一種單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的嵌入式視頻切換器

隨著多媒體通信技術(shù)的迅速發(fā)展，會(huì)議電視的理論研究和實(shí)用系統(tǒng)研制也得到了迅速發(fā)展。近年來，我國的會(huì)議電視業(yè)務(wù)也以超出人們想象的速度得到推廣應(yīng)用。視頻矩陣切換電路是會(huì)議電視系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。要求具有以下功能：
　　·具有與多媒體電腦通訊的功能?？筛鶕?jù)實(shí)際安裝的不同需要，提供可選的通訊接口。
　　·對(duì)主機(jī)發(fā)送的命令具有分析、判斷、處理的功能。
　　·具有上電、掉電和死機(jī)等異常情況下的自恢復(fù)能力。
　　·對(duì)系統(tǒng)配置的更新具有保存的功能。當(dāng)上級(jí)控制命令對(duì)系統(tǒng)更改成功時(shí)，能及時(shí)保存所更改的信息。
　　考慮到該部分電路在系統(tǒng)中的獨(dú)立性和功能要求，決定選用89C51單片機(jī)作為主控CPU實(shí)現(xiàn)嵌入式的視頻矩陣切換；視頻切換電路則根據(jù)視頻通道的多少，可選用 MAX459、AD8111等不同的視頻矩陣切換芯片。
1 硬件構(gòu)成
　　硬件電路主要由單片機(jī)控制器、矩陣切換電路、通訊接口、I2C總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、看門狗電路及其它外圍電路組成?？驁D如圖1所示。

1.1 單片機(jī)控制器
　　89C51單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)，采用CMOS工藝，與Intel的8051單片機(jī)在管腳功能上完全兼容。該控制器采用P0口作為矩陣切換數(shù)據(jù)的輸出口；P1口用來對(duì)矩陣切換發(fā)出/UPDATE、/CE等控制命令；P2口用來設(shè)置該控制器在整個(gè)會(huì)議電視系統(tǒng)中的地址。由硬件來設(shè)置控制器的地址可以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，方便軟件的設(shè)計(jì)。
1.2 通訊接口部分
　　通訊接口可以根據(jù)實(shí)際安裝的不同需要，提供RS－232標(biāo)準(zhǔn)和RS－485標(biāo)準(zhǔn)，其波特率可由用戶編程設(shè)定。這部分電路主要由MAX202E(+5V RS－232接收發(fā)送器)、MAX491和光電耦合器件6N137構(gòu)成。
1.3 復(fù)位與看門狗電路
　　采用MAX813L作為電源監(jiān)視和看門狗電路。當(dāng)電源上電、掉電時(shí)，該芯片都可提供復(fù)位電平，并且當(dāng)其WDI管腳不能采集到翻轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)送200ms的復(fù)位脈沖。單片機(jī)控制器采用P3.2腳定時(shí)向看門狗電路發(fā)送電壓翻轉(zhuǎn)信號(hào)，以示系統(tǒng)正常工作。當(dāng)由于外部干擾或其他原因?qū)е滤罊C(jī)時(shí)，看門狗電路會(huì)自動(dòng)發(fā)出復(fù)位信號(hào)。
1.4 I2C總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
　　I2C總線是由Philips公司提出的串行通訊接口規(guī)范，使用串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)來進(jìn)行主從器件之間的數(shù)據(jù)傳輸。I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)100Kbit/s，快速方式下可達(dá)400Kbit/s。在I2C總線傳輸中，開始和停止條件定義如下：當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由高變?yōu)榈蜑殚_始條件；當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由低變?yōu)楦邽橥Ｖ箺l件(如圖2)。SDAH和SCL都是雙向傳輸線，SDA線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘高期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng)SCL線上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)，數(shù)據(jù)線上的狀態(tài)才可以改變(如圖3)。輸出到SDA線上的每一個(gè)字節(jié)必須是8位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，每個(gè)字節(jié)必須有一個(gè)應(yīng)答位。

在該控制器中，采用的串行E2PROM芯片是X24C04，SCL和SDA分別接單片機(jī)的P3.6和P3.7腳,數(shù)據(jù)的讀寫完全由軟件控制。
1.5 矩陣切換電路
　　矩陣切換電路以16×8為基本單元，可根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)充為32×8、64×8、128×16等不同規(guī)模?？刂齐娐房赏ㄟ^參數(shù)的設(shè)定控制不同規(guī)模的切換電路。所采用的芯片AD8111是一種高速視頻切換矩陣，具有260MHz的視頻帶寬。AD8111可在并行或串行模式下工作，八個(gè)輸出通道可任選十六路視頻輸入中的一路。并行模式(本次所用的為并行模式)下，在信號(hào)/UPDATE為高，/CE為低的條件下，當(dāng)CLK為高時(shí)控制器發(fā)出更新數(shù)據(jù)，在CLK由高變低時(shí)，AD8111通過A0～A2和D0～D4管腳分別將數(shù)據(jù)送至輸出和輸入寄存器。其中A0～A2表示選中的輸出；D0～D3為所對(duì)應(yīng)的輸入；若D4＝1，則A0～A2表示的輸出為選通狀態(tài)，否則輸出為高阻態(tài)。當(dāng)/UPDATE由高變?yōu)榈蜁r(shí)，選中的輸出與輸入連通，矩陣的更改完成。
2 軟件設(shè)計(jì)
　　根據(jù)會(huì)議電視系統(tǒng)的整體要求，軟件主要由主程序和串口中斷服務(wù)子程序組成。編程時(shí)著重考慮了以下幾方面：對(duì)整個(gè)控制器正確地初始化；對(duì)上級(jí)主控命令正確地分析、判斷、處理；對(duì)矩陣的正確更新，對(duì)數(shù)據(jù)的及時(shí)保存(主程序流程如圖4)。

2.1 主機(jī)控制命令
　　主機(jī)發(fā)出的控制命令有兩種。第一種是定長(zhǎng)的，包含8個(gè)字節(jié)(見圖5)。C3H是開始字節(jié)，5AH表示結(jié)束；地址1、地址2表示控制器在整個(gè)系統(tǒng)中所處的位置；數(shù)據(jù)1、數(shù)據(jù)2包含了對(duì)矩陣輸入輸出更新的具體信息；優(yōu)先級(jí)代表了本次命令的優(yōu)先級(jí)別，00H級(jí)別最高；校驗(yàn)字節(jié)為前6個(gè)字節(jié)之和。第二種命令是分組控制命令，長(zhǎng)度不定(見圖6)，C5H 表示第二種控制命令的開始；地址1、地址2同第一類控制命令；數(shù)據(jù)0是本次分組命令所控制的輸出通道；數(shù)據(jù)1至數(shù)據(jù)n是本次分組中的輸入通道；校驗(yàn)字節(jié)為前幾個(gè)字節(jié)之和對(duì)FFH取余；55H 表示本次命令的結(jié)束。

2.2主程序
　　控制器在沒收到主機(jī)發(fā)送的控制命令時(shí)，會(huì)一直運(yùn)行于主程序之中。主程序主要完成對(duì)系統(tǒng)的初始化；定時(shí)向看門狗電路發(fā)送電壓翻轉(zhuǎn)信號(hào)；對(duì)主機(jī)的控制命令發(fā)送回傳信息。
　　在初始化時(shí)，先從存儲(chǔ)器中讀取信息，判斷讀出的數(shù)據(jù)是否超出了矩陣的輸入輸出范圍。若數(shù)據(jù)無誤，則按此信息(一般是上次關(guān)機(jī)時(shí)控制器的狀態(tài))初始化矩陣。若發(fā)現(xiàn)某一數(shù)據(jù)有誤，則按預(yù)先的約定初始化矩陣?？刂破髟谙蛑鳈C(jī)返回命令之前要判斷回響標(biāo)志，若標(biāo)志為“1”，則調(diào)用回響主機(jī)的子程序，否則會(huì)跳過這一步，繼續(xù)向看門狗電路發(fā)送電壓翻轉(zhuǎn)信號(hào)，以示其工作正常。
2.3 串口中斷服務(wù)子程序

一旦控制器檢測(cè)到串口有數(shù)據(jù)到來，就會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。單片機(jī)在執(zhí)行完當(dāng)前的指令后，會(huì)轉(zhuǎn)向服務(wù)子程序(流程如圖7)。在子程序內(nèi)要完成對(duì)主控命令的判斷、分析、處理，完成對(duì)矩陣的更改及信息的保存等任務(wù)。中斷服務(wù)子程序也是軟件設(shè)計(jì)的核心部分與難點(diǎn)之處。在接收完主機(jī)發(fā)送的命令之后，要處理的事務(wù)有：
　　(1)判斷命令是否正確。這包括判斷命令是否正確；檢查命令是第一類還是第二類。若是第一類命令，要檢查其起始、結(jié)束字節(jié)和校驗(yàn)字節(jié)是否正確；輸入輸出是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)。若是第二類命令，要保存分組信息，開啟記時(shí)器。若檢查有一點(diǎn)不對(duì)，將放棄該命令，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，退出服務(wù)子程序。
　　(2)在確認(rèn)命令正確無誤后，要檢查對(duì)應(yīng)的輸出是否被鎖定。若鎖定標(biāo)志為“0”，則直接更改矩陣；若輸出被某一主控命令鎖定，那么就要比較新接收到命令的優(yōu)先級(jí)與鎖定的優(yōu)先級(jí)的高低，高于鎖定的優(yōu)先級(jí)則可以更改矩陣，否則更改失敗。
　　(3)在更改矩陣之后，要及時(shí)地將更新信息寫入存儲(chǔ)器。并且將回響主機(jī)的標(biāo)志置為“1”。
　　退出中斷服務(wù)子程序后，對(duì)主機(jī)命令的回響有兩種情況。若更改成功，則將主控命令按相反的順序返回主機(jī)；若因優(yōu)先級(jí)低而更改失敗，則將鎖定的高優(yōu)先級(jí)返回主機(jī)，防止主機(jī)繼續(xù)發(fā)送此控制命令。
2.4 記時(shí)器中斷子程序
　　記時(shí)器中斷子程序是用來實(shí)現(xiàn)分組功能的?？刂破鹘邮盏街鳈C(jī)的第二類命令時(shí)，記時(shí)器開始記時(shí)，然后每隔3分鐘該組中的輸出通道就會(huì)輪流接通所選中的輸入，直到主機(jī)發(fā)出取消本次分組的命令。
3 可靠性分析
　　為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)主要采取了以下措施：
　　· I2C總線連接的E2PROM使得象在突然掉電這樣的異常情況下，能保存住現(xiàn)場(chǎng)信息。
　　·看門狗電路具有自動(dòng)復(fù)位的功能。
　　·通過光電耦合與主機(jī)的通訊，增強(qiáng)了抗干擾能力。
　　·應(yīng)答式的數(shù)據(jù)通訊，再加上校驗(yàn)字節(jié)保證了通訊的可靠性。
　　·軟件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)控制命令一系列的判斷檢查，能夠確保對(duì)矩陣的正確更新，防止誤操作。
　　該控制器設(shè)計(jì)思路巧妙，充分利用了所選器材的資源，成本低廉。實(shí)際應(yīng)用表明，該控制器工作穩(wěn)定，容錯(cuò)能力強(qiáng)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。