摘 要： 介紹一種以單片機為主控CPU的嵌入式視頻切換器，簡述其工作過程、硬件構成、軟件設計。該切換器已成功地應用于湖南省地縣電視會議系統中，實際應用表明，切換器工作可靠、成本低廉，具有很強的通用性和很高的實用價值。該切換器亦可用于普通的多媒體監控系統。
關鍵詞： 89C51單片機 視頻切換 嵌入式 I2C總線
隨著多媒體通信技術的迅速發展，會議電視的理論研究和實用系統研制也得到了迅速發展。近年來，我國的會議電視業務也以超出人們想象的速度得到推廣應用。視頻矩陣切換電路是會議電視系統的關鍵部件。要求具有以下功能：
·具有與多媒體電腦通訊的功能。可根據實際安裝的不同需要，提供可選的通訊接口。
·對主機發送的命令具有分析、判斷、處理的功能。
·具有上電、掉電和死機等異常情況下的自恢復能力。
·對系統配置的更新具有保存的功能。當上級控制命令對系統更改成功時，能及時保存所更改的信息。
考慮到該部分電路在系統中的獨立性和功能要求，決定選用89C51單片機作為主控CPU實現嵌入式的視頻矩陣切換；視頻切換電路則根據視頻通道的多少，可選用 MAX459、AD8111等不同的視頻矩陣切換芯片。
1 硬件構成
硬件電路主要由單片機控制器、矩陣切換電路、通訊接口、I2C總線數據存儲器、看門狗電路及其它外圍電路組成。框圖如圖1所示。
1.1 單片機控制器
89C51單片機是ATMEL公司生產的8位單片機，采用CMOS工藝，與Intel的8051單片機在管腳功能上完全兼容。該控制器采用P0口作為矩陣切換數據的輸出口；P1口用來對矩陣切換發出/UPDATE、/CE等控制命令；P2口用來設置該控制器在整個會議電視系統中的地址。由硬件來設置控制器的地址可以增強系統的可靠性，方便軟件的設計。
1.2 通訊接口部分
通訊接口可以根據實際安裝的不同需要，提供RS－232標準和RS－485標準，其波特率可由用戶編程設定。這部分電路主要由MAX202E(+5V RS－232接收發送器)、MAX491和光電耦合器件6N137構成。
1.3 復位與看門狗電路
采用MAX813L作為電源監視和看門狗電路。當電源上電、掉電時，該芯片都可提供復位電平，并且當其WDI管腳不能采集到翻轉信號時，就會發送200ms的復位脈沖。單片機控制器采用P3.2腳定時向看門狗電路發送電壓翻轉信號，以示系統正常工作。當由于外部干擾或其他原因導致死機時，看門狗電路會自動發出復位信號。
1.4 I2C總線數據存儲器
I2C總線是由Philips公司提出的串行通訊接口規范，使用串行數據線(SDA)和串行時鐘線(SCL)來進行主從器件之間的數據傳輸。I2C總線上的數據傳輸率可達100Kbit/s，快速方式下可達400Kbit/s。在I2C總線傳輸中，開始和停止條件定義如下：當SCL為高時，SDA由高變為低為開始條件；當SCL為高時，SDA由低變為高為停止條件(如圖2)。SDAH和SCL都是雙向傳輸線，SDA線上的數據在時鐘高期間必須是穩定的，只有當SCL線上的時鐘信號為低時，數據線上的狀態才可以改變(如圖3)。輸出到SDA線上的每一個字節必須是8位，每次傳輸的字節不受限制，每個字節必須有一個應答位。
在該控制器中，采用的串行E2PROM芯片是X24C04，SCL和SDA分別接單片機的P3.6和P3.7腳,數據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，可根據實際需要擴充為32×8、64×8、128×16等不同規模。控制電路可通過參數的設定控制不同規模的切換電路。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/UPDATE為高，/CE為低的條件下，當CLK為高時控制器發出更新數據，在CLK由高變低時，AD8111通過A0～A2和D0～D4管腳分別將數據送至輸出和輸入寄存器。其中A0～A2表示選中的輸出；D0～D3為所對應的輸入；若D4＝1，則A0～A2表示的輸出為選通狀態，否則輸出為高阻態。當/UPDATE由高變為低時，選中的輸出與輸入連通，矩陣的更改完成。
2 軟件設計
根據會議電視系統的整體要求，軟件主要由主程序和串口中斷服務子程序組成。編程時著重考慮了以下幾方面：對整個控制器正確地初始化；對上級主控命令正確地分析、判斷、處理；對矩陣的正確更新，對數據的及時保存(主程序流程如圖4)。
2.1 主機控制命令
主機發出的控制命令有兩種。第一種是定長的，包含8個字節(見圖5)。C3H是開始字節，5AH表示結束；地址1、地址2表示控制器在整個系統中所處的位置；數據1、數據2包含了對矩陣輸入輸出更新的具體信息；優先級代表了本次命令的優先級別，00H級別最高；校驗字節為前6個字節之和。第二種命令是分組控制命令，長度不定(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；數據0是本次分組命令所控制的輸出通道；數據1至數據n是本次分組中的輸入通道；校驗字節為前幾個字節之和對FFH取余；55H 表示本次命令的結束。
2.2主程序
控制器在沒收到主機發送的控制命令時，會一直運行于主程序之中。主程序主要完成對系統的初始化；定時向看門狗電路發送電壓翻轉信號；對主機的控制命令發送回傳信息。
在初始化時，先從存儲器中讀取信息，判斷讀出的數據是否超出了矩陣的輸入輸出范圍。若數據無誤，則按此信息(一般是上次關機時控制器的狀態)初始化矩陣。若發現某一數據有誤，則按預先的約定初始化矩陣。控制器在向主機返回命令之前要判斷回響標志，若標志為“1”，則調用回響主機的子程序，否則會跳過這一步，繼續向看門狗電路發送電壓翻轉信號，以示其工作正常。
2.3 串口中斷服務子程序
一旦控制器檢測到串口有數據到來，就會發出中斷請求信號。單片機在執行完當前的指令后，會轉向服務子程序(流程如圖7)。在子程序內要完成對主控命令的判斷、分析、處理，完成對矩陣的更改及信息的保存等任務。中斷服務子程序也是軟件設計的核心部分與難點之處。在接收完主機發送的命令之后，要處理的事務有：
(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、結束字節和校驗字節是否正確；輸入輸出是否在規定的范圍之內。若是第二類命令，要保存分組信息，開啟記時器。若檢查有一點不對，將放棄該命令，恢復現場，退出服務子程序。
(2)在確認命令正確無誤后，要檢查對應的輸出是否被鎖定。若鎖定標志為“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先級與鎖定的優先級的高低，高于鎖定的優先級則可以更改矩陣，否則更改失敗。
(3)在更改矩陣之后，要及時地將更新信息寫入存儲器。并且將回響主機的標志置為“1”。
退出中斷服務子程序后，對主機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；若因優先級低而更改失敗，則將鎖定的高優先級返回主機，防止主機繼續發送此控制命令。
2.4 記時器中斷子程序
記時器中斷子程序是用來實現分組功能的。控制器接收到主機的第二類命令時，記時器開始記時，然后每隔3分鐘該組中的輸出通道就會輪流接通所選中的輸入，直到主機發出取消本次分組的命令。
3 可靠性分析
為了提高整個系統的可靠性，設計時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，能保存住現場信息。
·看門狗電路具有自動復位的功能。
·通過光電耦合與主機的通訊，增強了抗干擾能力。
·應答式的數據通訊，再加上校驗字節保證了通訊的可靠性。
·軟件設計時對控制命令一系列的判斷檢查，能夠確保對矩陣的正確更新，防止誤操作。
該控制器設計思路巧妙，充分利用了所選器材的資源，成本低廉。實際應用表明，該控制器工作穩定，容錯能力強，具有很高的實用價值。
參考文獻
1 何立民著.MCS－51 系列單片機應用系統設計.系統配置與接口技術.北京：北京航空航天大學出版社，1990
2 AD公司數據手冊，1998
3 MAXIM公司數據手冊，1996
4 湖南省郵電規劃設計院.湖南省地－縣圖象通信網會議電視系統建設工程技術規范書，1997.6