輸方式傳送到視頻顯示模塊顯示。由于視頻信號存在信息量大、編解碼等過程。為了保證信號在同軸電纜傳輸?shù)目煽啃?，在OV7670采集完信號之后，加了一個74

47、HC00的邏輯控制器和一個AL422B的FIFO的存儲芯片。通過AL422B的緩存處理之后，保證視頻模塊傳給控制芯片數(shù)據(jù)的速率。 根據(jù)上述參數(shù)說明，和信號在OV7670的變換過程，可以知道OV7670完全可以滿足系統(tǒng)的設計要求，具有低功耗、信噪比低、以及鏡頭失光補償?shù)纫幌盗刑攸c，可以充分滿足設計的需要。3.6可視對講系統(tǒng)音頻模塊的設計 在樓宇可視對講系統(tǒng)中，最基本的功能就是語音功能。語音功能則需要語音模塊來實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)的設計要求和傳輸方式，在選擇語音芯片的時需要同時考慮芯片的性價比高、通話清晰且穩(wěn)定、外圍電路簡單等一些特點。還需考慮語音的還原程度和量化噪聲的的干擾。本系統(tǒng)采用的是ISD400

48、2，來訪者先通過摘掛機模塊向室內(nèi)用戶申請訪問，當室內(nèi)用戶發(fā)出應答信號之后，即通過控制器向ISD4002發(fā)出信號，ISD4002采集完信號之后，再通過放大、濾波等一系列內(nèi)容后，送到處理器，然后通過處理器完成一系列的過程。 ISD4002采用了2.7V3.3V單片語音錄放電路，錄放時間長、高質(zhì)量的、自然的語音還原技術。其采樣頻率為8Khz，典型帶寬為3.4Khz。工作電流為25.30mA，維持電流為1uA，具有自動降噪技術等功能。通過采樣頻率可以知道其采取數(shù)據(jù)的頻率完全在處理器芯片之下。工作電流較低，可以減少系統(tǒng)的功耗。圖3.6.1為音頻模塊原理圖 由圖3.6.1所示，圖中Vccd和VccA分別為

49、芯片的模擬和數(shù)字電路使用的電源總線。通過C14和C17的電容耦合和濾波可以消除電源帶來的干擾。Vssa和Vssd為芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路的地線。ANAIN+和ANAIN.為ISD4002的同相和反相輸入端，輸入端可以差分驅(qū)動。 通過對ISD4002引腳的介紹，可以知道當控制器通過向ISD4002的片選端SS發(fā)送低電平信號，即可以選中ISD4002。這時信號為模擬信號，然后再利用同向模擬輸入和反向模擬輸入，去采集信號，通過串行輸入端，控制信號的存儲。存儲的信號為數(shù)字信號。通過信號引腳SCLK為控制信號的存儲位置，SCLK為當信號采集之后，當處理器給高電平時，數(shù)據(jù)所存。當處理器給低電平時，數(shù)據(jù)傳

50、送給處理器。 通過以上引腳的介紹，可以知道ISD4002通過音頻采集，再通過SPI協(xié)議與STM32F103進行通信，通過微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降動作，因此對ISD4002而言，在時鐘止升沿鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳，協(xié)議步驟：所有串行數(shù)據(jù)傳輸開始于SS下降沿，SS在傳輸期間必須保持為低電平，在兩條指令之間則保持高電平。數(shù)據(jù)在時鐘上升沿移入，在下降沿移出。SS變低，輸入指令和地址后，ISD才能開始錄放工作。3.7可視對講系統(tǒng)中音頻信號放大處理模塊設計 音頻信號在傳輸過程中存在衰減的過程。為了保持信號的清晰和穩(wěn)定，為此需設計輸入音頻信號的放大模塊。即在

51、ISD4002采集完信號之后，把信號送到放大模塊，通過放大模塊放大，來保證信號的穩(wěn)定。為了設計簡單，可以選用通用的集成運算放大器來設計，但所需外圍器件較多，并且音頻放大效果不理想。為此選用具有所需外圍器件少，工作電壓為4V12V，低電壓和低功率等特點的專用音頻集成功率放大器LM386，并且采用放大倍數(shù)為20倍的典型接法。如圖3.2.4所示，C1從IN.端口取出輸入音頻信號經(jīng)C4和R1濾波后，由LM386的3腳輸入，經(jīng)過20倍放大后由5腳輸出，再經(jīng)C5和R2濾波后，由C3進行耦合，諧波失真小的平膜動圈式耳機發(fā)聲，完成通話動作。在耳機兩邊加上100uF的電容可以濾除電路帶給耳機的雜波干擾。圖3.7

52、.1為LM386的外圍電路圖3.8可視對講系統(tǒng)的顯示設計由于本系統(tǒng)可視對講為單向可見，即室內(nèi)可見。視頻模塊在采取的是視頻信號之后，通過STM32F103控制，再經(jīng)同軸電纜傳輸，由顯示器上顯示。而在呼叫模塊中，也會存在呼叫顯示等等，這時需要數(shù)碼管進行顯示。本系統(tǒng)視頻模塊顯示采用的是TFT液晶顯示模塊。先通過OV7670的采集，然后再通過STM32F103的控制，最后在LCD液晶模塊上顯示。下圖為LCD液晶顯示模塊的管腳圖： 圖3.8.1為TFT的引腳圖 下面將介紹信號在LCD模塊的變換過程：首先，處理器選中LCD的片選信號端LCD_CS，這時TFT液晶模塊可以接收信號，然后再通過LCD_WR和L

53、CD_RD兩個引腳來讀取信號，通過控制器由控制同軸電纜向LCD模塊傳送到視頻信號。通過視頻模塊內(nèi)部的寄存器配置在屏幕上顯示視頻圖像。在圖中可以看到5V的電源接了一個104的電容，是為了濾除電源中的雜波干擾。 通過以上引腳介紹，可以得知：在視頻模塊采集完圖像信號后，通過處理器控制片選引腳端，控制視頻模塊采集圖像信號，再通過LCD_RD可以從OV7670里面讀出圖像信號，16位雙向數(shù)據(jù)線可以與同軸電纜相連直接傳送數(shù)據(jù)。為了保證系統(tǒng)的低功耗，可以通過軟件編程控制當室內(nèi)用戶摘掛機同時LCD的顯示。用戶摘掛機之后，LCD隨后也處于待機狀態(tài)。3.9可視對講系統(tǒng)中的電磁門控鎖的控制 由于在可視對講系統(tǒng)中，室

54、內(nèi)機可以通過處理器控制電機開鎖。處理器控制的是電磁門的開關。采用開關控制的電磁門控鎖是感性負載，并且工作電壓是交流220V，額定電流是1A。設計中可以采用可控硅的無觸點和繼電器的有觸點控制兩種方式。從系統(tǒng)工作的長時間性和穩(wěn)定可靠性考慮，如果采用有觸點的交流繼電器控制，將有可能產(chǎn)生小火花并可能引起觸點氧化，嚴重時將引起不必要的控制出錯。從感性負載和經(jīng)驗考慮，如果采用分立的可控硅控制存在易損壞的情況，并需要額外考慮可控硅散熱問題。設計中最終考慮采用固態(tài)繼電器，使用固態(tài)繼電器雖然在成本上提高了一些，但是可靠性好并且基本上不需要維護，散熱問題也不需要考慮，在某種意義上又節(jié)省了成本。在選用交流固態(tài)繼電器

55、時，需要考慮電流的裕度，經(jīng)驗上講，對于阻性負載，實際上工作電流只能是固態(tài)繼電器額定電流的60%，對于感性負載，實際工作電流只能是額定電流的40%。固態(tài)繼電器的電流裕度越大，可靠性越好。另外，為了保護固態(tài)繼電器，在交流220V電源輸入端并聯(lián)壓敏電阻，當電壓峰值過高時，將自動短路輸入電源，從而保護內(nèi)部電路。本系統(tǒng)采用的是控制芯片控制電機來實現(xiàn)開鎖。固態(tài)繼電器輸出控制如圖3.9.1所示： 圖3.9.1固態(tài)繼電器輸出控制圖 通過上述分析和固態(tài)繼電器輸出控制圖可知，采用固態(tài)繼電器的控制電磁門開鎖。采用固態(tài)繼電器從成本角度出發(fā)，可以降低成本，提高性價比。從安全角度出發(fā)，基本上不用維護，而且可靠性好。 第四

56、章 系統(tǒng)的仿真和調(diào)試Proteus軟件具有仿真功能，可以通過Proteus畫出原理圖，加載程序到處理器，完成對實物的模擬仿真。由于受Proteus元件庫條件所限，本次仿真中并未給出全部仿真。根據(jù)電路的特性，本次仿真中給出了摘掛機模塊模擬電路的仿真。摘掛機模塊仿真圖如圖4.1所示。在仿真過程中通過向D1發(fā)送上升沿脈沖信號，使D1導通。R4和R3分別為三極管提供靜態(tài)工作電壓和穩(wěn)定電流。通過多次仿真測試，整個電路運行良好，并未出現(xiàn)二極管燒毀或揚聲器不響的狀況。圖4.1為摘掛機模塊仿真總結 經(jīng)過幾個月的不懈努力，系統(tǒng)理論上基本上達到預期的要求，得到如下結論： 1、 系統(tǒng)總體方案設計正確、可行。所設計的有線可視對講系統(tǒng)軟硬件部分的主要功能模塊可行，以微處理器為核心的系統(tǒng)具備強大的功能，完備的開發(fā)手