天地（常州）自动化股份有限公司 樊 山



矿用本安型高清摄像仪设计与实现

天地（常州）自动化股份有限公司 樊 山

【摘要】针对煤矿井下对本安型高清摄像仪的需求，以及现场使用网络标清及模拟摄像仪存在的不足，本文提出一种基于RAM9的矿用本安型高清摄像仪的硬件设计，具体从系统架构、器件选型、电路设计以及硬件实现为切入点，完成一款矿用本安型高清摄像仪的设计。

【关键词】煤矿；本安型；以太网；高清；视频监控

1 引言

煤矿井下环境复杂，危险性较大，安全生产十分重视视频监控系统建设，最近几年发展较为迅速，目前，图像识别技术已在下井人员唯一性检测、煤炭产量检测、防作弊等方面应用。随着图像识别技术快速发展，还将在煤仓煤位监测、水仓水位监测、煤岩识别、带式输送机监测等方面获得越来越广泛的应用[1]。但煤矿现场还主要以模拟摄像仪和网络标清摄像仪为主，已经远不能满足煤矿现场由“看得见的需求”转型为“看的清的需求”。

2 煤矿视频监控现状分析

煤矿井下采、掘工作面地质条件复杂，环境恶劣，自然灾害多，严重影响煤矿生产和人身安全，通过工业视频监控系统，直观形象地将井下实时画面传输到地面，为矿井生产自动化提供有力的保障，也为矿井安全生产、调度指挥、科学决策提供不可缺少的依据[2]。因此工业视频监控系统作为综合自动化系统的重要组成部分，已经越来越受到矿井的重视和广泛推广，煤矿的高清视频发展也刻不容缓。

目前井下视频监控系统的视频采集前端还主要以模拟和网络标清摄像仪为主，虽然它们在煤矿安全生产中发挥了巨大作用，但是它们明显存在以下弊端：

（1）模拟信号主要通过同轴线传输，距离受限，布线复杂；

（2）由于模拟视频信号为高频信号，传输易受干扰，监控图像不佳；

（3）模拟视频监控系统较为封闭，灵活性较差，扩展困难；

（4）目前井下用的网络标清摄像仪虽实现网络传输，但压缩率和图像分辨率较低，不具备井下环境接入功能[3]。

针对目前煤矿视频采集的技术现状及存在问题，本文研究一种既符合本质安全型要求，又具有视频监控、井下环境参数接入、以太网传输等多功能矿用本安型高清摄像仪。

3 系统架构设计

3.1 系统硬件总体设计

目前安防芯片市场由安霸、TI、海思主导，各自都有自己丰富的产品线，也能满足不同的需求，我们经过前期深入调研及研究不同厂家的方案特点，结合本身实际需求，从性能、开发周期、价格等综合考虑，本项目最终选择TI的TMS320DM368作为该产品的主控芯片。

图1　系统硬件总体设计

图2　系统软件总体设计

基于TMS320DM368设计的硬件架构框图如图1所示，从图中可以看出该摄像仪的设计主要包括五部分：DM368核心模块、以太网接口模块、图像传感器采集模块、485接口模块、本质安全电路模块。DM368核心模块为处理器单元，是整个系统运行的中心；以太网接口模块完成井下信息参数传输；图像传感器模块用于视频信号的前端采集；485接口模块主要完成现场控制、参数等信号接入；本质安全电路实现各个模块供电。

3.2 系统软件总体设计

由于本系统采用TMS320DM368作为该产品的主控芯片，该软件系统是基于嵌入式 Linux 操作系统开发的，系统的软件总体设计如图2所示，由于该部分内容不是本人研究的重点，这里只做简单介绍。

图3　传感器接口部分原理图

图4　网络交换模块原理图

4 硬件电路设计与实现

4.1 图像采集单元

图像传感器是图像采集单元的核心器件，根据元件的不同可分为CCD和CMOS。CCD传感器的特点是灵敏度高，但响应速度低，不适用于高清监控摄像仪采用的高分辨率逐行扫描方式，因此本方案选用CMOS传感器。由于煤矿环境特殊，对低照度要求较高，我们综合考虑其图像质量、性能及价格等因素，选用镁光公司的CMOS数字图像传感器MT9P031，感光面支持的最大像素分辨率为2592 * 1944。

该图像传感器接口较为简单，在进行图像采集之前，CPU可以通过串行接口配置传感器。在完成相应的配置后，图像传感器就能在不需要CPU干预的情况下完成图像的采集，通过数据线将视频采集前端采集的视频数据转移到内部存储器。接口部分原理如图3所示。

图5　TMS320DM368功能框图

图6　视频处理单元核心模块原理图

4.2 视频信号处理单元

TMS320DM368是TI公司推出的一款支持超高像素影像的数字媒体处理器，支持多种视频格式，网络带宽要求和系统存储容量均满足数字摄像机的需求它支持的格式有：MPEG2、MPEG4、H.264等。DM368具有的多速率、多格式的高清视频编解码支持，同时保持了与传统视频编解码器的高度共通性，很大程度上降低了设计的复杂性，更显灵活，具体功能框图如图5所示。TMS320DM368集成了众多的组件以及一系列外设电路，核心模块的实现部分原理图如图6所示。

4.3 网络接口单元设计

常用的PHY芯片有麦瑞半导体公司的KSZ8995XA、赛思公司的LAN9512。由于LAN9512的供电范围较窄，典型值为2.5V，但是DM368的外围供电为3.3V，它们电平不兼容。需通过电平转换芯片来兼容DM368和LAN9512，增加硬件成本。因此本系统选择麦瑞半导体公司生产的KSZ8995XA作为以太网的物理层接口芯片，KSZ8995XA的输入电压范围为2.2V到3.6V，能很好的与DM368的MAC口进行电平匹配。此外，KSZ8995XA内置了电压调节器和ESD保护组件，降低硬件成本，实现部分原理图如图4所示。

4.4 485模块单元设计

485模块单元是井下环境参数接入单元，通过该转换模块实现以太网传输，它由网络接口单元、控制单元、电源单元组成。

图7　485转以太网模块系统方框图

该电路的控制单元选用STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器STC89LE52，该控制单元具有 8K可编程Flash存储器，内部使用经典的MCS-51内核，在单芯片上，拥有8位CPU和在系统可编程Flash。该电路模块负责把RS485串口电平信号，通过控制器转换成网络电平信号输出，使之符合TCP/IP协议。

4.5 本安电源单元

矿用本质安全电路的整体框图如图8所示，输入端通过本安电源DC18供电，在电源转换模块的输入输出端分别增加过流过压保护，首先理论上满足本质安全电路的设计要求，进而通过火花实验验证该电路的本质安全特性。

图8　本安电源模块整体框图

该电路的设计过程中分别采用了两种不同的保护机制，即双重过压保护、过流保护机制以确保电源电路的可靠性，符合本质安全电路的要求。

5 性能参数测试

经实验验证，摄像仪各项技术指标均达到设计要求，具体如表1所示。

表1　

6 结语

本文对矿用本安型高清摄像仪进行研究与设计，该摄像仪弥补了模拟摄像仪与网络标清摄像仪的不足，为井下视频监控的拓宽应用提供必要的技术基础。目前有些煤矿已经引进智能视频监控系统，实现远程自动化控制，工作面无人值等，这些应用都对视频清晰度提出更好的要求，该设备能更好地满足自动化应用的需求，因而在煤矿的安全生产将有良好的应用前景。

参考文献

[1]孙继平,田子建.矿井图像监视系统与关键技术[J].煤炭科学技术.Vol.42,No.01,2014.08:65～68.

[2]田庆军,周晓娟.当前煤矿电气设备安全管理存在的问题和对策[J].煤炭技术,2009,2:35-37.

[3]李文峰,徐精彩.矿用本安型全数字摄录放一体机技术[J].煤炭科学技术.Vol.33,No.08,2005.08:23～24.