0 引言

　　视频图像智能监控[1]在安防领域越来越受到重视，在一些大范围的公共场所(如停车场、写字楼、学校等)。都设置了大量的图像采集区，用于安全监管，便于突发事件的报警。智能监控一般利用相关图像识别算法，提取图像特征来判断事件是否发生，不要求记录整个事件的过程。所以，如果每个摄像机都实时传输画面到终端，会大量使用传输线和接收设备，不但布线麻烦，而且成本很高。分时传输则可以用一台计算机和一根电缆对多个对象轮询进行监控管理，不但方便布线，而且大大降低了购买设备的成本。本文介绍一种实用的多路视频信号分时远距离传输方法，并已经应用在某大型地下停车场，实现每个车位的视频信号轮询采集传输，用于识别每辆车的车牌信息。分时传输方案也可应用于多传感器共用一个采集通道，解决电路规模较大的问题。

1 系统整体组成

　　硬件系统由一台计算机、若干摄像机、发射器、微控制器、电子开关、一个接收器和一个视频采集卡组成。系统框图如图1所示，摄像机输出的单端逐行倒相(Phase Alteration Line，PAL)制式视频信号经差分双绞线驱动器(发射器)转换成差分信号，但信号由于被电子开关关断，无法被传输。此时计算机通过485总线用微控制器控制每一个多输入多输出的电子开关，对差分信号分别进行通断，并在一条双绞线上分时传输某一路的视频信号，终端则由一个接收器把差分信号转换回单端PAL视频信号，之后送入视频采集卡处理，计算机通过读取采集卡内的数据，可获取摄像机的画面并进行分析。其中，微控制器选用STC公司的STC15F2K61S2单片机，发射器和接收器分别选用Intersil公司的先进、高速、低成本视频差分放大器EL5171、EL5172芯片，电子开关选择CMOS 4000系列的CD4066，选择带有BNC接口的摄像机。视频采集卡选购市面通用型号即可，视频采集卡的作用是将摄像机输出的模拟视频信号转换成计算机可识别的数字信号，输入计算机后成为可编辑的数据文件。传输线可以选用屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair，STP)。

2 硬件设计及实现

　　2.1 视频发射/接收电路设计

　　我国视频信号制式一般是PAL制式或NTSC制式[2]，其幅度(Vp-p)一般是0.9～1.2 V，场扫描频率为50 Hz，行扫描频率为15 625 Hz，另外还包含亮度等高频率细节信号，所以视频信号的标称视频带宽为6 MHz。单端信号受传输距离增大或混入干扰的影响，会造成幅度衰减或信号变形，在远距离传输时会出现画面不清晰甚至出现黑场的情况。所以，选择EL5171用作单端信号转换成平衡差分信号传输，以及用EL5172再将差分信号转换回单端信号的方式，可延长传输距离和抵抗部分传输干扰。该芯片对输入信号的最大带宽是250 MHz(-3 dB)。在±5 V供电方式下，最大输出电流可在90 mA，满足视频信号的转换和传输。通过调节反馈电阻网络还可以改变带宽和增益[3]，适用不同距离传输，保证信号质量最佳。视频信号转换电路如图2所示。

　　在可靠性设计方面，EL5171供电电源必须经过低频和高频信号滤波，使纹波尽可能小，保证转换质量。

　　2.2 电子开关电路设计

　　系统根据主控设备的命令要求实现多路视频信号的传输，因此电子开关电路的设计是非常关键的。信号通断可利用继电器或三极管分立元件电路实现，但由于继电器本身功耗大、工作频率低、触点寿命短等缺点，一般用于控制电机等大功率器件。三极管模拟电路对频率响应不易调节，容易造成信号丢失或失真。选择集成CMOS芯片可以实现快速准确的通断，CD4066是四双向模拟开关集成电路[4]，管脚图如图3(a)所示，控制端接高电平开关导通，接低电平截止，导通电阻在几十欧姆，断开电阻达100 MΩ。在选通状态下的频率带宽为40 MHz。在正负双电源供电下，可传输幅度不大于电源的模拟或数字信号。其具备功耗低、导通速度快、抗干扰能力强、无机械触点等特点，可以应用在视频信号通断的设计中。

　　用CD4066的前两路输入/输出传输平衡差分信号(1、4脚输入，2、3脚输出)，并把这两路的控制端(5脚、13脚)接在一起，控制端接入的高低电平和芯片的正负电源电平是一样的，是±5 V。用单片机I/O口控制光电耦合器实现CD4066控制端电平的切换，系统上电后，MCU初始化管脚是高电平，则光耦输出端默认是低电平-5 V，故所有的开关均处于关断状态；等接到开启命令后，MCU_CTRL管脚输出低电平，光耦工作，输出高电平+5 V，CD4066的前两路处于同时导通状态，视频信号可以通过。电路结构如图3(b)所示。

　　在可靠性设计方面，CD4066输入端加入双向钳位二极管(BAT54S)，防止输入端电压超过芯片电源电压损坏电子开关，如图3(b)。

　　2.3 微控制器通信电路设计

　　出于成本和应用环境考虑，通信电路采用半双工的485总线通信方式，选择MAX485作为通信芯片，遵循RS-485串行总线标准。

　　可靠性设计方面,MAX485使用隔离电源供电和光耦隔离，上电默认接收状态，输出AB线两侧加TVS(瞬态抑制二极管)保护防电压浪涌，AB线上加500 mA自恢复式保险丝防雷击短路。每隔300 m接入485中继器，增强信号。同时，避免和强电一起走线。

3 微控制器软件及通信协议设计

　　3.1 微控制器与PC通信协议设计

　　实现多路视频信号的传输，需制定微控制器与计算机的通信协议，协议中需要包含哪路视频信号的开关命令。表1为开启第一路视频信号的协议。考虑到远距离通信，波特率不宜设置太高，选择4 800 b/s、1个起始位、1个停止位、无硬件校验。

　　协议中，帧头和帧尾字节固定为0x68H和0x16H，控制通信的发起和结束。地址字节范围是0x01H～0x1EH,总线可以接入30个微控制器，0x00H、0x1FH地址可用于广播控制，如全部关闭。由于只有单个开关的开启命令，没有单个关闭命令，命令和数据长度、数据字节留作扩展功能。校验字节是所有字节的累加和，便于计算机在接到返回的校验失败信息时重发命令。

　　3.2 微控制器软件设计

　　STC15F2K61S2微控制器使用MAX485芯片通过485总线接收计算机的指令，决定是否通断各自的视频信号。在485通信中，每个从设备都有不同的地址，可用5位拨码开关来设定不同的地址，最多可设置32个从设备地址，实际中只用了1～30号地址，0和31号可用于广播地址。通信协议中包含的地址字节，用于指向要发送数据的设备。本设计利用485通信的广播特性，当发送打开某个摄像头信号的指令时，所有的微控制器都会收到同样的指令，然后比对是否和设定的本机地址相同，如果相同则控制电子开关打开视频信号，否则就保持或执行关闭，微控制器软件流程如图4所示。只用一条指令即可控制信号传输，实现了双绞线上总是只有一个摄像机的图像信号存在，避免了信号混叠。计算机端的指令发送方式可以选用自动定时轮询方式或者手动选择方式。

　　计算机运行VC++6.0软件环境和界面，来发起轮询命令。可以选择专业的工控机代替普通计算机，工控机一般含有多个串口，可以提高带负载数量。但受篇幅限制，不在本文讨论范围之内。

4 测试结果

　　由于电子开关CD4066在导通状态下，仍有几十欧姆的导通电阻，故需使用示波器观察视频信号经过开关之前和之后的差别，以及从摄像机输出的信号和最终视频采集卡的输入信号的差别，主要观测值为信号幅度和频率，幅度单位是 mV，包括峰峰值Vp-p、最大值Vmax、最小值Vmin，测量频率单位是kHz。测试位置点如图5所示。在开关导通状态下，差分信号经过CD4066前后对比波形如图6所示。图6中(A)、(B)为转换后的差分信号，(C)、(D)分别为经过电子开关后的差分信号。单端视频信号波形和恢复后的波形如图7所示, 图7中(A)为摄像机输出信号，(B)为接收器恢复后的信号。在开关关断状态下，电子开关输出的波形如图8所示。

　　对比图6，可以观察到差分信号经过电子开关后会有几十毫伏的衰减，但对比图7又可以观察到，这种衰减可由双绞线接收器给予一定的补偿，幅度变大。图8表明在关断状态下，信号幅度很弱，不会影响总线上的其他信号,实测结果可能由于测试方法的原因而引入了高频噪声,Vp-p实际值会接近0 mV。通过波形测试发现，CD4066可以有效关断视频信号，同时也可以真正传输视频信号。

　　另外，视频频段的信号在用双绞线传输时，由于线上电阻损耗和介质损耗，信号的功率从进入双绞线传送到负载时会衰减，衰减大小和信号的频率有关，信号的频率越高，衰减量越大，主要衰减在信号频点为5～6 MHz时较明显。用频谱仪可以观察到高频成分的幅度衰减，这种衰减会影响画面边缘和细节质量。通过对高频信号的幅度提升补偿，可以改善传输损耗的情况[5]。但受篇章限制，不在本文讨论范围之内。

5 结束语

　　本设计实现了多路视频信号分时传输的方法，并成功应用于某大型停车场的车位图像信息采集系统。设计新颖，布线简单，节约成本，可部署在各种视频安防监控场所，用于智能识别。其优点主要在于复用双绞线传输多路视频信号，并可以和485总线同时走线，所以一根普通双绞线电缆即可传输两种信号；还可制作水晶头与RJ45接口接驳，便于安装和系统调试运行。同时，利用这种分时传输方法，也可为各种多传感器数据分时采集提供方案。

　　参考文献

　　[1] 刘京京，蔡喜平.国外智能视频监控的热点探究[J].电子测试，2014(21)：28-30.

　　[2] 董伟峰.监控系统中视频信号传输的设计[J].企业科技与发展，2011(2)：12-13.

　　[3] 吴海滨，唐磊，吴彬.监控系统中视频信号的双绞线传输[J].安防科技，2007(10)：38-40.

　　[4] 桂良启，郭伟，张祖荫.电子开关CD4066在数据采集装置中的应用[J].电子技术，2003，30(8)：38-41.

　　[5] 唐伯良.高频预提升和补偿在双绞线视频传输中的运用[J].上海大学学报(自然科学版)，2000，6(1)：69-82.