基于ATmega64云台板卡测试平台的设计

0引言
随着国民经济的发展和经济全球化进程的加快，中国安防产业尽管起步比较晚，但是发展迅速，应用范围逐年扩大；云台是安防行业的一种最典型产品，是安装、固定摄像机的设备,分为固定云台和电动云台两种。固定云台是指安装好摄像机后，调整好水平和俯仰的角度，达到理想的工作状态后，锁定调整机构的一种装置，适合于监控区域范围不大的情况。
电动云台是指由板卡集成控制电路、外部机械结构、水平和垂直方向两个交流电机或者步进电机共三大部分组成，可以做水平和垂直运动的安装平台，它可以扩大摄像机的监视范围，适用于大范围扫描监视系统。该安装平台的工作原理是由微控制器组成的集成电路，利用固化于集成电路内部存储器 flash的应用程序或者通过 RS485端口接受来自外部键盘输入指令，控制集成电路上的继电器开合，从而指挥负责云台上下和左右方向转动的两个电动机动作，即当控制电路发出上、下动作电压时，垂直电机转动，经减速箱带动垂直传动轮盘转动，或者当控制电路发出左、右动作电压时，水平电机转动并经减速箱带动云台底部的水平齿轮盘转动，甚至当控制电路发出三维空间精确定位信号给水平和垂直电机，水平和垂直电机同时旋转，驱动传动齿轮，传动齿轮带动安装在云台护罩中的摄像机做相应的转动运动，达到云台上的摄像机自动扫描监视区域的目的。集成控制电路也可以接受来自远程监控中心值班人员操作键盘的中断控制命令，指挥云台跟踪监视对象和驱动摄像机的变倍、聚焦、光圈的动作。根据电动云台的工作电压不同，一般分为交流 24V、交流 220V及直流 24V三种。本文重点讨论的是以 ATmega64单片机为控制器，工作电压为交流 24V的电动云台板卡自动测试平台的设计。

1.云台板卡的原理
1.1 ATmega64的功能特性 高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处理器 [5] ，它具有如下特点：

1）先进的RISC 结构，130条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；32个 8位通用工作寄存器，全静态工作，工作于 16 MHz时性能高达16MIPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器
2）非易失性程序和数据存储器，64K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命为 10000次；具有独立锁定位的可选 Boot代码区，通过片上 Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作；2K字节的EEPROM，擦写寿命为 100000次；4K字节片内SRAM；64K字节可选外部存储空间；可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密；通过SPI 接口进行系统内编程
3)JTAG接口(与 IEEE 1149.1标准兼容),符合 JTAG标准的边界扫描功能;支持扩展的片内调试功能;通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 
4)外设特点。两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器;两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的扩展16 位定时器/ 计数器;具有独立振荡器的实时计数器RTC;两路8位PWM 通道;6路编程分辨率从1到16位可变的PWM通道;8路10位ADC;8 个单端通道;7个差分通道;2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道;面向字节的两线接口;可编程的串行USART;可工作于主机/从机模式的SPI串行接口;具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器;片内模拟比较器
5)特殊的处理器特点。上电复位以及可编程的掉电检测;片内经过标定的 RC振荡器;片内/片外中断源;6种睡眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的 Standby模式;软件选择时钟频率;熔丝位选择的 ATmega103兼容模式;全局上拉禁止
6) I/O 和封装。53个可编程的I/O口;64引脚TQFP封装,与64引脚MLF封装 
7）工作电压和速度等级。工作电压：4.5 - 5.5V  速度等级：0 - 16 MHz

1.2云台板卡的工作原理
云台的核心部件是云台的微控制器集成电路，根据云台的特性不同，集成电路的控制器可以选择不同类型的单片机、DSP、ARM等控制芯片[4]，本文讨论以 ATmega64单片机为微控制器组成的云台控制集成电路，该控制电路的四大基本功能为：
1)RS485通信功能：通过 RS485接受来自外部键盘的控制命令，以及利用 RS485发送控制摄像机动作的控制命令
2)摄像机功能：根据不同摄像机的控制命令格式，通过 RS485发送控制命令给摄像机,驱动摄像机进行变倍大小、聚焦远近、光圈大小等动作
一 )电机控制功能：通过集成电路控制四个继电器的开合，完成对水平和垂直两个电机的左右转动控制
一 )高级功能：预置位、巡航、线扫、守望四种基本高级功能

云台控制电路的工作流程是参考云台控制协议（PECOL D，PECOL P，行业 V0.0，行业 V1.0），设定地址拨码和协议拨码，正确连接外部输入控制命令的控制设备（键盘），在正确的云台控制协议下，微处理器通过 RS485通信接受控制设备的输入命令，分析和判断后，发生响应；其响应主要有： 1）利用 RS485通信驱动摄像机动作。2）电路继电器 ULN2803控制水平电机和垂直电机的相应动作。3）以上二者同时动作。云台板卡控制集成电路原理图如图 1所示。
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 2自动化测试平台的设计
2.1云台自动化测试平台的硬件原理
云台板卡的功能多而繁杂，产品的功能测试项目多，通常测试手段是将云台板卡组装成整机，利用外部键盘输入云台控制命令，通过操作人员主观判断其功能的良好情况。针对通常测试模式费时、效率低等特点，云台板卡自动化测试平台的目标是进行“启动”一键操作，平台即可自动测试云台板卡控制电路的四大模块功能,并利用LED灯动态显示测试的结果 [1]。自动测试平台的基本思路为：以 ATmega64微处理器为控制中心组成自动测试平台硬件电路，选择相对应的云台通信协议，利用 RS485对被测试对象（云台板卡）发送云台动作控制信息，设定动作运行时间，达到时间后通过光耦或者 75LBC184收集云台动作的反馈信息，判断云台板卡反馈的控制命令是否正常，达到云台功能测试的目的,四大功能测试均用 LED灯动态跟踪显示：红色代表功能的不良，绿色代表功能良。自动化测试平台原理图如图2所示。
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2.2云台自动化测试平台的软件设计
自动化测试平台的功能是对云台板卡进行黑盒测试，检测云台板卡集成控制电路的四大模块功能---RS485功能、摄像机功能、电机控制功能、高级功能。测试平台软件设计的思路为：通过 RS485通信将云台动作命令发送给被测试板卡，测试平台在设定时间内采集被测试板卡的响应信息，测试平台微处理器将采集信息与正常的响应信息进行对比，给出相应判断结果，用 LED动态显示测试结果。其中当被测试板卡的 RS485功能不良时,对于板卡的测试无法进行，测试平台将判定该板卡不良。但是四个功能模块的另外三个模块功能相对独立，互不影响，因此自动测试平台在 RS485功能良好前提下，剩余三大功能均一次测试完成 [3]。
自动测试平台软件设计是利用高级 C语言在 ICCAVR6.20开发环境下实现所有的测试功能流程，其流程图如图 3所示. 

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3.结论
针对云台板卡集成控制电路组装成云台整机，利用外部键盘人为操作检测其功能，速度慢、效率低、人为参与因素过多影响测试结果的准确性等弊病，设计了一套以ATmega64为微处理器的自动化云台板卡测试平台,完成对以 ATmega64为控制微处理器的云台自动化测试,解决了企业生产过程中,云台板卡测试不正确和效率低的难题;经过生产实际验证，该自动测试平台具有很好的应用效果，大大提高了企业的生产效率.
创新点：采用 8位 ATmega64单片机设计了一套自动测试平台，用于检测云台板卡。该测试平台具有操作简单，自动化程度高等特点。