基于單片機的應用于視頻監控的矩陣切換器設計

根據視頻監控系統對矩陣切換器的基本要求，設計了基于單片機的32×8視頻矩陣切換器。文中詳細論述了其接口電路設計，最后給出了由此矩陣切換器組成的視頻監控系統實例。

關鍵詞：單片機；視頻矩陣切換器；視頻監控?

作者簡介：彭芬（1971-），女，講師，主要研究方向：單片機應用系統開發。

1? 引言

在重大事件、零售場、交通控制等方面，都需要進行視頻監控。視頻監控系統中存在多點分布與集中監控的矛盾，不適合采用一對一的監視。一對一的監視即一部攝像機對應一臺監視器，這樣監控室體積龐大，投資高。一般采用一對多的監控，即一臺監視器對應多臺攝像機，用足夠少的監視設備實現多點監控，這樣視頻切換控制設備在監控系統中具有極其重要的地位。在視頻切換控制中，矩陣切換應用十分廣泛。

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備，用于規模較大的監控系統中。它可以選擇性地觀察圖像，指定在某臺監視器上輸出顯示。

在多路視頻輸入的情況下有多路的輸出選擇，形成矩陣結構，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)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路輸出此時輸出的3路輸入信號。只要進行合適的切換選擇，就可以實現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立，也就便于進行視頻信號切換和分配。

3? 基于單片機的32×8視頻矩陣切換器硬件設計

視頻監控行業中，信號只經過攝像，傳輸(一般是基帶傳輸)，控制與顯示，且顯示時對圖像的質量要求相對較低，只要能看清，并不作轉播等工作，因此監控行業對視頻切換矩陣的要求是指標低、功能多(能帶云臺控制等)、便于遠程控制。視頻監控系統的矩陣切換系統應包括以下基本功能：視頻信號切換、控制云臺和攝像機鏡頭的動作、可實現遠程控制。

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單片機和兩片MT8816組成。MT8816是MITEL公司生產的8×16模擬開關矩陣，采用CMOS工藝制作。AT89C2051單片機是由美國ATMEL公司推出的高效單片機，它的指令與INTEL公司的MCS-51系列單片機完全兼容，本身帶有2K字節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行切換控制以及用于構成人機界面和構建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作為兩個芯片的片選信號。P_3。2-P_3。4分別作為選通脈沖ST、數據輸入DI、復位信號RESET。兩片的ROW₀-ROW₁₅都作為輸入，兩片的COL₀-COL₇依次并聯作為輸出。即32路輸入，8路輸出。
　　實際應用中，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。

模擬開關芯片的地址選擇信號依次接單片機的地址線，分別對32路輸入和8路輸出進行譯碼控制。通過數據線DI寫入的邏輯“1”或“0”將決定地址譯碼對應的X_iY_j(i=0,…,31; j=0,…,7)交叉點開關的通斷，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”將其關閉，從而實現對視頻信號的切換控制。

3.2? 實現多功能控制的接口電路

多功能控制的實現是通過人機界面控制鍵盤，一方面實現對視頻信號的本地切換，另一方面實現對于云臺、鏡頭等的遠程控制。解碼器能是把控制碼轉換成模擬信號輸出，實現對云臺、鏡頭等的動作進行調整。然而解碼器不能直接接收鍵盤發來的控制信號，需要設計一個連接兩者的接口電路。

這里利用AT89C0251的串行通信口進行通信實現接口。串口通信標準有RS-232C和RS-485。RS-232C是廣泛應用的串口通信標準，但數據傳輸速度慢（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生干擾，并且只能進行一對一的通信。RS-485是一個多發送器的電路標準，一個發送器最多可允許驅動32個負載設備，RS-485的最大傳輸距離為1200m，最大傳輸速度可達10Mbit/s，它在遠程通信和多機總線系統中具有很大的吸引力。視頻監控系統中監控點與監控室的距離往往超過15m，且存在多點監控的問題，因此串行通信標準選用RS-485。本設計采用75176（ RS-485專用的收發芯片）完成RS-485標準接口通信。

切換矩陣主機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出RS485差分控制信號，經過75176收發器，將485差分信號轉換成AT89C2051可以接收的TTL電平信號。89C2051串口接收數據后，進行控制信號判斷，如為本地視頻切換控制信號則進行譯碼，變成對應地址碼，并在數據線寫入相應數據，實現對視頻信號的切換控制；如為遠程控制信號則轉換協議，發送TTL電平控制信號，再經75176把TTL電平信號轉換成可以遠距離傳輸的485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控應用系統

由視頻切換控制矩陣組成的視頻監控系統如圖4。

圖中最多有32路輸入，8路監視器輸出。攝像機圖像經過光纜傳送到視頻矩陣切換器主機；通過控制鍵盤可對所有輸入的視頻信號進行切換，選擇其中1路輸出到監視器上（可置于控制臺上）；對云臺與鏡頭的控制，由監控人員操作控制鍵盤發出控制信號，主機收到控制信號，由解碼器對傳送來的信號進行譯碼，即確定執行何種控制動作，在經繼電器功率放大，驅動云臺或鏡頭完成相應的控制動作，以實現對監控點攝像機的鏡頭、云臺等設備的遙控。

5? 結束語

本文設計中采用AT89C2051單片機作為控制核心部分，使得系統電路的設計大大簡化。在矩陣切換上選用專用的模擬開關矩陣切換芯片雖價格較高，但穩定性好，可形成的矩陣規模較大。RS-485電氣接口，在不加總線驅動的情況下，方便實現對多個終端設備的控制。以此視頻矩陣切換器為核心組成的視頻監控應用系統中監視器的數量可以大量減少，并使得整個監控系統所占有的空間大為減少，大量減少設備投資。

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