原创 一种单片机实现的嵌入式视频切换器

要：介绍一种以单片机为主控ＣＰＵ的嵌入式视频切换器，简述其工作过程、硬件构成、软件设计。该切换器已成功地应用于湖南省地县电视会议系统中，实际应用表明，切换器工作可靠、成本低廉，具有很强的通用性和很高的实用价值。该切换器亦可用于普通的多媒体监控系统。

    关键词：８９Ｃ５１单片机  视频切换  嵌入式  Ｉ２Ｃ总线

    随着多媒体通信技术的迅速发展，会议电视的理论研究和实用系统研制也得到了迅速发展。近年来，我国的会议电视业务也以超出人们想象的速度得到推广应用。视频矩阵切换电路是会议电视系统的关键部件。要求具有以下功能：

    ·具有与多媒体电脑通讯的功能。可根据实际安装的不同需要，提供可选的通讯接口。

    ·对主机发送的命令具有分析、判断、处理的功能。

    ·具有上电、掉电和死机等异常情况下的自恢复能力。

    ·对系统配置的更新具有保存的功能。当上级控制命令对系统更改成功时，能及时保存所更改的信息。

    考虑到该部分电路在系统中的独立性和功能要求，决定选用８９Ｃ５１单片机作为主控ＣＰＵ实现嵌入式的视频矩阵切换;视频切换电路则根据视频通道的多少，可选用 ＭＡＸ４５９、ＡＤ８１１１等不同的视频矩阵切换芯片。

1 硬件构成

    硬件电路主要由单片机控制器、矩阵切换电路、通讯接口、Ｉ２Ｃ总线数据存储器、看门狗电路及其它外围电路组成。框图如图１所示。

1.1 单片机控制器

    ８９Ｃ５１单片机是ＡＴＭＥＬ公司生产的８位单片机，采用ＣＭＯＳ工艺，与Ｉｎｔｅｌ的８０５１单片机在管脚功能上完全兼容。该控制器采用Ｐ０口作为矩阵切换数据的输出口;Ｐ１口用来对矩阵切换发出／ＵＰＤＡＴＥ、／ＣＥ等控制命令;Ｐ２口用来设置该控制器在整个会议电视系统中的地址。由硬件来设置控制器的地址可以增强系统的可靠性，方便软件的设计。

1.2 通讯接口部分

    通讯接口可以根据实际安装的不同需要，提供ＲＳ－２３２标准和ＲＳ－４８５标准，其波特率可由用户编程设定。这部分电路主要由ＭＡＸ２０２Ｅ（＋５Ｖ ＲＳ－２３２接收发送器）、ＭＡＸ４９１和光电耦合器件６Ｎ１３７构成。

1.3 复位与看门狗电路

    采用ＭＡＸ８１３Ｌ作为电源监视和看门狗电路。当电源上电、掉电时，该芯片都可提供复位电平，并且当其ＷＤＩ管脚不能采集到翻转信号时，就会发送２００ｍｓ的复位脉冲。单片机控制器采用Ｐ３．２脚定时向看门狗电路发送电压翻转信号，以示系统正常工作。当由于外部干扰或其他原因导致死机时，看门狗电路会自动发出复位信号。

1.4 Ｉ２Ｃ总线数据存储器

    Ｉ２Ｃ总线是由Ｐｈｉｌｉｐｓ公司提出的串行通讯接口规范，使用串行数据线（ＳＤＡ）和串行时钟线（ＳＣＬ）来进行主从器件之间的数据传输。Ｉ２Ｃ总线上的数据传输率可达１００Ｋｂｉｔ／ｓ，快速方式下可达４００Ｋｂｉｔ／ｓ。在Ｉ２Ｃ总线传输中，开始和停止条件定义如下：当ＳＣＬ为高时，ＳＤＡ由高变为低为开始条件;当ＳＣＬ为高时，ＳＤＡ由低变为高为停止条件（如图２）。ＳＤＡＨ和ＳＣＬ都是双向传输线，ＳＤＡ线上的数据在时钟高期间必须是稳定的，只有当ＳＣＬ线上的时钟信号为低时，数据线上的状态才可以改变（如图３）。输出到ＳＤＡ线上的每一个字节必须是８位，每次传输的字节不受限制，每个字节必须有一个应答位。

    在该控制器中，采用的串行Ｅ２ＰＲＯＭ芯片是Ｘ２４Ｃ０４，ＳＣＬ和ＳＤＡ分别接单片机的Ｐ３．６和Ｐ３．７脚数据的读写完全由软件控制。

1.5 矩阵切换电路

    矩阵切换电路以１６×８为基本单元，可根据实际需要扩充为３２×８、６４×８、１２８×１６等不同规模。控制电路可通过参数的设定控制不同规模的切换电路。所采用的芯片ＡＤ８１１１是一种高速视频切换矩阵，具有２６０ＭＨｚ的视频带宽。ＡＤ８１１１可在并行或串行模式下工作，八个输出通道可任选十六路视频输入中的一路。并行模式（本次所用的为并行模式）下，在信号／ＵＰＤＡＴＥ为高，／ＣＥ为低的条件下，当ＣＬＫ为高时控制器发出更新数据，在ＣＬＫ由高变低时，ＡＤ８１１１通过Ａ０～Ａ２和Ｄ０～Ｄ４管脚分别将数据送至输出和输入寄存器。其中Ａ０～Ａ２表示选中的输出;Ｄ０～Ｄ３为所对应的输入;若Ｄ４＝１，则Ａ０～Ａ２表示的输出为选通状态，否则输出为高阻态。当／ＵＰＤＡＴＥ由高变为低时，选中的输出与输入连通，矩阵的更改完成。

2 软件设计

    根据会议电视系统的整体要求，软件主要由主程序和串口中断服务子程序组成。编程时着重考虑了以下几方面：对整个控制器正确地初始化;对上级主控命令正确地分析、判断、处理;对矩阵的正确更新，对数据的及时保存（主程序流程如图４）。

2.1 主机控制命令

    主机发出的控制命令有两种。第一种是定长的，包含８个字节（见图５）。Ｃ３Ｈ是开始字节，５ＡＨ表示结束;地址１、地址２表示控制器在整个系统中所处的位置;数据１、数据２包含了对矩阵输入输出更新的具体信息;优先级代表了本次命令的优先级别，００Ｈ级别最高;校验字节为前６个字节之和。第二种命令是分组控制命令，长度不定（见图６），Ｃ５Ｈ 表示第二种控制命令的开始;地址１、地址２同第一类控制命令;数据０是本次分组命令所控制的输出通道;数据１至数据ｎ是本次分组中的输入通道;校验字节为前几个字节之和对ＦＦＨ取余;５５Ｈ 表示本次命令的结束。

2.2 主程序

    控制器在没收到主机发送的控制命令时，会一直运行于主程序之中。主程序主要完成对系统的初始化;定时向看门狗电路发送电压翻转信号;对主机的控制命令发送回传信息。

    在初始化时，先从存储器中读取信息，判断读出的数据是否超出了矩阵的输入输出范围。若数据无误，则按此信息（一般是上次关机时控制器的状态）初始化矩阵。若发现某一数据有误，则按预先的约定初始化矩阵。控制器在向主机返回命令之前要判断回响标志，若标志为“１”，则调用回响主机的子程序，否则会跳过这一步，继续向看门狗电路发送电压翻转信号，以示其工作正常。

2.3 串口中断服务子程序

    一旦控制器检测到串口有数据到来，就会发出中断请求信号。单片机在执行完当前的指令后，会转向服务子程序（流程如图７）。在子程序内要完成对主控命令的判断、分析、处理，完成对矩阵的更改及信息的保存等任务。中断服务子程序也是软件设计的核心部分与难点之处。在接收完主机发送的命令之后，要处理的事务有：

    （１）判断命令是否正确。这包括判断命令是否正确;检查命令是第一类还是第二类。若是第一类命令，要检查其起始、结束字节和校验字节是否正确;输入输出是否在规定的范围之内。若是第二类命令，要保存分组信息，开启记时器。若检查有一点不对，将放弃该命令，恢复现场，退出服务子程序。

    （２）在确认命令正确无误后，要检查对应的输出是否被锁定。若锁定标志为“０”，则直接更改矩阵;若输出被某一主控命令锁定，那么就要比较新接收到命令的优先级与锁定的优先级的高低，高于锁定的优先级则可以更改矩阵，否则更改失败。

    （３）在更改矩阵之后，要及时地将更新信息写入存储器。并且将回响主机的标志置为“１”。

    退出中断服务子程序后，对主机命令的回响有两种情况。若更改成功，则将主控命令按相反的顺序返回主机;若因优先级低而更改失败，则将锁定的高优先级返回主机，防止主机继续发送此控制命令。

2.4 记时器中断子程序

    记时器中断子程序是用来实现分组功能的。控制器接收到主机的第二类命令时，记时器开始记时，然后每隔３分钟该组中的输出通道就会轮流接通所选中的输入，直到主机发出取消本次分组的命令。

3 可靠性分析

    为了提高整个系统的可靠性，设计时主要采取了以下措施：

    · Ｉ２Ｃ总线连接的Ｅ２ＰＲＯＭ使得象在突然掉电这样的异常情况下，能保存住现场信息。

    ·看门狗电路具有自动复位的功能。

    ·通过光电耦合与主机的通讯，增强了抗干扰能力。

    ·应答式的数据通讯，再加上校验字节保证了通讯的可靠性。

    ·软件设计时对控制命令一系列的判断检查，能够确保对矩阵的正确更新，防止误操作。

    该控制器设计思路巧妙，充分利用了所选器材的资源，成本低廉。实际应用表明，该控制器工作稳定，容错能力强，具有很高的实用价值。