視頻通道設(shè)計.doc

多路視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計摘要：針對牢房視頻監(jiān)控的實(shí)際需求，提出了一種多路音頻聯(lián)網(wǎng)器的總體設(shè)計方案，使進(jìn)入聯(lián)網(wǎng)器的每一路視頻信號都能夠在指定的一路或多路監(jiān)視器上輸出，同時完成音頻信號的同步切換，從而實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)間音視頻信號的傳輸控制，使構(gòu)建分布式、智能化的監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。詳細(xì)介紹了聯(lián)網(wǎng)器的硬件設(shè)計原理和軟件流程圖。本文介紹了一種低成本、高可靠性、快速的嵌入式音頻聯(lián)網(wǎng)器的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)證明：采用雙串口MCU 作為牢房和控制中心的中介是一種實(shí)用、高效的系統(tǒng)設(shè)計方法，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了音視頻的實(shí)時切換，而且實(shí)現(xiàn)了一套完備靈活的雙串口通訊協(xié)議。引言 智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)是國內(nèi)外發(fā)展的必然趨勢1，它是現(xiàn)代化管理、監(jiān)測、控制的重要手段之一，極大地提高了管理效率和自動化水平，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、金融、交通、公安、軍事、及住宅小區(qū)安防等領(lǐng)域。為了提高監(jiān)獄的自動化管理水平，本文給出了一種采用單片機(jī)(MCU)和模擬切換矩陣實(shí)現(xiàn)24 間牢房的監(jiān)控畫面在控制中心監(jiān)視器上任意的音視頻切換。1 系統(tǒng)設(shè)計思路1.1 牢房視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計 牢房視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1 所示。整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)，由音頻聯(lián)網(wǎng)器(簡稱聯(lián)網(wǎng)器)、多臺數(shù)字視頻服務(wù)器(digital vision server X 系列，DVX)、攝像機(jī)(48個)、拾音器(48 個)、對講主機(jī)、對講分機(jī)、分控中心組成分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。聯(lián)網(wǎng)器利用W77E58 的雙串口(UART0/UART1) 通信，與對講主機(jī)采取串口485(或232) 雙向通信，與DVX 設(shè)備采取串口485 廣播通信，如圖2 所示。1.2 聯(lián)網(wǎng)器主要功能 聯(lián)網(wǎng)器主要功能包括：來自對講主機(jī)的4 線音頻做2-4線轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的輸入音頻同2 線輸入音頻相聯(lián)，命名為“對講音頻輸出CALL”；接收來自對講主機(jī)的命令：485 或232。理解來自對講主機(jī)的命令，對某路音頻進(jìn)行2 選1 的選擇輸出Aout i=OddIn i 或CALL；在485 接口上，發(fā)送某路音頻Aout i 對應(yīng)的視頻切換，即當(dāng)前畫面分割器切換到某路音頻Aouti對應(yīng)的視頻上；在串口UART0 上可以下載DVX設(shè)備配置列表；工作狀態(tài)點(diǎn)燈。整個系統(tǒng)的工作過程為：每個牢房共有3 個音頻輸出(1個對講分機(jī)，兩個拾音器)，兩個視頻輸出(兩個攝像頭)。兩個拾音器連到聯(lián)網(wǎng)器音頻輸入上，通過聯(lián)網(wǎng)器的切換送到聯(lián)網(wǎng)器的音頻輸出上(BNC 接口)，然后送到DVX 的音頻輸入，進(jìn)行錄音。兩個視頻輸出直接送到DVX 的視頻輸入上，直接錄像。當(dāng)牢房中有人按動緊急按鈕或中心呼叫某個牢房時，對講主機(jī)通過232 或485 產(chǎn)生一個信號傳到聯(lián)網(wǎng)器的485 或232的輸入上。聯(lián)網(wǎng)器產(chǎn)生下列動作：將此信號經(jīng)過處理后廣播到聯(lián)網(wǎng)器的各個485 輸出上，相應(yīng)的DVX 接到此命令后切換到相應(yīng)的牢房畫面上；把從對講主機(jī)的音頻輸出切到相應(yīng)牢房的拾音器輸出上，此時DVX上的錄音是對講時的聲音。當(dāng)牢房與分控中心開始對講以后，監(jiān)視器上自動彈出該牢房所對應(yīng)的大畫面；在總控中心，用M2508 進(jìn)行解碼上電視墻，當(dāng)牢房與總控中心開始對講以后，在電視墻上自動彈出所對應(yīng)的大畫面。當(dāng)對講結(jié)束，監(jiān)視器立即恢復(fù)原有的監(jiān)控畫面。2 聯(lián)網(wǎng)器硬件設(shè)計 硬件設(shè)計分為兩大部分：第1 部分為雙串口MCU的接口電路，主要包括W77E58 雙串口驅(qū)動接口電路；第2 部分為二/四線轉(zhuǎn)換電路及音頻驅(qū)動接口電路，主要包括模擬音頻2 選1和音頻輸入濾波電路。另外，為了防止系統(tǒng)掉電和死機(jī)，造成音頻通道編碼信息丟失，需要外加看門狗電路。聯(lián)網(wǎng)器硬件系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖3 所示。下面分別進(jìn)行介紹。2.1 雙串口MCU 的接口電路 MCU選定的是一個兼容8052 的8-bit微處理器W77E582，它包括4 個8-bit I/O 端口、3 個16-bit 定時器/計數(shù)器、兩個全雙工通信的串口和12 個中斷源。單片機(jī)W77E58 為主要控制部分，實(shí)現(xiàn)對模擬切換矩陣MT8816 和外部存儲器EEPROM的控制。由于微處理器內(nèi)部存在雙串口通信，相應(yīng)地定義了兩種通信協(xié)議3 (限于篇幅不作多敘)，完成對講主機(jī)和DVX之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對講主機(jī)和DVX 之間數(shù)據(jù)的可靠、透明傳輸4。 外部存儲器EEPROM采用的是AT93C665，用來緩存音頻通道編碼地址，使用它的目的是增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，提高單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速度和處理復(fù)雜通信協(xié)議的能力。由于在同DVX 連接的485 接口上，需要掛接多個DVX 設(shè)備，因此需要知道各個DVX 設(shè)備的DVX-ID 以及音頻通道的編碼。而單片機(jī)W77E58 的RAM 容量有限，無法存儲這么大的數(shù)據(jù)包，只能放到外部EEPROM里，以使單片機(jī)能夠高速地吞吐數(shù)據(jù)。P1.4 為高電平時，AT93C66 被選通，因此尋址范圍為0x000H0xFFFH。聯(lián)網(wǎng)器以遙控器上輸入的設(shè)備ID作為DVX-ID，把音頻通道的編碼方案寫入本地MCU的EEPROM，本地MCU需要設(shè)計一個本地的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和客戶端程序，以便通過串口下載音頻通道的編碼方案6，也有利于以后的擴(kuò)展。DVX設(shè)備采用了4 字節(jié)編址方式，如表1 所示。2.2 二/四線轉(zhuǎn)換電路及音頻驅(qū)動接口電路音頻2 選1 電路的2 個輸入分別是對講主機(jī)傳送過來的分叉驅(qū)動后的音頻和每個牢房里的其中一個拾音器(奇數(shù)路)送過來的音頻。這樣，共有24 個牢房，需要24 個音頻2 選1 的電路。2 選1 以后的音頻進(jìn)DVX 設(shè)備的奇數(shù)路音頻輸入，每個牢房里的另外一個拾音器默認(rèn)和DVX設(shè)備偶數(shù)路音頻連接。從對講主機(jī)過來的二線或四線音頻信號，需要分叉成24 路音頻去做2 選1，用3 個MT8816來完成。3 組MT8816 的控制信號通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。 MT8816 是多路模擬切換矩陣芯片7，該芯片有兩種工作模式：8 路輸入/16 路輸出或16 路輸入/8 路輸出。軟件編程時應(yīng)特別注意，對于每一個輸入通道而言，輸出通道015(或07)并不完全對應(yīng)于相應(yīng)的二進(jìn)制地址00001111 (或000111)。MT8816 采用的是7 位地址總線，當(dāng)控制模擬切換矩陣交叉點(diǎn)(AY2AY0，AX3AX0) 是連通還是斷開時，首先片選信號CS應(yīng)置為高電平，復(fù)位信號RESET 置為低電平，接著將切換的地址數(shù)據(jù)(*Y2Y1Y0X3X2X1X0)寫入控制存儲器，邏輯Data 在STROBE 下降沿鎖存到輸入寄存器DATA 中，Data 為“1”表示對應(yīng)的交叉點(diǎn)連通，Data 為“0”表示對應(yīng)的地址線交叉點(diǎn)斷開，其它的地址線交叉點(diǎn)保持先前的狀態(tài)不變。為了保證邏輯Data 正確鎖存到輸入寄存器DATA 中，邏輯Data 必須在STROBE 下降沿之前保持穩(wěn)定。 音頻輸入濾波電路8主要功能是放大、去噪聲，增強(qiáng)音頻信號的驅(qū)動能力。為了盡量減少串?dāng)_，必須十分注意印制電路板的元件布局9，芯片模擬地和數(shù)字地的接地連接。設(shè)計中模擬元件與數(shù)字元件要完全分開，避免模擬信號線和數(shù)字信號線相互交叉，模擬地和數(shù)字地的敷銅要分別覆圍所有模擬元件和數(shù)字元件。MT8816 芯片下方不要布設(shè)任何信號線，并用模擬地敷銅層覆圍。音頻輸入信號線之間用較粗的地線隔開，走線盡量短而粗，采用最短路徑靠近MT8816 模擬輸入端口，從而提高音頻通道之間的抗串?dāng)_能力。印制板頂層模擬地與數(shù)字地敷銅層要互不連接，底層模擬地與數(shù)字地敷銅層不要在接線端子插座的直流地短接，而要在MT8816 芯片的模擬地與數(shù)字地處單點(diǎn)短接，這樣更能有效降低接地阻抗和噪聲系數(shù)。3 聯(lián)網(wǎng)器軟件設(shè)計 聯(lián)網(wǎng)器完成整個通信過程的控制和監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)音視頻切換過程的數(shù)字化控制。軟件設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)軟件、音頻通道編碼客戶端串口下載軟件及它們之間的通訊協(xié)議10。單片機(jī)11的系統(tǒng)軟件采用C 語言編寫，靈活方便；客戶端串口下載軟件采用VC+6.0 編寫。在完成其雙串口通信及串口下載功能的同時，力求程序結(jié)構(gòu)合理簡單，以適應(yīng)實(shí)時視頻監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的要求。3.1 系統(tǒng)軟件 單片機(jī)系統(tǒng)軟件由主程序、系統(tǒng)初始化子程序、EEPROM存取模塊、模擬切換矩陣模塊等組成。單片機(jī)系統(tǒng)程序流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)通過485 總線或者232 總線完成與對講主機(jī)的雙向通信，根據(jù)接收命令控制2 選1 開關(guān)操作，并通知相應(yīng)的DVX設(shè)備進(jìn)行視頻切換；與DVX設(shè)備通過485 總線進(jìn)行單向通信，以廣播的形式實(shí)現(xiàn)對12 臺DVX 設(shè)備的控制，廣播的485 命令中要有設(shè)備地址信息；完成AT93C66 的讀寫操作，AT93C66 用于存放DVX 設(shè)備的ID 號、路數(shù)及本地的通道編碼地址信息；完成對MCU 工作指示燈的操作。EEPROM存取模塊主要由AT93C66 的寄存器讀程序ERead()、寫程序EWrite()、初始化程序Ewen()和Ewds()組成。模擬切換矩陣模塊主要由MT8816 的斷開連接程序Switch_Shut()、開啟連接程Switch_Open()及初始化程序Switch_Init()組成。在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，采用模塊化設(shè)計方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試方便，也利于今后系統(tǒng)功能的升級。W77E58 初始化應(yīng)特別注意：當(dāng)定時器(Time1, Time2)作為波特率發(fā)生器使用時，禁止允許相應(yīng)的定時器中斷(ET1, ET2)使能，否則無法實(shí)現(xiàn)串口中斷的正常接收和發(fā)送；W77E58 內(nèi)部的RAM&SFR共256 個字節(jié)，內(nèi)部設(shè)置過大的數(shù)組緩沖區(qū)容易產(chǎn)生溢出。3.2 客戶端串口下載軟件 音頻通道編碼串口下載軟件是一個Windows 可視客戶端下載軟件，可以通過任意一臺PC 的串口進(jìn)行通信。當(dāng)聯(lián)網(wǎng)器啟動(或復(fù)位)后，打開客戶端下載軟件，如果聯(lián)網(wǎng)器UART0 收到下載(或修改)命令，單片機(jī)首先把從UART0 收到的音頻通道編碼方案迅速的寫入EEPROM，從而減少對片外存儲器的訪