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，即一臺監(jiān)視器對應(yīng)多臺攝像機(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“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。

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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。只要進(jìn)行合適的切換選擇，就可以實(shí)現(xiàn)將多路信號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：視頻信號切換、控制云臺和攝像機(jī)鏡頭的動作、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。 [!--empirenews.page--]

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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作為兩個芯片的片選信號。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，反之，邏輯 “0”將其關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對視頻信號的切換控制。

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)對視頻信號的本地切換，另一方面實(shí)現(xiàn)對于云臺、鏡頭等的遠(yuǎn)程控制。解碼器能是把控制碼轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，實(shí)現(xiàn)對云臺、鏡頭等的動作進(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，需要設(shè)計(jì)一個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是一個多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，一個發(fā)送器最多可允許驅(qū)動32個負(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，經(jīng)過75176收發(fā)器，將485差分信號轉(zhuǎn)換成AT89C2051可以接收的TTL電平信號。89C2051串口接收數(shù)據(jù)后，進(jìn)行控制信號判斷，如為本地視頻切換控制信號則進(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)對視頻信號的切換控制；如為遠(yuǎn)程控制信號則轉(zhuǎn)換協(xié)議，發(fā)送TTL電平控制信號，再經(jīng)75176把TTL電平信號轉(zhuǎn)換成可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?85差分信號，這個485差分控制信號就可以被解碼器接收，從而命令繼電器開合來控制云臺和鏡頭等的動作。

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。

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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（可置于控制臺上）；對云臺與鏡頭的控制，由監(jiān)控人員操作控制鍵盤發(fā)出控制信號，主機(jī)收到控制信號，由解碼器對傳送來的信號進(jìn)行譯碼，即確定執(zhí)行何種控制動作，在經(jīng)繼電器功率放大，驅(qū)動云臺或鏡頭完成相應(yīng)的控制動作，以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控點(diǎn)攝像機(jī)的鏡頭、云臺等設(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)動的情況下，方便實(shí)現(xiàn)對多個終端設(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。