基于單片機(jī)的應(yīng)用于視頻監(jiān)控的矩陣切換器設(shè)計(jì)

根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對矩陣切換器的基本要求，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的32×8視頻矩陣切換器。文中詳細(xì)論述了其接口電路設(shè)計(jì)，最后給出了由此矩陣切換器組成的視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；視頻矩陣切換器；視頻監(jiān)控?

作者簡介：彭芬（1971-），女，講師，主要研究方向：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。

1? 引言

在重大事件、零售場、交通控制等方面，都需要進(jìn)行視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控系統(tǒng)中存在多點(diǎn)分布與集中監(jiān)控的矛盾，不適合采用一對一的監(jiān)視。一對一的監(jiān)視即一部攝像機(jī)對應(yīng)一臺(tái)監(jiān)視器，這樣監(jiān)控室體積龐大，投資高。一般采用一對多的監(jiān)控，即一臺(tái)監(jiān)視器對應(yīng)多臺(tái)攝像機(jī)，用足夠少的監(jiān)視設(shè)備實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)控，這樣視頻切換控制設(shè)備在監(jiān)控系統(tǒng)中具有極其重要的地位。在視頻切換控制中，矩陣切換應(yīng)用十分廣泛。

2? 視頻矩陣切換原理

視頻矩陣切換控制將多路輸入信號(hào)任意選擇一路或多路分別輸出給一路或多路顯示設(shè)備，用于規(guī)模較大的監(jiān)控系統(tǒng)中。它可以選擇性地觀察圖像，指定在某臺(tái)監(jiān)視器上輸出顯示。

在多路視頻輸入的情況下有多路的輸出選擇，形成矩陣結(jié)構(gòu)，即每一路輸出都可與不同的輸入信號(hào)“短接”，每路輸出只能接通某一路輸入，但某一路輸入都可(同時(shí))接通不同的輸出，如圖1。

圖中“·”表示某一路輸出與某一路輸入相連，如輸出4與輸入3相連，也就是說4路輸出此時(shí)輸出的3路輸入信號(hào)。只要進(jìn)行合適的切換選擇，就可以實(shí)現(xiàn)將多路信號(hào)從輸入通道切換輸送到輸出通道中的任一通道上，并且輸出通道間彼此獨(dú)立，也就便于進(jìn)行視頻信號(hào)切換和分配。

3? 基于單片機(jī)的32×8視頻矩陣切換器硬件設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控行業(yè)中，信號(hào)只經(jīng)過攝像，傳輸(一般是基帶傳輸)，控制與顯示，且顯示時(shí)對圖像的質(zhì)量要求相對較低，只要能看清，并不作轉(zhuǎn)播等工作，因此監(jiān)控行業(yè)對視頻切換矩陣的要求是指標(biāo)低、功能多(能帶云臺(tái)控制等)、便于遠(yuǎn)程控制。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的矩陣切換系統(tǒng)應(yīng)包括以下基本功能：視頻信號(hào)切換、控制云臺(tái)和攝像機(jī)鏡頭的動(dòng)作、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3.1? 視頻矩陣切換器基本接口電路
　　32×8視頻矩陣切換器基本接口原理電路如圖2所示。整個(gè)視頻矩陣切換器主要由89C2051單片機(jī)和兩片MT8816組成。MT8816是MITEL公司生產(chǎn)的8×16模擬開關(guān)矩陣，采用CMOS工藝制作。AT89C2051單片機(jī)是由美國ATMEL公司推出的高效單片機(jī)，它的指令與INTEL公司的MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，本身帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，AT89C2051芯片作為微控制器用于對切換矩陣各單元進(jìn)行切換控制以及用于構(gòu)成人機(jī)界面和構(gòu)建RS485串行通信接口。

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圖中用P_0.0-P_0.6作為兩片MT8816的行地址和列地址控制線，P_0.7作為兩個(gè)芯片的片選信號(hào)。P_3。2-P_3。4分別作為選通脈沖ST、數(shù)據(jù)輸入DI、復(fù)位信號(hào)RESET。兩片的ROW₀-ROW₁₅都作為輸入，兩片的COL₀-COL₇依次并聯(lián)作為輸出。即32路輸入，8路輸出。
　　實(shí)際應(yīng)用中，視頻矩陣切換器輸入部分加匹配電路，輸出部分加緩沖放大器。這里省略未畫。

模擬開關(guān)芯片的地址選擇信號(hào)依次接單片機(jī)的地址線，分別對32路輸入和8路輸出進(jìn)行譯碼控制。通過數(shù)據(jù)線DI寫入的邏輯“1”或“0”將決定地址譯碼對應(yīng)的X_iY_j(i=0,…,31; j=0,…,7)交叉點(diǎn)開關(guān)的通斷，邏輯“1”將其打開，Y_j路輸出上就有X_i路輸入信號(hào)，反之，邏輯 “0”將其關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對視頻信號(hào)的切換控制。

3.2? 實(shí)現(xiàn)多功能控制的接口電路

多功能控制的實(shí)現(xiàn)是通過人機(jī)界面控制鍵盤，一方面實(shí)現(xiàn)對視頻信號(hào)的本地切換，另一方面實(shí)現(xiàn)對于云臺(tái)、鏡頭等的遠(yuǎn)程控制。解碼器能是把控制碼轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)對云臺(tái)、鏡頭等的動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整。然而解碼器不能直接接收鍵盤發(fā)來的控制信號(hào)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)連接兩者的接口電路。

這里利用AT89C0251的串行通信口進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)接口。串口通信標(biāo)準(zhǔn)有RS-232C和RS-485。RS-232C是廣泛應(yīng)用的串口通信標(biāo)準(zhǔn)，但數(shù)據(jù)傳輸速度慢（最快傳輸速度為20Kbit/s）、傳輸距離短(最大電纜長度為15m)、接口處各信號(hào)間容易產(chǎn)生干擾，并且只能進(jìn)行一對一的通信。RS-485是一個(gè)多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)發(fā)送器最多可允許驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載設(shè)備，RS-485的最大傳輸距離為1200m，最大傳輸速度可達(dá)10Mbit/s，它在遠(yuǎn)程通信和多機(jī)總線系統(tǒng)中具有很大的吸引力。視頻監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控點(diǎn)與監(jiān)控室的距離往往超過15m，且存在多點(diǎn)監(jiān)控的問題，因此串行通信標(biāo)準(zhǔn)選用RS-485。本設(shè)計(jì)采用75176（ RS-485專用的收發(fā)芯片）完成RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口通信。

切換矩陣主機(jī)AT89C2051與控制鍵盤及解碼器的接口電路框圖如圖3所示。

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???? 圖中控制鍵盤通過搖桿或按鍵發(fā)出RS485差分控制信號(hào)，經(jīng)過75176收發(fā)器，將485差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成AT89C2051可以接收的TTL電平信號(hào)。89C2051串口接收數(shù)據(jù)后，進(jìn)行控制信號(hào)判斷，如為本地視頻切換控制信號(hào)則進(jìn)行譯碼，變成對應(yīng)地址碼，并在數(shù)據(jù)線寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對視頻信號(hào)的切換控制；如為遠(yuǎn)程控制信號(hào)則轉(zhuǎn)換協(xié)議，發(fā)送TTL電平控制信號(hào)，再經(jīng)75176把TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?85差分信號(hào)，這個(gè)485差分控制信號(hào)就可以被解碼器接收，從而命令繼電器開合來控制云臺(tái)和鏡頭等的動(dòng)作。

4? 以視頻矩陣切換器為核心組成的視頻監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)

由視頻切換控制矩陣組成的視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖4。

圖中最多有32路輸入，8路監(jiān)視器輸出。攝像機(jī)圖像經(jīng)過光纜傳送到視頻矩陣切換器主機(jī)；通過控制鍵盤可對所有輸入的視頻信號(hào)進(jìn)行切換，選擇其中1路輸出到監(jiān)視器上（可置于控制臺(tái)上）；對云臺(tái)與鏡頭的控制，由監(jiān)控人員操作控制鍵盤發(fā)出控制信號(hào)，主機(jī)收到控制信號(hào)，由解碼器對傳送來的信號(hào)進(jìn)行譯碼，即確定執(zhí)行何種控制動(dòng)作，在經(jīng)繼電器功率放大，驅(qū)動(dòng)云臺(tái)或鏡頭完成相應(yīng)的控制動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控點(diǎn)攝像機(jī)的鏡頭、云臺(tái)等設(shè)備的遙控。

5? 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)中采用AT89C2051單片機(jī)作為控制核心部分，使得系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)大大簡化。在矩陣切換上選用專用的模擬開關(guān)矩陣切換芯片雖價(jià)格較高，但穩(wěn)定性好，可形成的矩陣規(guī)模較大。RS-485電氣接口，在不加總線驅(qū)動(dòng)的情況下，方便實(shí)現(xiàn)對多個(gè)終端設(shè)備的控制。以此視頻矩陣切換器為核心組成的視頻監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中監(jiān)視器的數(shù)量可以大量減少，并使得整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)所占有的空間大為減少，大量減少設(shè)備投資。

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