监控系统前端子系统（精选9篇）
监控系统前端子系统 第1篇
关键词：热备份,QAM调制器,广电网络
0 引言
安全播出是各级广电部门的首要任务,保障信号不间断播出的最有效手段就是采用一种合理高效的备份方式来建设一个安全实用的数字电视前端[1]。目前国内各级数字电视前端的备份系统多数以硬件备份系统为主,备份平台的搭建因实际情况和成本投入的不同而存在很多差异,下文以南宁市数字电视前端备份系统改造为例,进行分析研究。
1 南宁市数字电视前端备份系统概述
南宁市数字电视系统主要由两部分组成,分别是外来的SDH信号源和南宁本地信号源。其中SDH信号源采用双信号路由进入机房的主备平台结构,主用信号为由区公司通过2.5 G SDH传送的DS3信号;备用信号为柳州分公司通过10 G SDH传送的DS3信号,在突发紧急事件时,根据具体情况启用备份信号系统。考虑到信号传输的稳定性和成本投入,主备份信号的切换工作通过跳线器来实现。上述SDH信号经QAM调制器输出至本地HFC网络;南宁本地信号经多功能复用加扰器,输出一路ASI信号经过适配通过SDH网送往6县分公司,另一路ASI信号送入QAM调制器,进入本地HFC网络,如图1所示。
目前多数县市在信号的切换和调度上都使用ASI矩阵[2]。ASI矩阵简单、易实现,在前端系统中处于信号的汇聚处,所有信号由矩阵统一调配。但是如果出现矩阵故障,将导致节目大面积停播。若此时对矩阵采取备份措施,又会因为矩阵备份成本投入大,而不符合市县级前端的实际情况,所以各级广电前端会根据各自实际情况,采取有效措施来减少上述情况的发生。例如,有些单位采用将矩阵进行并接的措施来提高安全系数,也就是将一路信号直接连接主用QAM调制器[3],另一路信号接入矩阵再进入备用调制器。
在系统改造前,南宁市数字电视前端系统的复用加扰器、QAM调制器及适配器均采用双机备份手动切换的备份方式。这种备份方式存在操作繁琐、恢复信号速度慢、处理故障时间长等缺点。为了保障安全播出,减少故障恢复的时间,需要对其进行技术改造。
2 数字电视前端备份系统改造
此次改造的重点是针对QAM调制器的备份系统进行实施的,基于对现有设备和哈雷网管的充分利用,对该数字电视平台中的10个基本播出保障节目流实现热备份,如图2所示。
区前端信号经2.5 G SDH网络送入主用QAM调制器,柳州备份平台信号经10 G SDH网络送入备用QAM调制器,主备QAM调制器RF输出接入同一个混合器。网管配置如图3所示。
主备BNG6102之间建立主备关联,TS51的逻辑输入设备同时将信号输入主备BNG6102,TS52的逻辑输入设备也同时将信号输入主备BNG6102。主备BNG6102经过两个虚拟A-B Switch送到TS51和TS52的RF逻辑输出设备,由网管控制主备QAM调制器RF输出模块在同一时间只打开一个。当其中一个主用BNG6102输入的DS3或ASI信号中断达到2 s(可在网管设置时间阈值),网管系统将自动关闭该设备的RF输出,打开备份QAM调制器的RF输出,恢复正常播出。当信号恢复后,在确保主用QAM正常的情况下,可进行主备QAM调制器倒换。
3 备份系统改造中存在的问题及解决措施
实现双机热备自动切换备份方式后,大大地提高了工作效率,但同时也存在一些问题,例如:系统无法自动切换,设备无法接收网管指令等问题。在采取更换网管交换机和连接设备的网线的措施基础上,为进一步完善备份系统,保证安全播出,提出如下改进措施:在现有哈雷备份系统上,用数码视讯设备再搭建一个备用平台,该备份系统与主用系统分离,相互独立工作。备用系统不会对主用系统造成隐患,不影响主系统运行,且成本较低。此方案是通过数码视讯10K505型号QAM调制器手动跳接实现的,该设备能脱离网管,可用面板进行手动设置参数。当出现某一输入信号中断时,哈雷系统网管将首先切换至热备哈雷QAM调制器播出。若此刻出现故障无法正常切换时,即直接通过RF跳线器跳接到数码视讯备份调制器播出,这样虽然比自动切换慢,但却可以在哈雷网管切换中出现诸如软故障[4]、调制器离线、调制器掉电等问题时,迅速恢复播出。数码视讯备份调制器只将10个基本播出保障流和南宁本地节目作为信号源。该备份系统搭建示意图如图4所示,跳线器连接示意图如图5所示。
4 总结
数字电视前端是整个广播电视网络的核心,其建设过程是一个不断完善和优化的过程。南宁市数字电视前端备份系统的改造给其他市县级广电前端的建设提供了参考,具有一定的借鉴作用。随着数字电视的不断发展,一些先进的、切实可用的其他备用方式将逐渐被采用,如软备份方式等,但其最终目的仍是高效地完成安全播出的任务。
参考文献
[1]关亚林,牛亚青,王晖.有线电视网络与传输技术[M].北京:中国广播电视出版社,2005.
[2]韩牧麒.基于ASI传输的数字电视前端单机备份解决方案[J].电视技术,2008,32(12):10-11.
[3]郑鑫,曾磊,张晓玲,等.数字电视QAM调制器中TS流处理的设计与FPGA实现[J].电视技术,2005,29(S1):63-65.
数字电视前端系统分析论文 第2篇
摘要：随着社会经济的发展以及科学技术的不断进步，基于IP技术的数字电视在当下得到了较为广泛的应用。数字化电视能够给人们带来更多的电视节目，满足人们的实际需要。数字电视在应用过程中，需要利用IP技术，文章在对该问题分析过程中，分析了IP技术在系统设计中的重要作用，并就前端系统优势进行了相关阐述和探究。
关键词：IP技术；数字电视；前端系统
IP技术在数字电视前端系统中应用，通过系统化的设计，能够更好地发挥IP技术优势，对系统容量进行扩大，从而提升电视节目的质量，更好地满足人们的观看需求。本文在对IP技术下的数字电视前端系统分析过程中，主要探讨了ASI架构模式的数字电视前端系统，对IP技术的应用情况进行了较为详细的分析，从而对前端系统进行较好的优化。在研究过程中，本文主要涉及了ASI前端系统情况、IP技术实现路径、基IP技术的数字电视前端系统的优势3个方面内容。
1ASI前端系统概述
ASI前端系统是当下数字化电视应用的一种重要系统结构，其主要由一个总前端和多个分前端构成，能够满足人们观看电视节目的需要。ASI前端系统在应用过程中，信号由总前端进入，并借助于各个分前端实现信号的传输。在信号传输时，借助了ASI码流切换模式，更好地对ASI信号进行输出。ASI前端系统在设计过程中，要保证总前端具有信号检测功能，在对信号检测完成后，总前端才能够进行信息传输。这样一来，ASI前端系统在应用过程中，“总前端+分前端”的传输模式，在很大程度上导致系统整体较为复杂，并且在信号传输过程中，受到传输码率影响较大，这样一来，将影响到电视节目的拓展。随着人们生活水平的不断提升，人们对电视节目的质量和数量要求不断增加，传统的ASI前端系统已经无法满足人们的实际需要，这就需要对ASI前端系统进行变革，使之更好地满足人们观看电视节目的需求。
2基于IP技术的数字电视前端系统优势
IP技术在数字电视前端系统的应用，具有较大的优势，能够更好地促进数字化电视的发展和应用。利用IP技术对数字电视前端系统进行改进，可以使数字电视前端系统具备以下几点优势：
2.1具有较强的灵活性
利用IP技术对数字电视前端系统进行改造，可以使系统在运行过程中，具有较强的灵活性。实现这一目标，主要依靠了IP技术在信号传输过程中，能够对传输信号进行有效的控制，通过重新配置编码器和调制器，实现了对数字化信息的集中处理，从而解决了信息容量不足、信息处理速度较慢的问题，能够在很大程度上缩减信息处理时间，更好地提升信息处理效率。
2.2统拓展性较强
IP技术在数字电视前端系统的应用，能够改变原有ASI前端系统拓展性较差的问题，使得系统拓展性增强，更好地拓展数字电视业务。IP技术在ASI前端系统的应用，能够利用IP技术的分流处理技术，使数据信息进行较好的传输，使系统拓展性得到了提升，从而使ASI前端系统能够解决系统空间不足问题，更好地提升系统运行质量，进而满足数字化电视发展需求。
2.3提升系统安全性
数字电视在节目播放过程中，安全性问题较为突出，这主要是因为在进行信息传输过程中，ASI系统性能较差，不能对数据信息进行较好的保护，导致信息传输过程中，可能受到信号干扰，从而降低节目质量。IP技术在应用过程中，能够对前端系统进行有效的安全设计，利用交换机设备实现1：1备份机制的构建，能够在很大程度上保证信息传输的安全性和可靠性。同时，在对交换机应用过程中，由于技术手段并未成熟，虽然在安全性方面得到了保障，但是对节目质量会产生一定的影响。这样一来，就需要利用IP技术对其进行解决，保证数字电视节目更加清晰。数字电视前端系统在对IP技术应用时，通过对前端系统的有效设计，以双绞线的发展模式替代原来的同轴线，能够对线路进行简化，降低线路设计复杂性，保证系统在应用过程中，具有较好的安全性。由此可见，在对IP技术应用时，要注重立足于现阶段ASI前端系统存在的问题，通过有效的系统设计，更好地提升数字电视节目质量。
3IP技术在数字电视前端系统实现路径探究
通过上述分析，我们可以看出，IP技术在数字电视前端系统中的应用，在很大程度上提升了数字电视质量，满足了数字电视前端系统发展需要。如何将IP技术更好地应用于数字电视前端系统建设，成为当下数字电视发展必须考虑的一个重要议题。
3.1系统设计总体思路
在进行系统设计过程中，需要考虑到数字电视前端系统的实际情况，并能够结合ASI前端系统在应用过程中存在的弊端，通过利用IP技术对这一问题进行较好的解决，这样一来，才能够保证系统设计更好地满足人们的实际需要。同时，在进行设计过程中，还需要考虑到IP技术的安全性和经济性，这对于IP技术的推广来说，具有十分重要的意义。IP技术在应用时，需要对其应用步骤进行明确划分，并能够对前端系统加以改造，确保系统在运行过程中，具有较高的稳定性。再者，ASI前端系统在应用过程中，码流切换问题影响到了系统效率，并且对系统拓展性产生了较为不利的影响。在应用IP技术过程中，就需要对码流切换以及码流分配问题进行较好地处理，保证在总体设计时，能够对相关问题进行较好的考虑。同时，系统设计过程中，要注重采取分步实施的方法，对IP技术应用过程中可能存在的问题进行逐一解决，进而满足整体设计需要。
3.2总前端信号IP化
结合ASI前端系统结构情况来看，在利用IP技术对其进行改造过程中，首先需要从总前端信号IP化问题入手。总前端信号的处理，关系到了各个分前端的信号处理，影响到了系统整体性能。这一过程中，在对总前端信号IP化时，要着重从以下几点对问题进行考虑：首先，在进行信号源设备安装过程中，要确保电视信号能够以ASI格式进行IP打包，并利用打包器对信号进行相应的处理操作。这一方式，能够保证信号进行有效传输，避免信号在传输过程中出现缺失现象，更好地提升电视节目质量；其次，在对信号进行封装处理过程中，需要借助于总前端节目信号打包器进行，在进行信号输出时，采取IGMPV3的形式进行输出，这样一来，能够确保IP对应的`组播地址更好地进行信号接收，提升信号传输效率；再次，IP技术在数字电视前端系统中的应用，需要考虑到对高清转码器的有效应用，实现对电视节目的转码处理。这一过程中，IP技术能够更好地提升前端系统的拓展性，并能够利用UDP端口号，保证电视节目具有较高的清晰度。高清转码器和UDP端口号的结合应用，能够对原有ASI前端系统存在的信息传输质量问题进行较好的解决，可以在很大程度上提升电视信号拓展性，并保证电视节目的质量；最后，IP技术在应用过程中，需要对PSI/SI信号的有效应用。PSI/SI信号的应用，能够实现广播电视信号的有效传播，并且保证信号由总前端系统更好地分配到分前端系统中，保证信号传输具有较大的覆盖面积。
3.3分前端IP信号的接收
在对总前端信号进行IP化处理后，保证电视信号能够进行较好的接收，接下来就需要考虑总前端信号与分前端信号的传输问题。总前端信号接收，是对广播电视信号的有效接收，而分前端IP信号的接收，则是对总前端传输信号的有效处理，从而更好地满足人们观看电视节目的需要。分前端IP信号的接收处理问题，我们可以从以下几点进行分析：
3.4系统层面问题
分前端IP信号的接受处理，为了更好地提升信号传输的清晰性，需要从系统层面对该问题进行较好地考虑。一般来说，在利用IP技术处理这一问题时，需要相关技术人员构建IP处理系统，并能够根据信号传输的实际情况，设置相应的IP打包器和交换机，对总前端传输的信号进行有效处理，使之转化为高清晰度的电视节目。系统层面处理过程中，主要考虑到了总前端以及分前端信号传输问题，并能够从这一角度出发，对电视节目信息质量进行较好地处理。
3.5信号处理的高效率问题
在进行信号处理过程中，信号处理的效率性问题，直接影响到了电视节目的质量以及电视节目的信息传输质量。这样一来，信号处理时，要注重在省干网接收前提下对本地信号进行快速转发，使之对信号处理具有快速性和高效性。
3.6提升信号处理水平
分前端IP信号接收信息过程中，要注重对IP信号传输的ASI格式信号进行较好地处理，这就需要配备IP打包器和处理器，能够保证信号处理具有较高的水平，从而满足分前端对信号接收的实际需要。总之，在进行数字电视前端系统设计过程中，通过对IP技术的有效应用，需要保证IP信号接收环节设计是否合理，是否能够保证对信号的有效接收和高效处理，满足前端系统信号接收需求，更好地提升数字电视节目质量。结合本文的研究和分析，可以看出，原有的ASI前端系统模式在进行信号接收以及处理过程中，由于其系统设计存在较大的复杂性，并且相关功能存在一定的局限性，导致数字电视在信息处理过程中，存在较大的问题，不能很好地满足人们观看电视节目的需要。针对这一问题，需要利用IP技术对前端系统存在的问题进行改进，从而提升数字电视节目质量，为人们带来更多的服务。
[参考文献]
[1]周冲.数字电视IP前端系统的构建[J].有线电视技术，（20）：18-22.
[2]赵静，杨苏卫.基于IP技术的数字电视前端系统研究[J].西部广播电视，（2）：223-229.
[3]杨吉超，徐玉辉.基于IP架构的安徽地面数字电视前端系统解决方案[J].声屏世界，2015（S1）：10-11.
[4]王伟，徐军.基于IP技术的新型数字电视前端的研究与构建[J].广播与电视技术，（12）：67-70.
数字电视前端综合监控系统的实施 第3篇
关键词：前端,监测,传输流,卫星
对有线电视网来说，总前端的地位就好比人的大脑，处于整个系统中的核心地位，因此，确保有线电视总前端系统的安全播出无疑是有线电视网络安全传输工作的重中之重。在各项技术日益飞速发展的今天，随着广播电视的数字化工作不断深入，传统上单一依靠值班员对节目播出情况进行监测的模式已经无法满足需求。所以，一整套完备的高效、全面、严密的数字化监测手段和监控系统已成为确保安全播出工作的必要装备。有线数字电视前端是一个非常复杂的系统，涵盖多个不同的子系统，对于这样的系统的监控工作一定要做到有机结合、相互关联，而不能只是不同监测仪器的简单嵌套。务必要做到自动化、全天候、集成化、易升级、远程控制、声光多功能报警、数据分析和查询等功能，使之真正成为值班员的得力助手、最大化的人机结合以达到最高效的安全播出监控。
1 监控系统的功能与特点
有线数字电视前端综合监控系统主要包括设备信号获取、监测数据采集、控制系统、切换垫播系统、存储系统、数据处理查询系统等。
设备信号获取系统准确连续地采集所需节点的信号；
监测数据通过合适的信号模式进入监控主机；
控制系统通过已定义的模块规则分析判别得到的信号是否正常；
码流切换垫播系统在接到系统告警时确保作出准确、快速的切换、点播；
数据存储系统通过大容量实时存储码流数据以便随时提取数据进行分析。
有线数字电视监控系统的主要目标是为有线数字电视运营商提供一个安全可靠、集成化、统一完整的数字广播电视信号自动监测平台。硬件设备的选择，以稳定性为前提，软件系统开发要确保运行的稳定，保证信道、传输流、节目图像监测系统的安全运行。确保整个系统的高稳定性。系统的设计应尽量模块化，采用多层网络体系结构，便于系统的扩展，比如增加测量点获得更加精确的监测数据和依据，以及用户数量的增加。
2 监控系统的实施
有线数字电视前端播出平台的信号监控系统，主要包括码流与信道监测、视音频节目监测录像和卫星数字节目监控三大模块。监控系统在实际应用中能够对非法、干扰信号迅速反应，工作可靠，并取得了不错的“安全播出”效果。
(1）传输流与信道监测系统
MPEG-2传输流作为数字电视传输的基带信号，在日常运行环境中，需要连续或周期性的监测MPEG-2传输流，检查其完成性，对TS流中的重要参数进行快速检查。这些参数主要有MPEG-2、DVB和ETR101290标准规定。针对数字电视信号的特点，根据错误对信号的影响，在ETR101290标准中，把错误划分为第一优先级、第二优先级和第三优先级。发生第一优先级错误通常会引起解码器无法解码，这一优先级参数包括TS传输流同步丢失、同步字节错误和节目关联表错误等。出现第二优先级错误时，会损伤解码图像或者引起断续解码，这一优先级参数包括TS传输错误、节目是种基准错误等内容。第三优先级错误包括网络信息表错误、业务信息重复周期错误和业务表述表错误等，不影响解码性，对图像质量影像较小。
对数字电视下行信道造成干扰的主要原因是邻频干扰、非线性指标干扰和交调。该系统主要是测量信道参数，如信道误码率、数字频道功率、载噪声比、MER、EVR及I/Q矢量误差等。
目前，数字电视信号监测系统主要以工业计算机或服务器作为工作平台，以数字电视信号采集卡为硬件基础，再加上相关的软件包构成监测系统主机，各监测主机具备通过以太网组成监测网的能力，监测主机的采集信号接口可为DVB、ASI和RF接口。监测系统的构成如图1所示。
监测系统通过信号采集接口信号送到监测主机以对数据流进行实时分析监测，详细分析误码对一套或多套节目的影响，同时按照监测要求进行参数显示、报警和数据报表等处理。监测主机带有缓冲存储器，可实时分析和存储数字电视信号数据，并记录发生故障的现场数据。监测主机的软件具有数据状态监测、节目监测、ERT290参数监测、信号质量检测显示、报表生成及综合管理等功能。
在排障过程中，为快速、便捷定位系统中的故障点，可采取搭建128矩阵，分别在系统中各个节点的ASI分配放大器取信号，接入码流分析仪，通过快速切换矩阵通道查看各个节点的码流状况。
(2）多画面显示监测录像报警系统
多画面显示监测录像报警系统的建设是要实现对有线数字电视前端播出平台对全部数字电视节目信号进行监录，且符合广电总局颁发的《全国有线广播电视监测网监测前端及用户监测终端技术要求》。
监控系统应能把信号源以多画面分割的形式显示在大屏幕上，对所有信号源进行实时监测，包括码流层面的参数分析和内容层面的视音频丢失、静帧、黑屏、台标错误、声音过高和过低等告警，根据监测结果自动或手动应急切换，并实时提供图形、语音、文字、网络消息、电话语音、手机短信等多种报警方式。在前端系统射频输出端口，进行实时末端内容监测，以多画面分割的形式显示在操作台上，并进行硬盘录像。设计节目容量要涵盖所有播出频道，需要考虑备份通道，各频道节目内容进行7（天）×24（小时）不间断实时收录，并通过先进的数字编码技术对每路节目内进行实时数字化高质量压缩，并通过单台收录服务器的本机存储，实现对所有监录节目内容的长时间（七天）保存和管理。并能够实时调看各服务器上的每路节目，可以通过网管控制系统对每路监控节目频道的进行设置和重设，能自动将收录服务器上的节目内容通过自动/手动/定时等可选方式，下载到外存储设备中进行长期保存。配备大容量的网络数据库存储，以便数据统计和历史查询。
(3）卫星节目安全监控系统
广播电视信息安全是国家信息安全的重要组成部分，具有极其重要的战略意义，对数字卫星节目非法入侵的防范，是数字电视安全播出的重要组成部分。非法卫星攻击往往是采用共道（利用相同参数发送到卫星转发器上）和逆道（利用已有信道传输其内容）的入侵方式。针对此，检测方式上可采用传输流信道监测与传输流结构、内容监测相结合的方案实现。
卫星数字节目监控系统实时监控从卫星功分器接收的QPSK（中频）信号。通过捕捉信道锁定、信道误码、数据同步错误以及检测信号强度跳变、信号质量（噪声指示）跳变、载噪比（C/N）等数值判别非法攻击干扰，并根据报警规则库，在卫星信号被非法攻击时进行报警，并通过自动和手动切换机制快速进行切换；也可以在信号质量发生突变（如日凌、雨衰）时进行提示。设备按报警规则库进行监测报警，报警规则库内容可增减调整，并可调整灵敏度阀值，以保证攻击手段提高后防范技术的升级。
在发生非法攻击，源卫星信号不能播出时，可通过TS流切换器在将信号自动切换至垫播服务器播出的信号上，此时并不影响前端对非法信号的监测和监看，其中一路进行切换操作时不会影响其他线路上的正常节目传输，垫播信号可根据自己需求进行提前的录制，可保证在非法攻击时，在非法信号不漏播的前提条件下，用户仍能够看到预先录制好的节目。有效的减少用户投诉率。
3 小结
安全播出的工作是永远没有止境的，数字电视前端是一个涉及很多环节，非常复杂的系统。要做好安全播出工作，必须要运用严密、清晰的思路，尽可能周全的考虑到每个可能出现问题的环节。随着有线电视数字化工作的深入，建设完善的信号监控监测系统，将会有力地保障有线数字电视信号的安全播出。
参考文献
[1]GY/T221-2006有线数字电视系统技术要求和测量方法.
[2]余兆明等编.数字电视传输与组网[M].北京:人民邮电出版社, 2003.
[3]廖洪涛等编.数字电视业务支撑系统[M].北京:电子工业出版社, 2007.
监控系统前端子系统 第4篇
摘 要：国内外的疫苗冷链的断链问题时有发生，究其原因有对其的重视程度不够，管理意识不强。但更重要的原因是疫苗冷链监测硬件的落后，设施简陋，缺乏疫苗冷链温度实时动态监测。本文从条码扫描与温度监测相结合出发，对冷链运输中疫苗的信息监测系统的新型前端装置作了详细介绍。
关键词：温度检测；条码扫描；前端装置
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.121
疫苗冷链运输现状
目前疾控系统、血站、医院系统普遍采用了信息化管理系统，大大提高了血液、试剂、疫苗的安全性，建立了符合实施细则的操作规范，但冷链设备的温度监控系统却尚未得到足够的重视，曾经发生过的疫苗、血液质量问题触目惊心，如“山西高温暴漏疫苗事件”、“江苏狂犬病疫苗事件”，和 “山东疫苗事件”。疫苗事件大多出现是在二类疫苗的配送和供应上，但其主要原因是冷链设备各个环节的温度监控缺失，冷链温度检测手段相当滞后，手工测量，数据零散，实时性差。如测量疫苗的温度和条形码信息，需要分别检测和存取在二个子系统中。使其效率低，错误概率大。针对此问题，开发同时具有检测疫苗的温度和条形码的新型前端装置势在必行。系统前端检测装置的设计
2.1 条码扫描与温度检测相结合
在设计前端检测装置时要求在获取产品条码信息的同时，能检测产品的温度，具有显示和报警和实时通信功能。基于单片机多任务机制，在不增加扫描器的体积的条件下，将条码扫描与温度检测功能集成在一块的新型装置。在单片机控制、协调下，利用条码扫描器对产品信息进行扫描，获取产品名称、生产时间、厂家等信息；借助于温度传感器检测产品温度等信息。并且能实时地将上述信息显示、存储和报警。扫描产品条码信息和测量温度可同时进行，满足了不仅需要条码信息，还需要温度实时检测需求。此外，数据通信主要完成短消息收发、与单片机或PC机通信、软件流控制功能，具有多种通信功能，是对现有条码扫面器功能的增加，性能的拓展和完善。系统前端检测装置的原理框图如图1所示。它由以单片机为核心，具有温度检测电路、条码扫描器电路、显示电路、按键电路、晶振电路、通信电路、报警电路、电源电路和复位电路等。
2.2 主要模块介绍
具有温度检测功能的模块选用DS18B20；显示电路采用LCD1602显示屏；通信电路选用GSM模块；条码扫描器使用MDI5000模块；报警电路由蜂鸣器和发光二极管电路组成。条码扫描采用的嵌入式二维扫描引擎MDI5000。基于温度传感器DS18B20单总线接口的控制电路实现高精度、多点温度测量系统并通过LCD1602液晶屏直观监测数字化参数，然后通过西门子公司生产的TC35I模块将数据从GSM网络发送至手机或其它通信设备。整个系统采用单片机STC89C52进行控制，能够轻松得到远程温度数据，操作简便效率高[1]。
2.3 外接串口扩展
本设计可以外接条码扫描器，如图2所示，条码扫描器与PS/2输入串口相联，当条码扫描器以中断方式扫描产品条码后，条码输出的串行数据脉冲[2]，也即PS/2的引脚和时钟脉冲，也即PS/2的引脚经过非门CD40106，分别接到串行输入并行输出芯片74HC164的数据端A、B端及时钟输入CLK端，由Clock脉冲的下降沿控制74HC164的位移操作，条码输入设备每输出一个字符的扫描码，由CLK控制在74HC164的输出脚Q0D0位。这部分转换完成后，接口通知单片机STC89C52将转换完毕的并行扫描码读入。由于Q0Q7 脚上的扫描码，设计一片74LS245 将它们隔开，74LS245是八位双向3态缓冲电路，在74LS245的与DIR同时为低?平的时候，74LS245将B0?CB7上的数据传送至A0?CA7上，为使单片机准确地发出读数命令，接口电路要完成74HC164转换完一个扫描码之后通知单片机接收74HC164的Q0-Q7数据[1]。设计中采用对Clock脉冲的下降沿记数来实现。条码输入信息，也即PS/2的引脚，至74HC164的CLK脉冲同时又输入至单片机的RO脚。利用RO对CLK脉冲记数，由于条码扫描器输出数据中每9个负脉冲对应一帧扫描码，因此RO每记数9次向CPU发出中断请求，从而保证CPU准确地读取数据。疫苗智能信息化系统发展前景
以上新型检测前端装置通过初步测试和实验表明：成倍提高工效，大幅度减少出错误概率。它与疫苗信息化系统相配合可构成智能疫苗信息系统。
智能疫苗信息系统由智能检测前端和信息系统构成。新型检测前端装置实时采集疫苗温度和身份数据，具有移动式数据采集前端特征和 “黑匣子”功效。通过使用无线射频识别，对疫苗建立电子识别码，记录其种类、生产厂家、生产时间、使用要求、储藏、运输、销售等流通过程中的信息，便于监测中心的动态分析和信息化管理。数据终端采集的数据可通过无线通讯GPRS模块传输到Internet网络，然后将采集的数据汇集到监测数据中心集中存储和管理。建立疫苗的动态监测数据中心，包括产品数据库、使用数据库以及流通数据库。同时通过监测软件进行处理、分析、统计、查询，实现对监测信息动态展示和实时分析预警功能。系统可通过GPRS模块将疫苗存储温度信息发送到管理人员的手机终端，方便管理人员或领导随时了解疫苗存储情况。实时掌握各种生物制品的库存、有效期、去向和使用情况；当发现问题时，及时追溯问题根源，尽早采取解决办法；提高日常工作效率，降低出差错的概率。它具有便捷性、安全性、稳定性、快捷性等特点。
参考文献：
毫米波雷达前端系统设计 第5篇
毫米波的工作频率介于微波和光之间,毫米波雷达比微波雷达体积小、重量轻、波速窄、带宽大、抗干扰能力强;比红外或激光传感器气象适应性好,所以它是继激光、红外之后电磁频谱利用中的一枝新秀。以前毫米波雷达的应用受到器件,尤其是有源器件功率不高的限制,使它难以在末制导以外的领域发挥作用。然而今非昔比,20世纪90年代第二阶段的微波毫米波集成电路规划取得重大突破后,大功率毫米波功率源、介质天线、集成天线、低噪声接收机芯片等相继问世,使毫米波雷达发生了更新换代的变革,并且大大拓宽了它的应用领域。
2 毫米波雷达前端系统设计原理
利用伪随机编码信号良好的自相关特性,低距离副瓣,获得高的测量精度和距离分辨率。同时利用正弦波调频信号体制的回波信号功率为距离函数的特点来有效地抑制近区杂波干扰。图1为采用伪随机编码调相和正弦波调频这两种连续波信号的复合调制体制框图。
16 GHz高频振荡器产生16 GHz±10 MHz微波振荡信号,经正弦调制后信号送到调相器,进行随机编码调相。调相后的信号通过功分器,一部分放大后由发射天线辐射出去,另一部分泄漏信号加到信号混频器经天线辐射出去的射频信号照射到目标后,目标反射的回波信号由天线接收,回波信号送到信号混频器与泄漏信号混频并滤除高频信号,得到视频信号。视频信号放大后经过数字信号处理就可以送到耳机从而直接监听目标运动情况、速度和状态。
如图1所示,雷达前端系统的主要组成部分有振荡器、0/π调相器、功率放大器以及混频器。
2.1 介质振荡器
介质振荡器采用如图所示的场效应管介质反馈型振荡器。GaAs场效应管介质反馈型振荡器可以采用漏极输出或源极输出两种方式,为了获得尽可能大的输出功率,选用漏极输出、源极直接接地的形式。
通常选用的介质振荡器模式有TE01δ模、TM01δ模和HE11δ模,但在与微带耦合时一般选用TE01δ模,因为其电磁场是圆对称的,与微带耦合非常方便,而且振荡模式稳定。本文选用圆柱形介质谐振器,其直径D=3.423 mm,高度h=2.28 mm。参数为:f=16 GHz,εr=40。实际电路中,在谐振器与微带基片之间垫入一低介电常数、低损耗的介质片,用来减少微带基片和金属接地板对谐振器Q值和温度性能的影响。
2.2 0/π调相器
0/π调相器采用开关线调相器。开关线调相器的电原理图如图3所示。L1,L2是两条长度不同的微带传输线(或者是其他任意微波传输线),D1,D2,D3,D4是4只性能一致的PIN二极管。当两边二极管互补偏置时,二极管D1,D2导通时,D3,D4处在截止状态,载频信号经L1传输。反之,D1,D2截止时,D3,D4处在导通状态,载频信号经L2传输。很显然,由于L1和L2长度不同,因而引起相移作用。
设较短的路径为L1,较长的路径为L2。则调相相位为:
式中:β为传输线相位常数;λg为传输线中的波导波长;ΔΦ 为相移量;ΔL为路径长度之差。
要实现0/π调相,那么。
2.3 功率放大器
如图1所示,介质振荡器产生16 GHz±10 MHz的振荡信号为6～9 dBm,为了确保信号能传输取最小值进行设计。6 dBm的信号经过隔离器损耗1 dBm,又经过0/π调相器损耗1 dBm,得到4 dBm的信号。4 dBm信号经过3 dBm的功分器,进入功率放大器的信号只剩下1 dBm,要得到17 dBm的发射信号,功率放大器至少要放大18 dBm左右。通过选择适当的放大管子,设计一定的放大器电路,最终能达到设计所要求的性能指标。
2.4 信号混频器
信号混频器采用如图4所示的双平衡混频器。
此电路的特点是本振和信号电压分别通过平衡———不平衡变换器加到二极管上,这种变换器简称巴伦,用巴伦代替了定向耦合器及高低频短路线等,展宽了工作频带。信号与本振功率分别通过巴伦加到二极管电桥的两个对角线上。只要四只二极管性能完全相同,电桥保证平衡,则信号与本振端口之间就可以完全隔离。同时二极管电桥又为二极管提供了高低频和直流通路。
这种混频器具有如下的长处:双平衡混频器隔离度高;动态范围大;双平衡混频器是宽带混频器。
3 结语
经过长时间的研究,已经研制出了一个满足要求毫米波雷达前端系统。该系统采用如图1所示的毫米波雷达前端系统设计原理图,工作频率为16 GHz,在常温下频率偏移小于等于10 MHz,输出功率Po≥45 mW,相位噪声≤-70 dBc/Hz/10 kHz。0/π调相器在750 kHz对称方波下,常温载波抑制≤-25 dB。
参考文献
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监控系统前端子系统 第6篇
公共安全是国家安全的重要组成部分, 是人民安居乐业、是建设和谐社会的基本保证。公共安全的信息化是实现公共安全的基础保障, 是中国未来科技发展的重点领域。多年来, 公安机关借助社会信息化的发展, 通过实施“金盾工程”、“平安城市”等一系列安防信息化的建设, 在完善社会公共安全管理、维护社会安定团结、健全社会治安防控体系、提高警务指挥等方面发挥了重要作用, 特别是在视频图像的建设和应用方面, 全国各地的监控探头如雨后春笋般伫立起来, 公安机关与社会单位监控资源纷纷联网, 初步形成了遍布全国重要场所、道路交通、重点区域、敏感地带等视频防控信息系统, 在进行重大活动、日常警务工作、公共安全管理、社会治安管理、突发事件处置、反恐处突等方面发挥了不可替代的重要作用, 治安防控体系已具备雏形。
随着中国社会经济的高速发展, 社会安全的危险性和人民的安全意识也逐步提高。社会的公共安全形势也变得越来越严峻。社会矛盾凸显, 影响社会和谐稳定的各种因素日趋复杂多样, 社会公共安全领域中人流、车流、物流、信息流和意识流速度加快, 对公共安全管理充分利用视频防控信息技术维护社会稳定、治安管理、打击犯罪、反恐处突等工作提出了新要求、新挑战、新思考[1]。
充分研究、应用智能化的视频防控信息技术, 为增强公共安全管理工作的预见性、前瞻性、统筹分析判断、科学动态指挥、快速反应处置, 切实提高维护国家安全的能力、驾驭社会治安局势的能力、处置突发事件的能力、为经济与社会发展服务的能力, 提供强有力的视频分析信息应用技术支撑, 已经成为时代的要求和社会公共安全管理的实战需要。
1 上海城市公共安全图像监控系统建设和应用现状
经过改革开放30年, 特别是近10年围绕重大公共活动 (如奥运会、世博会、世游赛等) 安全保卫的建设, 上海市的政府部门、企事业单位, 如金融、文化、商业、教育、医院、化工、食品生产、居民小区以及报警服务企业等, 陆续开展图像监控系统建设。尤其为确保2010年上海世博会的安全举行, 政府各委办局根据各自业务需要, 增加建设了大量监控探头, 有效提高了公共区域和重点目标的监控覆盖。在探头数量与联网规模上, 上海城市图像监控系统的整体水平处于国内领先水平。
尽管上海公共安全图像监控系统建设已处于国内领先水平, 但是与国际发达城市的水平相比、与迅速增长的平安城市安保要求相比, 已有设备新技术的应用还有一定距离和主要体现在以下几个方面:
1) 被动式的人工监看与分析。目前, 公安专用监控网络普遍采用人工重点实施观看和突发应急综合指挥两种基本的运行模式。监看人员根据经验和实际情况对重点部位的视频进行重点观看, 如果发现异常会及时通知、调度现场周围的民警进行干预和处置。遇到重大突发事件或者重大社会活动时, 通过视频监控室了解现场动态的重要手段。各级领导在指挥中心进行集中指挥, 通过视频监控网络对全局事态直观掌控。此外, 公安实战部门的视频应用模式还比较原始, 基本依靠人工分析。在这种应用模式下, 无论是视频监控网络的运行人员还是一线的办案民警, 他们的工作量都非常大, 不但视频数据的应用效率非常低, 而且案件办理的成本非常高。
2) 图像分辨力较低, 感兴趣目标的信息量不足。前端摄像机和后端的显示设备以支持标清为主, 基本像素仅40万左右 (水平解析度约480线) , 很难获得感兴趣区域的细节信息, 例如犯罪嫌疑人面部特征、犯罪现场细节和车牌等信息。而视频监控系统的带宽和存储资源有限, 录像格式的分辨力通常较低, 导致监控视频中大部分目标图像的分辨力较低, 很难达到事后取证的要求。
3) 缺乏智能应用模式的探索。现代城市呈现出的人口高度密集和流动, 车辆等交通运输系统繁忙, 重大活动多且参与人员广泛, 恐怖事件、突发事件和恶性案件复杂且频发, 犯罪行为和手段高明且隐蔽, 城市范围越来越大、城乡渗透互动发展迅速, 信息传播高度发达, 科技发展速度快等特点, “异常事件”的发生和定义不断发生变化, 从而使得智能应用的模式也要不断变化和更新。目前带有智能视频分析的前端系统大多针对某种特定事件进行探测, 缺乏一种对异常事件的结构化的描述及快速响应的应用模式。
4) 设备技术标准混乱。目前, 配备监控网络的建设, TC100标委会、公安部等部门出台了相关的标准, 例如《城市监控报警联网系统技术标准》等十多项标准, 对监控网络的建设中的技术指标、验收指标等做出了较为系统的规定, 构成了有关视频监控网络建设的标准体系。但是对于视频监控设备的相关标准只有数项, 没有构成一个完整的标准体系, 使得目前监控设备的研发和市场状态较为混乱, 设备兼容性差, 建设单位在视频监控网络建设中研发设备原型的压力和风险都很大。另外, 目前对监控设备的配备、操作和系统运行等事关监控网络运行和数据应用效率等重要方面缺乏相应的标准。
因此, 提高图像质量与带有检测识别预/报警功能的视频监控前端系统成为公安一线对图像监控技术升级的现实需求, 有望推动公安视频信息化应用的深度变革。
2 图像监控智能前端系统应用模式分析
监控前端作为视频信息处理的第一个加工厂, 在整个视频监控系统中发挥了重要的作用。目前大部分基于图像的智能化分析多集中在后端的监控中心, 很少有前端系统带有主动感知异常的功能或者只针对简单场景, 集成越线、区域入侵等简单的分析功能, 这样不仅响应速度慢, 而且不能有效缓解当非异常情况发生也要进行编码传输的操作, 造成了很大处理资源及网络资源的浪费。因此采用智能前端系统具有较好的应用前景, 目前其主要的应用模式主要分为4种, 如图1所示。
模式1的系统是在原有的非智能的监控系统框架下增加智能视频分析及主动感知的功能, 采用串行连接的方式, 在探头和编码器之间增加一个智能视频分析服务设备, 使得智能视频分析与编码系统和探头相对独立, 信号串行处理, 这不仅增加了系统的复杂性, 也造成了多设备交互的处理及响应的延时。
模式2的系统从设备角度采用并行联接的方式, 摄像机探头与智能图像处理服务器和编码器分开, 并用某种硬件接口互联, 智能图像处理服务器和编码器对摄像机采集的图像并行处理, 相对独立, 大大阻碍了探头、智能感知分析、编码这3个部分的高效协同的工作机制。
模式3则将编码和行为分析模块结合在一起, 减少了设备之间的交互操作, 既节约系统处理时间, 减低了成本, 同时方便系统维护;另一方面将两个处理模块结合在一起有利于智能感知分析、编码两部分高效协同的工作。
从技术角度而言, 模式3也较为成熟, 具有在实际场景中使用的能力。
模式4是一体化的智能前端模式, 高度集成了视频采集、分析、编码和传输的功能, 是智能前端未来发展的一个方向。目前受到硬件平台处理能力的限制, 不能实现复杂的智能分析功能。
智能前端编码和行为分析模块目前都有多种算法可以应用, 在选择算法方案时, 主要基于以下方面:
1) 算法性能的评估。即编码算法的压缩效率和图像质量, 行为分析算法的检测准确率。仅考虑算法性能, 则编码质量和行为分析检测率越高越好, 但一般会造成算法复杂度的上升, 进而影响系统实时分析性能, 从而也需对算法复杂度进行评估。
2) 算法复杂度的评估。简单来说, 即是算法的耗时和存储单元的使用情况, 对于智能前端来说, 算法的复杂度不能影响系统的实时性分析, 一般而言算法复杂度的降低往往会带来性能的下降。
因而在选择算法方案时, 要对性能和复杂度进行折中, 既要使算法性能满足智能前端系统的需求, 同时算法复杂度不能影响系统的实时性。定义代价比为, 选择的算法能使得λ越大越好, 公式为
综上所述, 实际应用中针对不同场景和目标类型应该选择性能复杂度代价比高的方法。
3 关键技术分析和挑战
面向公安行业应用的智能前端监控系统在技术和应用上面临着许多挑战。需要解决以下几个难点问题:
1) 高准确率、高稳健性的信息提取。面对公安行业的应用特点, 大多数的探头将安装在室外的公共场所, 监控的区域包括道路、多类重点目标等。对这些场景的视频分析面临着各种实际的环境适应性的挑战, 包括雨雪天气变化、光照变化、树木扰动以及电器设备噪声的影响, 如何克服这些环境的干扰, 高准确率地提取信息是本系统要解决的一个难题[2]。
2) 多种类型目标的检测。在城市公共安全图像监控系统中, 需要关注的目标很多, 类型也各不相同。例如目标包括车辆 (机动车包括小型车、货车、公交车, 非机动车包括自行车、三轮车、电动车) , 行人个体和群体 (大尺度、中尺度、小尺度) 等, 如何在复杂环境中有效提取多种类型目标的信息也是本项目要面临的挑战[3]。
3) 高效、内容自适应的视频编码和传输。视频编码技术的进步给高清监控带来了新的发展, 有效缓解了高清视频监控在网络带宽、解码显示能力、存储资源上遇到的瓶颈, 成为了监控行业全面高清化最有力的助推力量。
上海公安自建的探头以固定探头为主, 尤其是今后“十二五”期间高清建设中也将保留这种前端固定探头为主的模式。这样视频场景比较固定, 大部分时间的视频信息不需要重点关注, 尤其是在夜间或非忙时阶段, 如何利用数字视频智能分析的结果, 有效地筛选感兴趣目标和区域并进行自适应调整码率分配策略, 达到高效编码、传输和存储的目的, 是本项目要面临的挑战之一。
4) 稳定的系统设备及实时的处理性能。本项目的智能前端系统设备需要安装在被监控目标附近, 通常在室外的配电设备箱中面临着环境温度、湿度变化、灰尘等恶劣条件。设备运行时需要7×24 h不间断工作, 需要设备具有远程升级、自检的功能以及工业级的环境适应性和可靠性设计。另外, 面向公安实时高清应用的需求, 设备需要具有高效快速的软硬件处理能力。环境的适应性需要比较复杂的智能分析算法来补偿, 而复杂的算法需要强大的处理能力, 如何权衡现有的软硬件处理能力和优化算法的性能是本项目面临的另一个挑战。
5) 符合公安实战应用的工作模式。上海公安担负着上海国际化大都市的城市安全管理、治安防范等工作, 其相关的业务要求图像监控系统应具有图像清晰、响应速度快、稳定可靠、易于管理和维护等特点。智能前端设备如何与探头数据采集、传输、存储、应用等系统协同工作的机制和模式是本项目需要解决的关键问题。
4 应用前景分析
4.1 应用条件
智能监控在过去几年一直未能真正实现普遍性商用, 主要停留在小范围, 在特定行业的试用, 分析其应用受限的原因和条件, 可以从图像清晰度、算法的高效性和稳健性、软硬件平台及应用模式几个方面进行。
1) 图像高清晰度是实现智能前端应用的前提条件。
视频图像质量低下而无法为智能分析提供基本素材, 但这两年随着高清技术的逐渐普及, 使得基于高清晰图像实现智能分析成为可能且技术不断成熟, 大大提高了智能信息识别的精度。
2) 算法的高效性和稳健性是智能前端应用的首要条件。
智能前端编码和行为分析模块目前都有多种算法可以应用, 在选择算法方案时, 主要需要权衡算法的性能 (包括检测识别的准确度和环境的适应性) 和算法的效率 (实时性) 。即选择的算法方案既要使算法性能满足智能前端系统的需求, 同时算法复杂度不能影响系统的实时性。
3) 嵌入式软硬件系统的性能提升是智能前端应用的必要条件。
由于智能分析算法通常采用计算机视觉、模式识别、机器学习领域的知识, 通常算法复杂度较高, 采用高清视频后, 复杂度也将曾指数增长, 所以嵌入式系统为主要设备形态的智能前端监控系统的广泛应用也受到软硬件平台性能的限制。
4) 行业的应用模式是智能前端应用的决定性条件。
无论是何种技术, 必须能在实际中面向应用才能在市场上普及应用。智能前端的商业应用需要深入研究市场业务系统的需求, 以市场为导向, 促进智能前端技术的不断推广。
4.2 应用前景
智能前端系统的研究可以对面向上海城市公共安全的智能监控应用提供必要的算法创新和技术储备, 同时为新型智能视频监控系统的架构设计提供参考方案。随着智能视频监控系统及嵌入式智能前端设备的市场推广、大规模商业化进程, 可以促进新的业务链的形成, 有着广阔的市场前景, 将产生巨大的经济效益。
5 总结
当前, 上海公安工作面临的形势发生了许多新变化, 呈现出许多新特点。同时, 科学技术日新月异, 发展迅速。结合上海公安工作的发展特点和科技与信息化工作的实际情况, 充分发挥世博后续效应, 深入推进网络、通信手段、图像信息、数据共享、信息采集和安全等信息通信基础设施建设, 满足各类实战应用对于信息通信基础的需求。力求 “十二五”期间把上海建设成以数字化、网络化、智能化为主要特征的“智慧城市”, 并努力使上海成为最安全的大都市之一。
参考文献
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智能公共自行车系统前端设计 第7篇
关键词：智能,公共自行车,系统前端,设计
0前言
随着国家改革开放步伐的加快, 经济得到快速的发展, 同时也带来一些问题如环境污染。近年来, 国家经济建设和环境保护从先前的先发展后保护慢慢转向发展和保护并行的轨道上, 提倡建设和谐社会和发展低碳经济。低碳生活越来越成为人们追求的对象, 特别是今年3月份全国大范围的雾霾天气, 给人们的出行和身心健康带来很大的影响。针对这一现状, 非常有必要来开发智能公共自行车系统, 自行车作为一种不消耗能源、无污染的绿色交通工具, 有利于缓解车流量、减少汽车尾气排放、促进节能减排, 实现经济社会可持续发展[1,2]。
目前, 国内少许城市引进公共自行车系统, 其运行效果良好, 但其数量远远无法满足发展的要求, 同时也存在一些问题如实时性、稳定性、可靠性差等缺陷。基于CAN总线, 利用ARM-μCOS II, 结合GPRS无线数据传输技术, 设计的智能公共自行车系统前端, 很好地实现前端和后端相结合, 同时也提高系统的实时性、稳定性和可靠性, 满足智能公共自行车前端功能设计要求。
1 整体设计方案
整个智能公共自行车系统前端由CAN总线、控制节点和若干控制子节点构成, 控制节点由CAN控制模块、SIM900A模块和SPI-FLASH存储器模块组成, 每个控制子节点由RFID模块、语音模块、开关模块和CAN控制模块组成。首先由控制子节点的RFID模块读取用车者的IC卡信息, 该信息经过控制子节点的MCU判断和处理, 通过CAN总线传输到控制节点, 控制节点利用GPRS TCP/IP将该信息发送到后端服务器。控制节点通过SIM900A模块接收后端服务器的信息, 控制节点的MCU提取该信息中控制子节点的地址, 通过CAN总线将该信息传输到该地址的控制子节点, 控制子节点的MCU提取该信息中功能码, 执行相应的功能操作。智能公共自行车系统前端整体结构示意图如图1所示, 其中控制子节点只列出其中一个, 根据需要可有若干个控制子节点。
2 系统硬件设计
2.1 电源
考虑到用电的方便性, 采用外接220 V电源, 利用220 V转12 V的交流变压器和整流桥获得低压直流电源。应用DC-DC电源芯片MP4560降压得到5 V直流电压, MP4560是一个高频开关降压器, 提供高达2 A的输出电流, 具有4.5 V~55 V的输入电压范围, 由LM1117-3.3电压转换芯片将5 V直流电压转换为3.3 V直流电压以及利用MIC29302电源芯片将5 V直流电压转换为4 V直流电压, 4 V直流电压主要给SIM900 A模块提供电源。
2.2 CAN总线
方案中所有的MCU均采用ARM Cortex-M3内核的微处理器STM32F103RBT6, STM32F103RBT6具有高性能、低成本、低功耗等特点, 具有一个CAN控制器, 支持CAN协议2.0A和2.0B, 其设计目标是, 以最小的CPU负荷来高效处理大量收到的报文, 其功能完全满足本方案的要求。CAN收发器采用德州仪器公司生产的SN65HVD230器件, 该器件适用于较高通讯速率、良好抗干扰能力和高可靠CAN总线的串行通信, 加之其电气连接十分简单, 因而具有良好的实用性。
2.3 控制子节点
控制子节点主要由MCU模块、电源模块、RFID身份识别模块, 语音模块、CAN电平转换模块、开关量模块和继电器模块组成, 实现用车者身份识别、语音播报、数据传输和锁具开关等功能。控制子节点结构示意图如图2所示。
方案中RFID射频芯片采用NXP公司MF RC522射频芯片, 其与MCU通信接口采用SPI模式。语音模块采用WT588D系列语音单片机, 该系列芯片支持MP3控制模式、按键控制模式、按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式以及三线串口控制I/O口扩展输出模式, 音频下载接口采用USB总线转接芯片CH341, 通过USB总线转4线同步串行接口, 实现从PC机语音下载。开关量模块采用摩托罗拉公司MC1413D产品, 结合继电器实现控制锁具的开和关。
2.4 控制节点
控制节点由MCU模块、电源模块、CAN总线模块、SPI-FLASH存储器模块和GPRS无线通信模块组成, 主要完成与各个控制子节点数据传输和与后端进行无线通讯。
GPRS无线通讯模块采用SIMCOM公司生产的SIM900A, 该模块内嵌TCP/IP协议, 扩展的TCP/IP AT命令让用户能够很容易使用TCP/IP协议, 利用SIM900A TCP/IP传输功能, 可以将公共自行车前端数据发送到任意一个具有公网IP地址的主机上去, 从而实现远程无线数据传输[7,8]。SPI-FLASH存储器模块采用串行闪存W25Q16, 该模块主要用于当GPRS无线网络出现问题时缓存前端需要通过无线传输的数据, 当GPRS无线网络恢复正常时MCU从存储器中读取缓存数据, 控制GPRS将数据传输出去, 同时也储存一些相关的配置信息。控制节点的LCD模块, 主要用来显示当前一些信息, 如温度、时间、日期、节点号、联系电话等。
3 系统软件设计
3.1 μCOS II操作系统移植
根据微处理器STM32F103-RBT6完成μCOS II操作系统移植, 其关键在于系统时钟和中断的处理, 主要需要修改OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C三个文件。根据STM32F103-RBT6的Cortex-M3架构的栈是由高地址向低地址增长, 因此在OS_CPU.H中宏定义OS_STK_GROWTH为1, 表示堆栈的地址由高向低地址增长, 其任务切换OSCtx Sw () 模式定义为OS_CRIT-ICAL_METHOD==3第三种模式;μCOS II中OS_CPU_C.C定义中断函数OS_CPU_Sys Tick Handler () , 而在标准外设库CMSIS提供的启动文件中的stm32f10x_it.c中也定义了中断函数Sys Tick_Handler () , 为了避免重复将OS_CPU_Sys Tick Handler (void) 函数注释掉, 将OS_CPU_Pend SVHandler (void) 函数替换为Pend SV_Handler (void) 。
3.2 CAN
控制节点CAN接收过滤器配置为对其下的控制子节点数据均可接收, 控制子节点CAN接收过滤器配置为只对控制节点数据接收, 其屏蔽信息通过对子节点地址过滤来实现, 控制节点地址配置为0x0000。由于整个前端功能复杂度不高, 不需要采用CAN相应的协议栈来实现, 采用自定义数据传输格式, 数据帧主要包括命令帧和错误帧, 数据帧格式和部分功能码如表1所示。
3.3 控制子节点
控制子节点通过读取IC卡号和判断自行车状况, 通过CAN总线与控制节点进行数据通信, 从而实现借车、还车功能。其IC卡分为普通和管理卡, 普通卡借车和还车需要先经过后端信息核实, 核实通过才可借车和成功还车, 管理卡则不需要经过后端信息核实即可成功操作, 控制子节点借车和还车流程如图3所示。
3.4 GPRS程序编写
实现GPRS TCP/IP无线传输功能的程序主要包括SIM900A模块初始化、AT命令配置、数据发送和接收。调用GPRS_Init () 函数完成初始化, 其开启通过把PWRKEY信号拉低一段时间然后释放来完成的, 无线数据的传输是通过MCU的USART向SIM900A发送AT配置命令来实现的, 其AT命令配置如下所示。
5 结语
综上所述, 基于CAN总线与GPRS/GSM的智能公共自行车系统前端是利用CAN总线控制和日益完善的全球移动通信网络以及ARM控制技术的一种全新智能公共自行车系统前端。实现了智能公共自行车系统前端的硬件及软件设计, 通过RFID读取IC卡号, 判断控制子端自行车状态, 利用CAN总线将数据帧传输到控制节点, 控制节点利用GPRS TCP/IP将数据帧传输到后端, 控制节点通过GPRS接收后端的数据, 提取控制子节点的地址, 利用CAN总线将数据帧发送到控制子节点, 控制字节点提取数据帧中的功能码, 完成相应的功能控制, 从而实现智能化, 具有很好的推广和使用价值。
参考文献
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小卫星通信系统射频前端设计 第8篇
在20世纪90年代小卫星概念提出以前, 应用卫星技术主要靠单颗卫星来发挥作用, 多种科研任务集中在一颗卫星上, 甚至有些任务是相互冲突的, 这不仅延长了研制周期, 也增大了系统的风险[1]。而利用小卫星编队组网运行, 可以实现单颗卫星难以实现的功能, 并且方便添加新的系统和技术, 从而使那些需要较长研制周期的仪器可随时添加到虚拟卫星中去[2], 另外小卫星具有单星测控能力, 使系统测控可靠性进一步加强。在技术上, 小卫星有功能模块集成化、功耗低、体积小和重量轻等优点。小卫星的这些优点吸引了各航天大国对其开展研究, 我国也投入了大量人力物力开展了卫星编队的研制。本文针对某项目的具体要求, 设计了适合小卫星通信系统的射频前端, 仿真分析了其关键电路, 并通过实物验证了方案设计的可行性, 实验结果表明设计合理, 实现了预期目标。
1 系统结构
超外差结构是射频前端应用中最多的一种结构, 其发射和接收方案都比较成熟。系统结构框图如图1所示。
在接收电路中将从天线接收来的微弱信号放大, 经过下变频得到中频信号, 为了放大器的稳定和避免自激, 在一个频带内的放大器其增益一般不超过[3]50～60 dB, 通过选择合适的中频频点和滤波器, 可以实现很好的选择性和灵敏度。发射电路中将中频信号上变频得到射频信号, 经过滤波和功率放大输出给天线发射出去。
系统中发射电路和接收电路均采用二次变频。飞行过程中小卫星与主星之间距离的变化会引起接收电路输入端信号的功率变化, 变化范围可达几十分贝[4], 在接收电路中设置自动增益控制电路, 使接收信号功率在一定范围内变化时输出信号功率变化很小。系统中重要组成部分有低噪放电路、锁相环电路、自动增益控制电路等。
系统中接收电路的主要指标如下:
(1) 接收信号为2.3 GHz, 功率为-120 dBm;输出信号为30 MHz, 功率大于等于0 dBm。
(2) 噪声系数小于等于2, 输出信号功率信噪比大于等于13 dB。
(3) 接收信号在-120～-90 dBm变化时, 输出信号变化小于6 dBm。
(4) 相位噪声小于-80 dBc/Hz/10 kHz。
2 系统组成部分
2.1 低噪放电路
低噪声放大器在接收电路中处于前端, 接收来自天线的微弱信号, 其性能的好坏直接影响着整机的性能, 尤其是接收灵敏度和整机噪声的好坏。低噪声放大器的主要指标有噪声系数、功率增益、动态范围、稳定性。
噪声系数定义为线性二端口网络中:
n级单元电路级联后的噪声系数为[5]:
式中:F1, F2, F3分别为前三级放大器的噪声系数;G1, G2, G3分别为前三级放大器的增益。
由式 (2) 可知放大器级联时噪声系数主要由第一级决定, 因此要求第一级放大器的噪声系数越小越好。为了抑制后级电路对系统噪声系数的影响, 第一级放大器需要有较高的增益。
该项目中采用的方案是三级低噪声放大器级联。第一级选用HMC618LP3, 在25 ℃环境中2.3 GHz处增益为15 dB, 噪声系数为1.05。第二级选用HMC548LP3, 在25 ℃环境中2.3 GHz处增益为25 dB, 噪声系数为1.5。第三级选用变增益放大器HMC287MS8, 在25 ℃环境中Vctl=0时, 2.3 GHz处增益为23 dB, Vctl=3 V时, 增益为-11 dB。将放大器的S2P文件导入ADS软件中仿真, 结果如图2所示。由图可知, 最高增益为52.196 dB, 最低增益为18.658 dB。三级放大器增益都很高, 如果各级间匹配不好, 很可能会导致放大器自激振荡, 要从源头解决这个问题, 只有修改各级的匹配网络, 这往往难度很大, 最有效的办法是在级间增加π型衰减网络[6]。π型衰减网络可以有效抑制信号在放大器级间的反射, nf (2) 是π型网络引入的噪声, 在实际电路中可以更换π型网络电阻调节衰减量和噪声系数。
2.2 锁相环电路
锁相环是由鉴相器 (PD) 、环路滤波器 (LPF) 及压控振荡器 (VCO) 所构成的反馈电路, 其结构如图3所示。
鉴相器比较参考信号u1 (t) 和压控振荡器输出信号u2 (t) 的相位, 并输出相位误差电压ud (t) , 经过环路滤波器滤除相位误差信号中的高频信号及部分噪声, 剩下直流电压uc (t) , 再将此直流电压送到压控振荡器来控制输出信号频率。当压控振荡器的输出信号频率与参考信号的频率不同时, 这个过程将持续进行, 在达到频率相等时, 且满足一定条件环路就稳定下来, 实现锁定。锁定之后被控的压控振荡器频率与输入信号频率相同, 两者之间维持一定的稳态相位差[7]。
锁定时间和相位噪声是锁相环的重要指标。最佳锁定时间需要45°～48°的相位裕度, 经验公式如下[8]:
式中:
可见环路带宽越大, 锁定时间越短, 频率跳变越小, 锁定时间越短。可以通过适当增大环路带宽和增大鉴相频率的方法缩短环路锁定时间。
锁相环电路的噪声来源于参考信号噪声、电荷泵噪声、反馈分频噪声和压控振荡器噪声四部分。环路滤波器对环路参数调整起着决定性作用, 关于环路滤波器的阶数, 最基本的环路滤波器是两阶, 如果想进一步降低参考杂散的幅度, 可以在二阶环路滤波器之后再加一个RC低通网络, 构成三阶无源环路滤波器[9]。该项目中选用的频率合成器是ADF4360-1, 用ADIsimPLL软件设计三阶无源滤波器, 并对输出信号进行仿真, 射频本振信号锁定时间和相位噪声如图4所示, 锁定时间为22 μs, 2.27 GHz处相位噪声为-88 dBc/Hz/10 kHz。
2.3 自动增益控制电路
自动增益控制电路主要由变增益放大器和检测控制电路两部分组成。传统的检测控制电路有两种实现方法, 一是采用模拟方法检测信号的峰值, 对峰值信号进行低通滤波、放大以后控制VGA的增益, 这种模拟检测、模拟控制的方法实现起来比较简单。二是采用数字方法检测信号的峰值, 对检测到的峰值进行一定的处理后产生数字控制量调整VGA的增益[10], 这种方法需要A/D转换器。限于小卫星上提供电压和功率很低, 空间很小, 所以采用第一种方法。
自动增益控制电路中一般将变增益放大器设置在中频段, 该项目中考虑到系统的功耗, 选用低功耗的变增益放大器HMC287MS8, 将变增益放大器设置在射频段, 结合检波器、运算放大器和滤波器实现自动增益控制, 原理图如图5所示。
检波器对检测信号的功率有下限要求, 输入信号功率超过下限时检波器输出电压才能变化, 因此信号检测点选择要合宜。该项目中选用的检波器是AD8361, AD8361对30 MHz信号检波, 实际测试输出电压随输入信号功率变化如表1所示。结合变增益放大器的增益变化曲线, 调整运算放大器的参考电压和运算方程可实现闭环系统增益的稳定控制。
3 实验验证
经过设计制成小卫星射频前端电路板如图6所示, 利用信号源86320B和频谱仪8563E进行测试, 系统接收信号2.3 GHz, 功率从-120 dBm起, 输出中频信号功率信噪比不低于15 dB。接收信号在30 dBm范围内变化时, 输出中频信号变化小于6 dBm, 如表2所示。经过计算得出相位噪声为-82 dBc/Hz/10 kHz。
4 结 语
本文对射频前端中几个重要组成部分进行了分析和仿真, 在此基础上设计了一种适合于编队飞行的小卫星通信系统射频前端结构。实验测试验证了该系统的合理性, 该系统的功耗低、接收灵敏度高、体积小、重量轻, 几项关键的预期指标已达到。回顾系统的设计和测试, 其中有些指标和措施仍需要改进, 如AGC的稳定范围不是很大, 需要结合发射卫星的数控衰减器调节才能实现输出信号完全稳定, 这需要综合更多的因素对系统整体方案进行更深地研究和改进。
参考文献
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监控系统前端子系统 第9篇
随着计算机产业的不断发展, 计算机技术不断提高, 操作系统也不断进步和完善, 目前常用的有WINDOWS、LINUX、UNIX等。作为电子警察系统最重要的部分既前端数据采集系统, 直接提供车辆违章的违法证据, 其稳定性、安全性和准确性在整个电子警察系统中就显得尤为重要, 目前使用在电子警察前端数据采集系统控制主机上的操作系统主要有WINDOWS系统和LINUX系统。本文就两种系统的优劣进行比较。
(一) Windows操作系统
目前, WINDOWS在计算机操作系统市场的占有率达高90%, 其优越的性能主要表现在以下几个方面:
1. 直观高效的图形用户界面, 各类用户易于接受。
图形用户界面 (GUI, Graphic User Interface) 是WINDOWS操作系统的重要的特色, 用户因此摆脱了字符界面操作系统必须死记的各类命令和令人一头雾水的屏幕提示, 改为鼠标点击从而直接和屏幕信息进行交流。
2. 用户界面统一、友好。
WINDOWS应用程序大多符合IBM公司提出的CUA (Common User Acess) 标准, 各类软件在运行时都是以窗口的形式呈现在用户面前, 具有统一的标题栏、菜单栏、工具栏和工作区域。友好统一的界面便于初学者学习使用, 并且在掌握一个程序后能更容易的掌握其他程序的使用。
3. 丰富的设备无关性。
Win32程序并不直接访问屏幕、打印机和键盘等硬件设备, Windows虚拟了所有的硬件。只要拥有硬件的设备驱动程序, 相应硬件就可以使用, 应用程序无须要关心硬件的具体型号。与以前DOS编程中需针对不同硬件编写很多的驱动程序来比, 这个特性对程序员的帮助是巨大的。
4. 多个任务同时执行。
WINDOWS是一个多任务的操作系统, 用户在运行多个程序工作的同时, 还可以欣赏美妙的音乐, 感觉实在不错。并且在运行的不同程序之间用户可以任意切换, 可以进行数据的交换, 可以进行数据通信。
5. 其他。
WINDOWS具备的丰富的多媒体功能和强大的网络功能也极大地吸引了许多的计算机用户。
尽管WINDOWS以其丰富的功能吸引了大量用户, 占据着计算机操作系统的大部分市场, 但它在运行中产生的各种弊端也日渐突出, 主要表现如下:
1.体积庞大。
一方面Windows众多的功能导致了它庞大的体积, 繁冗的程序代码。另一方面, 系统长期运行中会产生大量的垃圾文件。这些都严重影响着整个系统的稳定性, 死机、重启的现象时有发生;
2.高敏感性。
WINDOWS对软、硬件的错误十分敏感, 有时一个小小的故障就有可能导致系统无法正常启动, 这就使得WINDOWS系统成为了一个十分脆弱的系统;
3.低修复能力。
WINDOWS自身的错误修复能力十分低, 出现故障时, 不能很好地解决, 许多修复工作必须要在DOS环境才能完成;
4.多漏洞。
Windows系统漏洞百出, 虽然有些漏洞并不会干扰用户的一般操作, 但在网络方面的漏洞却能对用户造成影响。这些漏洞使一些人有入侵系统和攻击系统的机会, 其中就有利用NetBIOS进行非法共享;
5.高的被攻击率。
WINDOWS是一个使用广泛的操作系统, 同时也是一个被病毒、黑客攻击最多的操作系统, 这极大地增加了系统的不安全性, 影响了系统的可靠性。
随着电子警察的普及应用, 在近几年来, 设备的可靠性越来越受到重视, 普通的工业控制计算机已不能完全满足路口这样恶劣的环境要求, Windows操作系统, 因为种种原因, 经常出现死机和系统崩溃的情况, 长期运行所造成的系统垃圾严重影响了系统的稳定性。随着用户需求的提高, 越来越多的设备厂商拟采用更可靠的硬件和更稳定的操作系统。
(二) Linux操作系统
Linux从一开始就是一个遵循GPL (GNU General Public License的缩写形式, GNU通用公共许可证) 协议的自由软件, 良好的开放性、简洁的功能、开放的结构是它最大特点。其目的是旨在建立不受任何商品化软件版权制约的、任何人都能自由使用的Unix兼容产品。
Linux操作系统与其他操作系统相比有极大的优势:
1. 开放性。
是指系统遵循世界标准规范, 特别是遵循开放系统互连 (OSI) 国际标准。凡遵循国际标准所开发的硬件和软件, 都能彼此兼容, 可方便地实现互连。
2. 多任务。
是指计算机同时执行多个程序, 而且各个程序的运行互相独立。
3. 高效的系统调用。
在非图形模式下, 系统为用户提供低级、高效率的服务。
4. Linux还为用户提供了图形用户界面, 利用鼠标、菜
单、窗口、滚动条等设施, 给用户呈现一个直观、易操作、交互性强的友好的图形化界面。
5. 设备独立性。
操作系统把所有外部设备统一当作成文件来看待, 只要安装它们的驱动程序, 任何用户都可以象使用文件一样, 操纵、使用这些设备, 而不必知道它们的具体存在形式。设备独立性的关键在于内核的适应能力。其他操作系统只允许一定数量或一定种类的外部设备连接。而设备独立性的操作系统能够容纳任意种类及任意数量的设备, 因为每一个设备都是通过其与内核的专用连接独立进行访问。Linux的内核具有高度适应能力, 可以方便的适应新增加的外部设备。
6. 提供了丰富的网络功能。
完善的内置网络是Linux一大特点。Linux在通信和网络功能方面优于其他操作系统。Linux为用户提供了完善的、强大的网络功能。Linux不仅允许进行文件和程序的传输, 它还为系统管理员和技术人员提供了访问其他系统的窗口。通过这种远程访问的功能, 一位技术人员能够有效地为多个系统服务, 即使那些系统位于相距很远的地方。
7. 可靠的系统安全。
Linux采取了许多安全技术措施, 包括对读、写控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等, 这为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障。
8. 良好的可移植性。
Linux是一种可移植的操作系统, 能够在从微型计算机到大型计算机的任何环境中和任何平台上运行。可移植性为运行Linux的不同计算机平台与其他任何机器进行准确而有效的通信提供了手段, 不需要另外增加特殊的和昂贵的通信接口。
(三) 结束语
工业自动化控制的发展方向是嵌入式体系, 即使用工业用计算机, 运行多任务实时操作系统, 以专为工业设计的结构体系取代桌面体系。在操作系统的选用上, Linux成为了最佳选择。因为Linux操作系统不但内核稳定性极好, 而且为开放式源代码架构, 所有公司都可以继承现有研究成果进行持续开发。源代码移植到大多数Unix/Linux系统只要重新编译源代码就可以使用, 另外, Linux具有良好的网络支持能力, 可以配置各种通讯设备实现远程文件传输, 为系统的发展和升级带来极大的便利。
目前, 电子警察前端数据采集系统的主控机采用为嵌入式结构, 在硬件保证稳定性和低故障率的同时, 大部分主机都将摒弃原来的WINDOWS系统, 而采用Linux操作系统。相应的公司根据需要对Linux系统进行裁剪, 将其固化在硬件中, 这样, 一方面, 在出现意外停电, 导致系统突然死机的情况下也不会影响到整个操作系统的稳定性;另一方面, 在系统的开放性、设备的独立性、网络功能、多任务等方面得到了大幅度的提升;再者, 也避免了在路口增加UPS设备时对路口设备应用带来的故障。
摘要：电子警察前端数据采集系统是道路交通违法证据收集的主要来源, 其主机的稳定性安全性至关重要, 那么控制主机的操作系统的重要性就不言而喻了。文章就目前工控机上常用的操作系统:WINDOWS操作系统和LINUX操作系统的性能、优劣进行了对比, 最后根据工业自动化发展方向, 总结出当前电子警察前端数据采集系统主控机器使用LINUX操作系统的必然。
关键词：电子警察,操作系统,WINDOWS,LINUX,设备无关性,开放性
参考文献
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