针对煤矿井下黑暗环境中无轨胶轮车司机视觉盲区大，无法看清车尾后方障碍物与车厢内人员活动情况，无法实时与车厢人员语音通话，导致经常在倒车或人员上下车时发生安全事故的问题，设计了基于高感光性图像传感器的低照度摄像头，通过增加红外补光灯提升了黑暗环境下的成像质量，同时，设计了视频控制箱、显示器和车载通信机，实现了倒车影像、车厢可视、行车记录、语音对讲功能，为司机安全驾驶提供了保障。

矿用视频对讲系统的电路设计

1 隔爆兼本安型视频控制箱的设计

      视频控制箱主要由 DC /DC 电源模块、本安电源模块、硬盘录像机、视频隔离器和固态继电器等组成，如图 2 所示。视频控制箱采用 DC24V 电源供电，通过 DC /DC 模块将 24V 电压降压为 12V，为硬盘录像机进行供电。本安电源模块输出为 5V，为摄像头和显示器进行供电。硬盘录像机采用非本安电路设计，无法与本安型摄像头直接连接使用，必须使用视频隔离器进行本安与非安信号隔离才能满足防爆要求，视频隔离器的输入输出端至少要满足1500VAC 的隔离耐压要求。考虑到移动设备的振动性，选用固态硬盘进行视频存储。图 2 中 X+和 X－分别连接倒车灯的电源正负极，当车辆倒车时，固态继电器由常闭触点切换至常开触点，显示屏画面由车厢画面切换为倒车画面，固态继电器不仅可以实现视频切换的功能，而且还能满足非安控制信号与本安视频信号之间的隔离耐压要求。

2 本安型红外补光摄像头的设计

      红外补光摄像头采用本安电路设计，由摄像头模组和红外补光灯两部分组成。摄像头模组电气原理如图 3 所示，5V 本安电源经过防倒流保护电路和双重限压保护电路后给图像处理电路供电。图像处理电路中电源管理单元将 5V 电压降为 3. 3V 和 1. 2V为其他单元供电，图像传感器选用索尼 IMX385，该传感器为 CMOS 有源像素型固态图像传感器，具备高灵敏度、低暗电流、无污迹等特点，物理照度:彩色为 0. 005Lux@ F1. 0，黑白为 0. 002Lux@ F1. 0，配合使用 F1. 0 大通光量镜头，即使在低光照条件下，成像效果也是相当的出众，非常适合于井下黑暗环 境 中 使 用。图像处理的主控芯片选用海思3516EV300，基于 Cortex －A7 内核，主频最高可达900MHz，数据缓存和指令缓存为 32kB，辅助缓存128kB，支持 8 /10 /12bit ＲGB Bayer DC 时序视频输入，支持 BT. 1120 输入，处理器内部集成了 ISP，可以完成 Bayer 图到 YUV 的格式转换，同时可以对输入图像进行去噪、坏点校正、强光抑制、镜头畸变校正、数字防抖等操作，视频编码器支持 H. 264、H. 265、JPEG、MGPEG 等多种格式。Hi3516EV300内置 1Gbit DDＲ3 SDＲAM 用于运行嵌入式 Linux，同时外接一块 256Mbit 的 SPI NOＲ Flash 用于存放引导Linux 启动的 u －boot、Linux 内核镜像、文件系统。图像处理后的视频信号较弱，经过输出信号放大电路后对外输出 CVBS 信号。

      煤矿井下光照强度不足，对摄像头所采集到的图像质量造成了很大影响，需要考虑额外补光来改善图像质量，但是白光补光较为刺眼，所以选择红外补光，红外补光灯电气原理如图 4 所示，采用 5V 本安电源供电，光敏电阻 CDS 在强光条件下，阻值仅有几百至数千欧姆，在黑暗环境下，阻值可达几兆欧姆，所以，在正常光照环境下，光敏电阻阻值较小，与 Ｒ1 电阻进行分压时，几乎所有电压全部加在 Ｒ1 两端，这就导致三极管 Q1 基极电位太高，无法导通，当光照强度降低时，光敏电阻的阻值增大，三极管 Q1 基极电位减小，当发射极正偏时，三极管导通，红外发光管点亮。该红外补光灯在地面时处于关闭状态，在井下黑暗环境中自动开启，为摄像头提供光照。

3 本安型液晶显示器的设计

      液晶显示器采用本安电路设计，电气原理如图 5所示，由视频控制箱提供 DC5V 本安电源供电，5V 本安电源经过防倒流保护电路和双重限压保护电路后给图像处理电路供电。图像处理电路中电源管理单元将5V 电压降为 3. 3V、2. 5V 和 1. 2V 为其他单元供电，液晶显示屏驱动单元选用模拟液晶电视驱动芯片TSUMV29LU 作为主控芯片，该芯片集成度高、功能强大、性价比高，支持 PAL、NTSC、SECAM 制式解调，兼容 ＲF、CVBS、YPBPＲ、VGA、HDMI1. 4 信号输入，标置 2×8W 的 D 类功放，可输出标清、高清的LVDS 信号。背光驱动采用恒流电路，由主控芯片TSUMV29LU 控制背光驱动电路的通断，从而控制背光灯的开启，为满足本安电路设计要求，背光驱动电路需要增加 限 压 限 流 保 护。液晶显示屏选用奇美EJ070NA－01J 7 寸 TFT 屏，分辨率为 1024×600，背光灯功耗为 1. 6W，面板功耗为 0. 45W。

4 隔爆兼本安型车载通信机的设计

      车载通信机电路分为音频采集与前置放大电路和音频功率放大电路。音频采集与前置放大电路如图 6 所示，手麦采用本安电路设计，非安 12V 电源经过隔离变压器 N5 进行隔离，而后再经过自恢复保险 F1 的限流保护和稳压二极管 VD2、VD3 的限压保护，为手麦进行供电，当按下手麦上的对讲按钮时，ib－I 和 ib－O 短接，固态继电器 N4 导通，由麦克输入至 MIC+和 MIC－两端的信号经过 T2 隔离变压器后输入至前置放大电路，经过前置放大电路对信号进行放大处理后从 AFO 端输出。前置放大电路使用MC4558 低噪声双运算放大器，内含相位补偿回路，速度高，频带宽。

      音频功率放大电路如图 7 所示，选用 NXP 公司生产的 TDA8932BT 高效率 D 类音频功率放大器，该芯片功耗低，发热小，无需增加散热装置。麦克所采集的音频信号经过前置放大电路后从 AFO 端输出，并从音频功率放大电路的 AFI 端输入，经过功率放大后再通过 T1 隔离变压器输出至 5Ω8W 的防水喇叭，并且在喇叭信号输入端串并联 4 个二极管1N4737A，实现双重双向稳压保护。

      驾驶室内车载通信机的音频采集与前置放大电路的信号输出端与车厢车载通信机的音频功率放大电路的信号输入端连接，当驾驶室司机讲话时，车厢内车载通信机发出声音，同理，当车厢人员讲话时，驾驶室内车载通信机发出声音。车载通信机分为全双工和半双工两种工作模式，当音频采集与前置放大电路中的 XS3 端子短接时，车载通信机为全双工模式，当XS3 端子断开时，车载通信机为半双工模式。

结论

      1)相比于倒车雷达，视频辅助系统可以更加直观地看清车辆后方的障碍物情况，避免碰撞事故发生。

      2)通过车厢摄像头，司机可以观察车厢内人员活动情况以及人员上下车情况，保证人员上下车的安全。

      3)倒车画面自动切换，简化了司机的操作，更加自动化、人性化。

      4)视频数据实时存储，而且存储时间长达1个月，事故发生后可以作为事故责任认定的依据。

      5)车载通信机实现了司机与车厢人员的实时对讲，结束了双方靠敲玻璃、晃灯的交流方式。