？单片机的摄像镜头控制电路设计
视频监控作为一种远程监测、监控手段，以其信息的丰富性和结果的直观性受到诸多行业的青睐，被广泛应用于自动控制、产品检测、安全监控、信息采集等领域。其基本工作原理是通过摄像机采集被监视对象的图像信息，并传送到相应的终端设备和控制设备，实现监控功能。在这些系统中，摄像机拍摄的图像质量往往是系统应用效果的决定性因素，因此必须根据拍摄现场的条件对摄像机进行适当的控制。目前，监控系统中采用的摄像机从结构上主要分为两类，一类是具有内置镜头的一体化摄像机，另一类是需要选配镜头的独立摄像机。前者结构简单使用方便，并且具备多种控制功能，允许用户直接通过相关设备远端控制各项拍摄参数(包括光圈大小、快门速度、图像增益、图像聚焦、变焦等)，运用灵活，但是由于其内置镜头性能的影响，限制了它的使用范围，在一些环境特殊或者拍摄要求较高的场合并不适用。而后一类摄像机可以根据拍摄现场的需要选配合适的摄像镜头，从而满足各种拍摄需要，但是对这类摄像机拍摄参数的控制相对困难，尤其是对光圈、聚焦、变焦等参数的调节必须通过对镜头本身进行控制来实现，因此需要额外增加一组摄像镜头控制电路来完成这一功能。
关键词 镜头控制电路，单片机，镜头参数
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的背景与研究意义 1
1.2 镜头控制的研究现状 2
1.3 本文的主要研究内容 3
1.4 本章小结 4
2 摄像镜头控制的基本理论 4
2.1 摄像镜头简介 4
2.2 解码器 6
2.3 摄像镜头调焦原理 7
2.4 本章小结 8
3 系统的硬件实现电路 8
3.1 硬件设计框图 8
3.2 单片机的选择 9
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/> 3.3 CPLD模块 15
3.4 复位模块（监控电路） 16
3.5 电源模块 17
3.6 信号转换模块 20
3.7 输出驱动模块 22
3.8 信号转换模块 24
4 系统制作与调试 25
4.1 调试方案 25
4.2 硬件电路的调试 26
4.3 软件部分 26
4.4 整体调试 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附件A 32
附件B 33
1 绪论
1.1 课题的背景与研究意义
1.1.1 课题背景
单片机的诞生促使现代计算机技术出现了一次飞跃，成为近代计算机发展史的一次的重要里程碑。所以许多以它为控制中心的产品也诞生了。其作为独特的嵌入式微型控制器，具有集成度很高、功能强大、结构简单、便于掌握、运用灵活、高可靠性能、价格便宜等优势，被广泛应用在工业控制技术、机电一体化技术、通信终端设备、智能仪器仪表、家用电器制造等领域中，能够简化设计过程，可以适应各种现场需求，更能提升测试的精确度，已成为传统机电设备向当今智能化机电设备转变的重要手段。
本设计就是基于单片机与摄像镜头控制的研究，摄像监控技术为许多重要场所的安全提供了可靠的保障,随着应用于多领域的视频监控控制系统的扩大,技术不断革新，因而其获得了迅猛的发展。针对现在的监控系统却存在着虽普遍、实时、直观，却无法进行实施有效控制的缺点，提出以智能控制弥补现有监控系统的缺陷，从而实现对庞大的现场环境电动掌握的功效，使得监控技术步入全覆盖化、智能化、高效化成为将来的发展趋向。本设计则以美国Silabs公司推出的高速型C8051F120单片机为核心组成的外围电路来实现这一控制要求。
1.1.2 研究意义
目前视频监控在生活、生产等场合下扮演着十分重要的作用，然而市场上的此类产品也是层出不穷。但是对摄像镜头不能做到非常灵活的控制。因此本课题尝试基于C8051F120这一高速型的单片机为核心展开研究，对视频监控中摄像镜头的光圈、焦距等变量进行控制的问题，本着控制电路设计的结构简单，造价便宜，控制可信赖的原则，从而达到智能监控终端设备对镜头参数的绝对控制。这样在现实当中，就能够克服天气、光线等恶劣条件的剧烈变化而不能及时作出反应的弊端，减少因人为因素的所消耗的费用，将带来很大的方便。
1.2 镜头控制的研究现状
1898年，法国人就开始研究镜头的焦距自动控制，从此这方面就吸引了大批的研究者投入时间和精力。其中，在2003年N.Kehtarnavaz 和H.-J.Oh 两人就发表了“Development and real-time implementation of a rule-based auto- focus algorithm”一文，并提出了规范的焦距搜索算法，相比以往的全局、爬山搜索算法，这种法则在速率显示了绝对的优点。三年后，Seung Hun Jin, Jung Uk Cho 和 Jae Wook Jeon 又写了“FPGA based Passive Auto Focus System using Adaptive Thre sholding” 一文，并提出采纳自适应门限方法。从此出现许多新的图像处理函数。同时代，国内很多高等院校、研究所以及公司致力于研发焦距调节系统。起步晚，但是发展速度很快。在1991 年，薛实幅、李庆祥等人运用里光路偏离中心的光束法研究出自动焦点捕捉系统用于线宽度量仪器的显微系统，精准度在±500μm， 范围可到 0.1μm，在时下可算是国际领先水平。届时，也出现了关于图像清晰度评价算法和镜头搜索算法的资料。在2008 年，王朝晖, 郭光等人“A Novel Auto-focusing Method Applied to Micro Manipulation System ”的一文，涉及了Two- grade 镜头搜索算法，在粗略调节时用图像灰度直方图的评判准则，在精细调整时运用比较图像边缘宽度的办法，增添了焦距深度。三年后，张伟、陶然等在北京理工大学发表“Time-frequency filtering-based autofocus”，涉及到的自动聚焦发是基于时域频域滤波，而且实时性很强。除此之外，2010 年1月中国台湾的 Chen,Chih -Yung 等人写的“A passive auto-focus camera control of system”指出建于现场可编程门阵列平台和神经网络的评价清晰度函数。由于研究中出现的意想不到的干扰，所以仍然需要更深对镜头控制领域的研究[1]。
随着计算机技术的飞速发展和数字图像处理技术的进步，自动对焦也得到了迅速得发展。然而目前，日韩等一些国家在自动焦距技术还是占据主导地位，但通过近二十年的研究，我国在这方面也取得了一些重要研究，只是技术还没有达到灵活运用的程度，仍需不断的摸索创新。当在某些复杂的控制现场还不能真正的担当，所以这条路还是很任重道远。
1.3 本文的主要研究内容
（1）三可变镜头驱动控制电路的设计。通过对电机控制实现光圈，焦距的调整；
串行通信电路设计。如何实现单片机与串行通信接口之间的电压转化，尽可能做到简单可靠；
中央控制电路的设计，C8051F120单片机如何控制外围电路模块的使用[2]；
摄像镜头与上位机的链接，包含解码器的使用[1,3]；
（5）执行电路模块设计与调试，要求绘制出相应的系统原理示意图，作出硬件结构框图，硬件原理图的设计，电路板的设计，电子元器件的选择，然后结合软件编写程序进行控制系统的调试。
（3）机器提供交流220V，24V 和直流12V电压，摄像头和其他设备均能用；
图2-3 爬山法原理
如上所示，当搜索点处于M时，经计算发现N点的清晰度评价函数值大于M的计算值，那么焦点就会朝着N点所在的位置移动，就这样一直搜索比较下去，当搜索点越过峰值位置P而到达P1时，完成了一个搜索过程，接下来重复以上的过程，直到若干次的比较找到真正的焦点P才结束这个过程[4]。
1 绪论 1
1.1 课题的背景与研究意义 1
1.2 镜头控制的研究现状 2
1.3 本文的主要研究内容 3
1.4 本章小结 4
2 摄像镜头控制的基本理论 4
2.1 摄像镜头简介 4
2.2 解码器 6
2.3 摄像镜头调焦原理 7
2.4 本章小结 8
3 系统的硬件实现电路 8
3.1 硬件设计框图 8
3.2 单片机的选择 9
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/> 3.3 CPLD模块 15
3.4 复位模块（监控电路） 16
3.5 电源模块 17
3.6 信号转换模块 20
3.7 输出驱动模块 22
3.8 信号转换模块 24
4 系统制作与调试 25
4.1 调试方案 25
4.2 硬件电路的调试 26
4.3 软件部分 26
4.4 整体调试 28
结论 29
致谢 30
参考文献 31
附件A 32
附件B 33
1 绪论
1.1 课题的背景与研究意义
1.1.1 课题背景
单片机的诞生促使现代计算机技术出现了一次飞跃，成为近代计算机发展史的一次的重要里程碑。所以许多以它为控制中心的产品也诞生了。其作为独特的嵌入式微型控制器，具有集成度很高、功能强大、结构简单、便于掌握、运用灵活、高可靠性能、价格便宜等优势，被广泛应用在工业控制技术、机电一体化技术、通信终端设备、智能仪器仪表、家用电器制造等领域中，能够简化设计过程，可以适应各种现场需求，更能提升测试的精确度，已成为传统机电设备向当今智能化机电设备转变的重要手段。
本设计就是基于单片机与摄像镜头控制的研究，摄像监控技术为许多重要场所的安全提供了可靠的保障,随着应用于多领域的视频监控控制系统的扩大,技术不断革新，因而其获得了迅猛的发展。针对现在的监控系统却存在着虽普遍、实时、直观，却无法进行实施有效控制的缺点，提出以智能控制弥补现有监控系统的缺陷，从而实现对庞大的现场环境电动掌握的功效，使得监控技术步入全覆盖化、智能化、高效化成为将来的发展趋向。本设计则以美国Silabs公司推出的高速型C8051F120单片机为核心组成的外围电路来实现这一控制要求。
1.1.2 研究意义
目前视频监控在生活、生产等场合下扮演着十分重要的作用，然而市场上的此类产品也是层出不穷。但是对摄像镜头不能做到非常灵活的控制。因此本课题尝试基于C8051F120这一高速型的单片机为核心展开研究，对视频监控中摄像镜头的光圈、焦距等变量进行控制的问题，本着控制电路设计的结构简单，造价便宜，控制可信赖的原则，从而达到智能监控终端设备对镜头参数的绝对控制。这样在现实当中，就能够克服天气、光线等恶劣条件的剧烈变化而不能及时作出反应的弊端，减少因人为因素的所消耗的费用，将带来很大的方便。
1.2 镜头控制的研究现状
1898年，法国人就开始研究镜头的焦距自动控制，从此这方面就吸引了大批的研究者投入时间和精力。其中，在2003年N.Kehtarnavaz 和H.-J.Oh 两人就发表了“Development and real-time implementation of a rule-based auto- focus algorithm”一文，并提出了规范的焦距搜索算法，相比以往的全局、爬山搜索算法，这种法则在速率显示了绝对的优点。三年后，Seung Hun Jin, Jung Uk Cho 和 Jae Wook Jeon 又写了“FPGA based Passive Auto Focus System using Adaptive Thre sholding” 一文，并提出采纳自适应门限方法。从此出现许多新的图像处理函数。同时代，国内很多高等院校、研究所以及公司致力于研发焦距调节系统。起步晚，但是发展速度很快。在1991 年，薛实幅、李庆祥等人运用里光路偏离中心的光束法研究出自动焦点捕捉系统用于线宽度量仪器的显微系统，精准度在±500μm， 范围可到 0.1μm，在时下可算是国际领先水平。届时，也出现了关于图像清晰度评价算法和镜头搜索算法的资料。在2008 年，王朝晖, 郭光等人“A Novel Auto-focusing Method Applied to Micro Manipulation System ”的一文，涉及了Two- grade 镜头搜索算法，在粗略调节时用图像灰度直方图的评判准则，在精细调整时运用比较图像边缘宽度的办法，增添了焦距深度。三年后，张伟、陶然等在北京理工大学发表“Time-frequency filtering-based autofocus”，涉及到的自动聚焦发是基于时域频域滤波，而且实时性很强。除此之外，2010 年1月中国台湾的 Chen,Chih -Yung 等人写的“A passive auto-focus camera control of system”指出建于现场可编程门阵列平台和神经网络的评价清晰度函数。由于研究中出现的意想不到的干扰，所以仍然需要更深对镜头控制领域的研究[1]。
随着计算机技术的飞速发展和数字图像处理技术的进步，自动对焦也得到了迅速得发展。然而目前，日韩等一些国家在自动焦距技术还是占据主导地位，但通过近二十年的研究，我国在这方面也取得了一些重要研究，只是技术还没有达到灵活运用的程度，仍需不断的摸索创新。当在某些复杂的控制现场还不能真正的担当，所以这条路还是很任重道远。
1.3 本文的主要研究内容
（1）三可变镜头驱动控制电路的设计。通过对电机控制实现光圈，焦距的调整；
串行通信电路设计。如何实现单片机与串行通信接口之间的电压转化，尽可能做到简单可靠；
中央控制电路的设计，C8051F120单片机如何控制外围电路模块的使用[2]；
摄像镜头与上位机的链接，包含解码器的使用[1,3]；
（5）执行电路模块设计与调试，要求绘制出相应的系统原理示意图，作出硬件结构框图，硬件原理图的设计，电路板的设计，电子元器件的选择，然后结合软件编写程序进行控制系统的调试。
（3）机器提供交流220V，24V 和直流12V电压，摄像头和其他设备均能用；
图2-3 爬山法原理
如上所示，当搜索点处于M时，经计算发现N点的清晰度评价函数值大于M的计算值，那么焦点就会朝着N点所在的位置移动，就这样一直搜索比较下去，当搜索点越过峰值位置P而到达P1时，完成了一个搜索过程，接下来重复以上的过程，直到若干次的比较找到真正的焦点P才结束这个过程[4]。
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