Obvod byl navržen pro řízení dlouhých expozic CCTV kamery pomocí mikrokontroléru AT89C2051. Pracuje s upravenými černobílými kamerami, založenými na obvodech CXD2463R ( časování CCD ) a CXA1310AQ ( zpracování signálu CCD, video výstup ) od Sony. Tyto obvody jsou použity např. v citlivých deskových kamerách s označením "1004" nebo "1043" .

Obvod je rozdělen na dvě desky plošných spojů. První obsahuje tranzistory, tvořící rozhraní mezi různými úrovněmi napětí na kameře a logickými signály procesoru. Druhá deska je řídící, s procesorem a ovládacími prvky. Desky jsou propojeny dvanáctipinovým konektorem. Tuto konfiguraci jsem zvolil po zkušenostech s prototypem kamery, kde byla elektronika na jedné desce, propojené s kamerou dráty. Při úpravách ovládání tak bylo nutné manipulovat s celou kamerou s rizikem poškození spojů na desce kamery, které se opravují dost obtížně.

Minimální konfigurace

Na obrázku je schema minimální funkční konfigurace, zajišťující pouze ovládání napětí na obvodech kamery pro dosažení dlouhých expozic. Kliknutím na schema dostanete čitelnější obrázek ve větším rozlišení.

Přesné hodnoty součástek ani typy tranzistorů a diod nejsou kritické. Pro volbu expozice je na 4 bity portu mikrokontroléru připojen rotační binární přepínač. Porty mikrokontroléru, řídící expozice, jsou aktivní v úrovni logické 0 a jsou přitom drženy odpory na napětí +5V. Bez připojeného kontroléru tedy kamera pracuje v "normálním" automatickém režimu bez dlouhých expozic.

Výstupní zesilovač kamery má tendenci překmitávat při prudkých změnách jasu, což se projevuje např. černými "stíny" napravo od hvězd nebo hotpixelů. Navíc výstup obsahuje krátké impulsy v rytmu vzorkování výstupu CCD, které ve spojení s některými digitalizačními kartami mohou vytvářet rušivé pruhy. Proto je v cestě video výstupu zařazen jednoduchý LC filtr. Přizpůsobení výstupu závisí na použité vstupní kartě v počítači a nastavení jejího ovladače. Uvedený filtr stále propouští značný podíl vysokých frekvencí, v řadě případů je vhodné přidat mezi výstup a zem ( např. do konektoru ) další kondenzátor s hodnotou kolem 1nF.

Vstupy a výstupy

Propojovací body na desku vlastní kamery jsou označeny čísly vývodů integrovaných obvodů kamery, přičemž "A" před číslem označuje piny CXA1310AQ, "D" piny CXD2463R a "C" vývody CCD senzoru.

• Synchronizační impulsy ( pin 4 CXA1310AQ, pin 25 CXD2463R) používá MCU pro detekci řádek a půlsnímků video výstupu.
• Zatemňovací impulsy ( pin 29 CXA1310AQ, pin 26 CXD2463R ) používá MCU k rozlišení sudých a lichých půlsnímků
• Vstupy ovládání elektronické závěrky ( piny 20 a 21 obvodu CXD2463R ) jsou na desce kamery propojeny a drženy na úrovni logické 0. Vypnutí závěrky je zajištěno přivedením napětí +5V.
• Signál V3 vertikálního rozkladu ( pin 2 CCD, pin 4 CXD2463R ) obsahuje negativní impulsy pro řízení vertikálních registrů CCD a pozitivní impulsy ( +15V ) pro přenos náboje do registrů ( čtení CCD ). Před čtením prvního půlsnímku musí být pozitivní pulsy blokovány ( zkratovány se zemí přes diodu ), aby na CCD zůstal náboj v buňkách druhého půlsnímku.
• Kladné napájení ( VH, +15V ) vertikálního rozkladu ( pin 5 CXD2463R ) musí být během dlouhé expozice odpojeno, aby kladné impulsy nepřenášely náboj z buněk CCD.
• Napájení CCD ( +15V, pin 9 CCD ) je během dlouhé expozice připojeno přes odpor 10k. Tím je vyřazen výstupní zesilovač CCD, který jinak způsobuje expozici části CCD elektroluminiscencí. Vyřazení zesilovače je také využito pro minimalizaci vlivu spínání VH na obvody řízení zisku.
• Napájecí napětí +15V pro vertikální rozklad a CCD je na desce kamery připojeno k příslušným vývodům CXD2463R a CCD senzoru. Tyto spoje musí být přerušeny a napětí přivedeno na tranzistory, zajišťující spínání napájení.

Standardní konfigurace

Po zkušenostech s jedním exemplářem kamery, kde měnič napětí pro napájení +15V a -8V byl příliš "měkký" a jeho vlastnosti se časem zhoršovaly ( není stavěný na spínání napětí pro dlouhé expozice ), jsem do obvodu zahrnul samostatný měnič na +15V s obvodem ICL7660 a 15V stabilizátorem. Tím odpadl přívod +15V z desky kamery.

Dále je ve standardním zapojení umožněno ruční ovládání zisku výstupního zesilovače kamery. Potenciometr a přepínač pro volbu automatika / manuál jsou umístěny na desce s ovládáním. Na výstupech MCU jsou tři LED pro ladění a kontrolu funkce programu a konektor pro připojení sériové linky.

Pro připojení zařízení na zpracování výstupu CCD ( např. digitizeru videa ) je u kamery doplněn výstup vzorkovacího kmitočtu zesilovače. Tento výstup zatím není v řídícím obvodu využit, ale umožňuje, ve spojení s výstupem synchronizačních a zatemňovacích impulsů, další rozšiřování obvodů bez nutnosti modifikace spojů na vlastní kameře.

Na straně propojení s kamerou odpadl přívod napětí +15V a přibyly následující spoje :

• Výstup operačního zesilovače pro automatické řízení zisku ( pin 17 CXA1310AQ ) umožňuje přepnout manuální řízení zisku na automatické.
• Vstup řízení zisku ( pin 16 CXA1310AQ ) může být přepínán mezi výstupem AGC a potenciometrem pro ruční ovládání. Vývod je na desce kamery spojen s pinem 17, pro manuální ovládání tedy musí být odpojen od plošného spoje kamery. Zisk je možné řídit v rozsahu cca 28dB napětím od 1.8V do 4.1V, nižší napětí nastaví vyšší zesílení.
• Výstup řídících impulsů vzorkovacího zesilovače ( pin 21 CXA1310AQ ) je přes oddělovací tranzistor přiveden na konektor.

Pro tuto variantu zapojení je k dispozici návrh plošných spojů obou desek - rozhraní kamery i řídící části.

Varianta s vlastním zdrojem -8V

V případě větší nestability měniče napájecího napětí kamery je možné omezit rušení použitím napájení -8V pro vertikální rozklad z externího měniče. Tím je měnič na desce kamery plně nahrazen. Obvod pak musí být doplněn o příslušné kondenzátory a stabilizátor záporného napětí :

Záporné napětí je možné přivést na pin 12 CCD senzoru, který je propojen s pinem 8 CXD2463R ( záporné napájení vertikálního rozkladu ). Zároveň je třeba odpojit interní zdroj na desce kamery, např. odpájením pouzdra s dvojicí diod na přední straně desky, přes které je napětí vedeno od měniče. Návrh plošného spoje rozhraní kamery pro tuto variantu vychází ze standardního provedení a je slučitelný se stejnou řídící částí obvodu.

Testování

• Na vývodu pro ovládání elektronické závěrky by nemělo být napětí. Po připojení prvního pinu propojovacího konektoru ( na opačném konci, než napájení +12V ) na zemní vodič se v tomto bodě objeví napětí +5V.
• Na vývodu pro napájení CCD je napětí +15V. Pokud napájení zatížíme odporem několika kiloohmů, pak po připojení druhého propojovacího pinu na zem napětí poklesne.
• Na vývodu pro kladné napájení vertikálního rozkladu ( VH ) je napětí +15V. Po připojení třetího propojovacího pinu na zem toto napětí klesne na nulu.
• Na vývod signálu V3 přiveďte napětí +12V přes odpor cca 1 kiloohm. Po připojení čtvrtého propojovacího pinu na zem toto napětí klesne pod 1V.

Po propojení s deskou kamery je možné rozhraní opět testovat bez řídící desky. Kromě přivedení napájení +12V na příslušné piny je třeba výstup video signálu připojit na TV monitor nebo grabovací kartu počítače. Pokud jsou na pinech vyvedeny signály pro řízení zisku zesilovače a výstup AGC, lze je zkratovat propojkou ( jumperem ). V tomto zapojení by kamera měla pracovat v automatickém režimu, jako bez úpravy. Připojování jednotlivých pinů propojovacího konektoru na zem má následující efekt :

• 1. pin ( závěrka ) : pevná expozice 1/50 sekundy, přeexponovaný obraz při silnějším osvětlení
• 2. pin ( napájení CCD ) : vyřazení zesilovače CCD, černý obraz na výstupu
• 3. pin ( napájení VH ) : přerušení čtení CCD, černý obraz
• 4. pin ( signál V3 ) : přerušení čtení sudých půlsnímků, obraz prokládaný černými linkami

Pokud zapojení pracuje správně, je možné připojit desku s řidící částí obvodu, včetně naprogramovaného mikrokontroléru a s pomocí počítače vyzkoušet dlouhé expozice.

Odkazy :

• Popis standardní varianty plošných spojů.
• Popis plošného spoje včetně zdroje -8V.
• Popis úpravy desky kamery pro připojení obvodu.
• Popis a příklad programu mikrokontroléru.
• Zpět na hlavní stránku úpravy CCTV kamery.