熊慧萍1，陳發堂1，陳東生1，李江華2

　　(1．上海電力學院 上海 201300；2．國防科技大學電子科學與工程學院湖南長沙410073)

　　l 引 言

　　安防監控系統的研究設計與實現，是一項專業性很強的實用技術。普遍認為，所謂安防監控系統，就是以安全防范為主要目的，依靠和運用各種高科技裝備及手段，系統、實時、全面、不間斷地對人、設備及周邊環境進行監督、控制的一系列設備的總和。隨著社會經濟的發展進步，安防監控系統的應用普及越來越廣，科技含量越來越高。先進的監控系統集中體現了現代科學技術發展的最新研究成果，是現代高科技產品和技術的一個結晶和縮影。當然，安防監控系統的研發不能一味地追求高、精、尖，其最根本的立足點還是必須回歸實用性，在保障適用性的前提下追求最低的成本與價格。本文提出一種基于USB總線和單片機構成的監控主機設計方案。該主機具備一定的智能化控制功能，在個人計算機上實現硬件驅動和監控應用軟件開發，具有較高性價比，適用于一般民居等場所的安全防盜系統。

　　2 系統構成

　　安防系統監控主機的設計要求主要包括：采用多媒體計算機輔助控制、硬盤錄像等技術，通過程序實現預警、遠程傳輸、遠程控制功能。有較強的防范能力及報警功能，便于上下聯動，有較高的自動化、智能化功能，能自動響應信號報警、調用相應的攝像機畫面、發出聲光警報，并能根據報警信號的來源和性質做出一定的判斷，向職守人員提供相應的處置方案，自動啟動某些防范手段，能有效減小職守人員工作強度，加強快速反應能力等。 基于信號捕獲及處理流程，安防系統主要有5個部分：

　　信號采集與處理 包括紅外、煙感、溫敏、壓力、斷路、微波等傳感器對光、電、熱、力、位移等物理量變化以及視頻、開關信號的采集與轉換，并依據規則進行門限判決和編碼。

　　數據傳輸 主要是各模塊、各部件之間數據轉換及相互交換的過程。

　　系統響應與自動控制 主要是進行自檢掃描，對各種預設的情況及報警事件作出中斷響應。

　　人機交互 通過USB總線實現PC機與單片機之間通信，通過安防監控軟件向監控主機發出指令，接收數據和請求，并根據報警事件提供處置預案。

　　遠程通信與控制 基于PSTN，通過MODEM與遠程控制中心交換數據并接收指令。

　　安防系統的構成框圖如圖1所示。

　　3 工作原理

　　安防系統監控主機是一個基于嵌入式控制器的MCU應用系統，該嵌入式控制器采用51系列單片機，他負責完成設備大部分的控制功能。另一方面，因基于USB總線通信，故對PC機而言，監控主機又如同一個待識別的USB外設。主機硬件結構采用單片機+CPLD構成的控制核心，通過LISB接口芯片與PC機交換數據。其中，單片機采用的是通用的51系列單片機AT89C52，當然完全可以用其他的51系列單片機替代。CPLD采用XC395288系列芯片。15SB接口芯片采用的是Philips公司的ISPl581芯片。ISPl581的特點是：價格低、功能強、支持高速USB系統的自動檢測、內部通用DMA模塊能使得數據流很方便地集成，具有的低掛起功耗，還可以滿足ACPITM，OnN0wTM和USB電源管理的要求。

　　監控主機一般處于2種工作狀態：

　　(1)正常監控狀態。此狀態下．單片機循環掃描等待，溫度、濕度等各種環境監測量實時傳送至PC機顯示．PC機按照預先設置，順序切換視頻監控畫面。

　　(2)處置報警狀態。報警事件發生后，報警源或是來自環境監測量超標，或是來自按鍵報警或紅外等傳感器報警后轉換的開關量，經編碼鎖存后發送至單片機。單片機啟動中斷處理程序，將報警數據通過ISP158l芯片轉換成USB總線數據傳送至PC機，PC機譯碼后調用數據庫顯示處置預案，通過攝像頭記錄報警源現場畫面。同時，單片機將報警源代碼通過7段數碼管進行流水顯示，驅動語音控制芯片和發光二極管發出聲光報警。

　　監控主機的工作原理如圖2所示：

　　4主要軟件模塊

　　監控主機的設計與實現，難度主要在軟件開發。一方面是由于USB 2．O作為一種先進的接口標準，他的協議規范比較復雜，這種復雜在設備開發中主要體現為固件程序的開發。另一方面要求開發人員對PC機的硬件驅動和操作系統比較熟悉，還要求有比較熟練的數據庫編程經驗。其軟件設計主要分3個模塊(如圖3所示)：

　　(1)固件程序

　　固件程序完成的功能包括：完成初始化、自檢和掃描任務，通過USB總線發送和接收數據，處理報警和通信中斷請求。包括4個子程序：

　　主程序(MAIN．C) 主要完成初始化工作，發送USB請求，處理USB總線事件，用戶功能處理等；

　　中斷處理程序(ISR．C) 主要是處理來自ISPl581的LrSB通信中斷請求和開關量報警的中斷請求；

　　LJSB協議(USB．C) 主要功能就是響應主機提出的USB設備識別要求。響應函數對設備要求進行譯碼，確定設備要求的類別；

　　USB電氣接口驅動(P81．C) 主要是讀寫操作，將需傳送的數據與ISP1581芯片之間通信。程序流程如圖4所示。

　　(2)驅動程序(ISP81．sys)

　　在單片機固件開發調試通過后，主機就能正確識別了，并且如果PC機操作系統中有自帶的這種設備的通用驅動程序，就無需再開發任何軟件就可直接使用。否則必須自行開發驅動程序。本文采用WinDrivet工具軟件編寫驅動程序，通過調用工具中提供的預定義類和底層驅動接口可以方便地生成符合用戶要求的驅動程序，不足之處是獨立性不好，適用范圍有限。因為使用winDrivet只提供一個設備安裝信息文件(．inf)，真正的驅動程序接口在安裝win[)river時就已經加載了。不過，WinDrivet更的用途在于可以很方便地調試幾乎所有計算機總線接口設備，在計算機外部設備開發過程中能夠起到很好的幫助作用。 (3)應用程序

　　應用程序是處在應用層的上層軟件，他面向用戶提供人機會話界面，并實現各種功能，用戶通過應用程序對設備實施控制。應用程序使用最常用的Microsoft VisualC++6．O開發環境進行開發編譯，主要分成2個子程序：一是操作臺程序(OPERATION．C)。控制視頻畫面切換，提供人機交互，通過調用winDriver工具軟件生成的驅動程序提供的一些間接控制設備硬件的接口函數，實現USB通信功能；二是報警處理程序(ALARM．C)。處理單片機報警信號，調用數據庫文件，向使用者提供智能化處置預案。程序流程如圖5所示。

　　5 結 語

　　本文提出的家居安防系統監控主機設計實現方案，具備較強的通信能力和一定的智能化處理功能，可以滿足大部分民用住宅自身安全防范的需要。

　　他的特點主要有：

　　(1)監控主機設置對開關量報警的響應，是考慮到安防系統前端傳感器、探測器無論多么復雜，都是經過門限判決、信號轉換、編譯碼之后提供給單片機監控主機，因此可用開關量來模擬一切報警事件的發生。同時，按鍵開關也是最可靠且行之有效的報警手段之一。

　　(2)應用成熟的51系列單片機，結構簡單，性能穩定可靠，完全可以滿足一般數字信號處理、自動控制和數據通信的要求，且成本較低。 (3)基于USB總線的MCU應用系統，本身就是IT業最熱門的話題之一。不僅有利于提高數據傳輸效率，同時基于兼容性和通用性的考慮，可以不加改變地適用于家用電腦，具有廣泛的應用前景。