趙文龍，艾志清，劉 陽

(南昌航空大學1a.信息工程學院;1b.測試與光電技術學院，江西 南昌 330063;2.深圳載德光電技術開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518072)

責任編輯:魏雨博

隨著視頻矩陣的廣泛運用，視頻切換器已經不僅僅局限于用來選擇視頻圖像信號，它正朝著大容量、多功能、可聯網、應用可定制等方向發(fā)展。它與計算機連接，組成功能強大的微機多媒體中央監(jiān)控系統;與多種控制方式、多種控制設備組成可多人同時獨立操作的監(jiān)視監(jiān)控系統［1］。因此，視頻矩陣控制系統的軟件也變得越來越復雜。

目前，國內大多數矩陣控制系統都是通過單片機來實現。一方面，由于單片機的邏輯控制程序與底層硬件驅動密不可分，一旦系統硬件發(fā)生改變，整個邏輯控制程序便隨之改變，而且，單片機的處理能力有限，難以用其開發(fā)復雜的系統應用程序及實現系統的網絡控制功能。另一方面，通過移植嵌入式Linux操作系統并在其平臺上進行矩陣控制應用程序的開發(fā)，不僅隔開了與底層硬件的直接聯系、方便了底層硬件的升級，而且還可根據不同的用戶需求進行定制開發(fā)。同時，嵌入式Linux操作系統還提供了強大的網絡服務，從而可實現矩陣控制系統的網絡控制［2－4］。另外，本系統采用的M21123視頻切換芯片還可以對輸入、輸出端口進行自由配置，克服了傳統矩陣輸入、輸出端口固定的缺點。為此，設計出一款以嵌入式Linux操作系統為平臺，以Samsung公司的S3C2416為主控制器的SDI矩陣控制系統，以滿足用戶不斷提高的使用需求。

1 系統的總體架構

系統采用模塊化的設計理念，把整個視頻矩陣系統劃分為中心處理模塊、人機交互模塊、信號輸入模塊、視頻切換模塊、信號輸出模塊和電源模塊六大部分，然后，再由一塊背板通過總線把各個模塊集合成一個視頻矩陣系統。

其中，中心處理模塊負責建立、協調各個模塊之間的通信，解析來自各個模塊的命令，并把解析后的命令轉到相應的模塊進行處理;人機交互模塊包括本地觸摸屏GUI界面、上位機操作軟件及Web網絡服務，它主要用來接收用戶的命令輸入，并把接收到的命令打包成標準的命令格式，再發(fā)送給中心處理模塊進行解析;信號輸入、輸出模塊分別負責視頻或控制信號的輸入、輸出處理;視頻切換模塊負責建立信號輸入、輸出模塊的視頻通道映射;電源模塊負責整個系統的電源管理。各個模塊設計成獨立的電路板，中心處理模塊對應主控制板，信號輸入、視頻切換、信號輸出模塊則分別對應信號輸入、視頻切換、信號輸出板，它們通過金手指與背板進行連接。背板總共有8個卡槽，其中，主控板、視頻切換板各占1個卡槽，信號輸入、輸出板占其他6個卡槽。每個信號輸入、輸出板可實現4路SDI信號的處理，由此可知，系統最大可以處理24路SDI信號。但按照不同的現場應用需求，還可以靈活地組成4×20、8×16、12×12、16×8共4種不同容量的視頻矩陣切換系統［5］。本文主要討論中心處理模塊的設計，其他模塊也作簡單的介紹。

2 中心處理模塊的硬件接口設計

中心處理模塊是視頻矩陣系統的控制中心，在整個系統中發(fā)揮著“大腦”的作用，負責對外聯絡和對內控制。對外與PC通信，以接收操作人員發(fā)出的切換指令和其他控制命令，繼而向其他模塊發(fā)送指令，以實現切換控制功能［5］。中心處理模塊主要由ARM9處理器S3C2416、串口收發(fā)芯片MAX232、網絡控制芯片DM9000C、CAN控制芯片MCP2515和觸摸屏LCD等組成，其硬件接口設計如圖1所示。

圖1 中心處理模塊的硬件接口設計

2.1 主控板與視頻交換板卡的通信接口設計

視頻交換功能是視頻矩陣系統的業(yè)務核心，它采用MNDSPEED公司生產的M21123作為視頻切換芯片。該芯片是一款低功耗、24端口的高速數字視頻交叉切換芯片，含有18個輸入、輸出可配置端口，6個固定輸出端口。它具有傳輸信號損失補償、輸入信號均衡、輸出DE增強、幅度調節(jié)的功能，支持3G/HD/SD－SDI信號［6］，同時提供2線I2C和4線SPI編程接口。

為了提高視頻切換響應速度，采用4線的SPI接口。M21123提供的4線SPI總線讀寫操作數據幀如圖2所示，由圖2可知M21123的SPI操作并不是標準的SPI操作。

圖2 M21123數據幀

S3C2416的SPI總線只能提供8/16/32位數據傳輸，為此，本系統采用普通的IO口模擬SPI總線。根據M21123的SPI讀寫操作時序圖(圖3)可知，要完成一次寫操作，xCS片選信號首先拉低，延時Tcs后，SCLK開始發(fā)送時鐘信號，SI開始連續(xù)發(fā)送起始位1、讀標志位0、8位地址及8位數據，在最后一位數據傳輸結束前Tcs時間，拉高xCS片選線，之后再延遲一個Tcs使移位寄存器的數據存儲到地址中去。此時，寫操作完成。

圖3 M21123 SPI讀寫時序(截圖)

同樣地，在完成一次讀操作時，要先把xCS片選拉低，延時Tcs時間后發(fā)送起始位1、寫標志1及8位地址，發(fā)送完畢后，移位寄存器開始通過SO向外發(fā)送8位數據［6］。至此，讀操作完成。由此，就可以設計出對M21123芯片操作的Linux驅動程序，實現系統對M21123芯片的讀寫操作。

2.2 中心處理模塊與各子模塊之間的通信接口設計

根據系統板卡間點對多的通信特點，本系統采用CAN總線作為板間的通信總線。CAN總線是一種多主機方式的串行通信總線，數據傳輸距離可長達10 km，傳輸速率高達1 Mbit/s，具有可靠的錯誤處理和檢錯機制。系統采用的CAN控制器為MCP2515，它帶有SPI接口，支持CAN總線規(guī)范2.0B，并支持標準數據幀和擴展數據幀，內含2個接收緩存器、3個發(fā)送緩存器、6個29位的驗收濾波寄存器及2個29位的驗收屏蔽寄存器。另外，其SPI接口時鐘頻率最高可達10 MHz［7］，與S3C2416的高速SPI接口匹配。

圖4是MCP2515的外圍CAN總線接口框圖，為使CAN網絡系統具有更高的可靠性和電器安全性，可在MCP2515同CAN總線收發(fā)器(TJA1050)之間使用高速光耦，以此來進行完全的電氣隔離。與此同時，在光耦兩端電路的電源處，也必須使用電源隔離模塊來進行隔離。而在TJA1050的CANH及CANL引腳與地之間連接2個電容(30 pF)，以過濾CAN總線上的高頻干擾。因此，在當總線電壓發(fā)生瞬間的干擾時，2個二極管可以起到保護作用。另外，由于光耦正常工作的輸入電流為10 mA左右，而內部發(fā)光二極管的正向電壓降為1.7 V左右，故應注意輸入端串聯電阻的阻值選擇［8］。

圖4 MCP2515 CAN總線接口電路

3 系統軟件設計

3.1 Linux系統平臺的搭建

系統選擇的內核版本是Linux2.6.32.9，其源碼可以從http://www.kernel.org/網站下載。文件下載后就可以在宿主機上裁剪Linux內核。第一步，修改內核目錄下的Makefile文件，將ARCH?=MYM(SUBARCH)和CROSS_COMPILE?=MYM(CONFIG_CROSS_COMPILE:“%”=%)修改為ARCH:=arm(指定目標平臺為ARM)和CROSS_COMPILE=arm－none－Linux－gnueabi－(指定交叉編譯器)。第二步，根據系統對硬件驅動的要求，添加視頻交換芯片M21123、CAN控制芯片MCP2515驅動，修改NAND Flash、DM9000C網卡、串口、觸摸屏等驅動。并添加系統對CAN協議、ubifs文件系統的支持。最后，通過交叉編譯內核后，產生內核文件uImage。

文件系統采用具有更高效的損耗均衡機制的嵌入式小文件系統ubifs。在制作ubifs文件系統的過程中，首先，通過 mtd － utils－1.4.6.tar.bz2(從 ftp://ftp.infradead.org/pub/mtd－ utils/網站獲取)源碼制作 mkfs.ubifs、ubinize工具;其次，通過busybox制作系統工具，并編譯生成相關的庫文件，并編寫一個調用mkfs.ubifs、ubinize工具和設置相關參數的腳本［9］。最后，執(zhí)行腳本完成ubifs文件系統的制作。

3.2 命令解析器的設計

系統軟件總體架構如圖5所示，由圖5可知，命令解析器是整個應用軟件架構的核心，它對來自串口、網口、CAN的命令進行解析，解析后轉到相應的處理模塊執(zhí)行。同時，解析器還提供一套基于串口和網口的對外通信編程接口［10］，方便用戶進行二次開發(fā)，把矩陣系統集合到自己的中央控制系統中去。

3.2.1 命令解析器的接口設計

圖5 系統軟件架構

在系統中，把命令設計為 Request，Response，Event，Complete_Event四種命令類型，其中UI主動向系統請求執(zhí)行某個操作的命令為Request命令;當系統處理完Request命令后，報告操作結果的命令定義為Response命令。在系統執(zhí)行完一個Request命令后，除了用Response向UI報告操作結果以外，還可能把大量的數據以多個命令的方式報告給UI，這個命令被定義為Event命令;對于有的Request命令，系統執(zhí)行完成后，會使用多個Event命令將相關的數據報告給UI，當所有數據報告完畢后還需要向UI發(fā)送命令來通知UI數據報告完畢，這個命令被定義為Complete_Event命令。

根據矩陣控制系統的功能需求，將命令劃分為若干組，每一個命令屬于且只屬于一個組，使用一個ID來標識每一個組，這個ID被定義為GID。在一個組內，不同的命令需使用另外一個ID來區(qū)分，這個ID為OID。最后，GID和OID共同組成了一個命令的操作碼。每一個命令可以帶參數，也可以不帶參數，參數列表定義為大端模式。命令使用的規(guī)則是:每一個Request命令和其對應的Response命令共享一個操作碼，每一個Request命令的OID的最高bit位為0;每一個Event命令和Complete_Event命令OID的最高bit位為1。命令定義的格式如表1所示。

表1 命令格式定義

根據表1中的命令定義格式及使用規(guī)則就可以定義出系統需要的命令，例如，一路視頻輸入映射到若干路視頻輸出的Response命令，其GID定義為0x02，OID定義為0x01，該命令帶參數列表，參數定義如表2所示，這樣一個切換命令就定義完成，其他命令定義依次類推。

表2 命令參數列表

3.2.2 命令解析器的程序設計

圖6為命令解析程序的基本流程，系統上電后，首先，進行系統的初始化，包括各模塊數據結構的初始化，打開串口、視頻切換芯片M21123、CAN等設備驅動文件，設置系統啟動參數，并創(chuàng)建CAN數據、串口數據、網口數據、命令解析四個子處理線程。然后，根據解析器接口定義，把從CAN、串口、網口收到的數據打包成統一的數據結構CB_MSG形式，并把CB_MSG格式數據推入一個環(huán)形命令隊列。最后，命令解析子處理線程不斷讀取環(huán)形命令隊列，再根據讀取的命令操作碼轉到不同的命令處理子函數中，子函數再調用底層驅動以實現對命令的最終處理。

圖6 命令解析器程序基本流程

例如，命令解析處理子線程從命令環(huán)形隊列里讀到一個切換命令，首先，通過函數 onParserMsg(CB_MSG*pMsg)提取該命令所屬的GID，再根據GID跳轉到該組GID命令的處理函數onSwitchCmd(uint16 opcode，CB_PARAM*pParam)中，然后，通過具體的操作碼跳轉到的操作碼處理函數onCreateTieReq(CB_PARAM*pParam)中，最后，通過createMediaTie(uint16 input，uint16 output)函數調用M21123視頻切換芯片底層驅動完成視頻的切換。

3.2.3 命令解析器的測試

首先，借助串口、網口調試工具來調試命令解析器，通過串口、網口調試工具發(fā)命令給解析器，解析器把程序執(zhí)行的結果打印出來，通過觀察打印log信息來判斷命令是否執(zhí)行正確。以上測試完成后，進行實際矩陣測試，在SDI視頻矩陣上插入3塊SDI輸入板卡和3塊SDI輸出板卡，并在SDI輸入端口5接入SDI信號，輸出口連接到帶SDI接口的顯示設備。圖7為本地觸摸屏GUI命令輸入界面，在GUI界面輸入命令5X17＆18＆20后，按回車執(zhí)行，從界面狀態(tài)信息欄可知，輸入口已經成功映射到輸出口17、18、20，同時，觀察連接的顯示輸出設備，發(fā)現有信號正常輸出，由此可知命令執(zhí)行成功，如此反復測試其他命令。測試結果表明，矩陣控制系統程序運行穩(wěn)定可靠，滿足使用要求。

圖7 GUI操作界面(截圖)

4 結束語

本文介紹的視頻矩陣控制系統在硬件上采用模塊化的設計方式，各功能模塊自成小系統，且相互間結構緊湊、接口清晰，極大地方便了系統的維護和改造升級。在軟件上移植了Linux操作系統，巧妙地設計了命令解析器的應用程序，根據解析器命令接口規(guī)則可以方便地進行新命令的添加。除此之外，系統還可通過以太網進行矩陣間的聯網，實現大范圍的集中控制。本系統雖然是基于24端口的SDI視頻矩陣的控制系統，但通過視頻交換板和視頻輸入、輸出板的升級，還可支持更大規(guī)模的視頻矩陣和更多類型的視頻接口。

［1］秦迎春.實現嵌入式矩陣切換控制系統的設計［J］.微計算機信息，2008，24(23):121－122.

［2］陳治國，李兆軍.基于AD8113的視頻矩陣切換系統的設計［J］.電子技術應用，2005，31(12):73－75.

［3］凌有鑄，王冠凌，楊會成，等.基于多級切換視頻監(jiān)控矩陣系統的設計［J］.自動化與儀器儀表，2008，28(3):1－3.

［4］韓春梅.基于MAX456的視頻切換矩陣設計［J］.電視技術，2004，28(3):91－93.

［5］張娜娜，錢步仁.64×64RGBHV視頻矩陣切換器的設計［J］.國外電子測量技術，2010，29(4):78－82.

［6］Mindspeed.21123－DSH－001－A datesheet［EB/OL］.［2013－01－01］.http://www.mindspeed.com/.

［7］Microchip Technology Inc.MCP2515 datasheet［EB/OL］.［2013－01－01］.http://www.microchip.com/2005－10/2012－10.

［8］陳衛(wèi)國，戴瑜興.基于CAN總線的視頻切換矩陣設計［J］.低壓電器，2007(22):5－9.

［9］梁泉.嵌入式Linux系統移植及應用開發(fā)技術研究［D］.成都:電子科技大學，2006.

［10］謝曉娟.嵌入式智能家居監(jiān)控系統的設計［D］.上海:華東師范大學，2011.