基于单片机的应用于视频监控的矩阵切换器设计

1  引言

在重大事件、零售场、交通控制等方面，都需要进行视频监控。视频监控系统中存在多点分布与集中监控的矛盾，不适合采用一对一的监视。一对一的监视即一部摄像机对应一台监视器，这样监控室体积庞大，投资高。一般采用一对多的监控，即一台监视器对应多台摄像机，用足够少的监视设备实现多点监控，这样视频切换控制设备在监控系统中具有极其重要的地位。在视频切换控制中，矩阵切换应用十分广泛。

2  视频矩阵切换原理

视频矩阵切换控制将多路输入信号任意选择一路或多路分别输出给一路或多路显示设备，用于规模较大的监控系统中。它可以选择性地观察图像，指定在某台监视器上输出显示。

在多路视频输入的情况下有多路的输出选择，形成矩阵结构，即每一路输出都可与不同的输入信号“短接”，每路输出只能接通某一路输入，但某一路输入都可(同时)接通不同的输出，如图1。

图中“·”表示某一路输出与某一路输入相连，如输出4与输入3相连，也就是说4路输出此时输出的3路输入信号。只要进行合适的切换选择，就可以实现将多路信号从输入通道切换输送到输出通道中的任一通道上，并且输出通道间彼此独立，也就便于进行视频信号切换和分配。

3  基于单片机的32×8视频矩阵切换器硬件设计

视频监控行业中，信号只经过摄像，传输(一般是基带传输)，控制与显示，且显示时对图像的质量要求相对较低，只要能看清，并不作转播等工作，因此监控行业对视频切换矩阵的要求是指标低、功能多(能带云台控制等)、便于远程控制。视频监控系统的矩阵切换系统应包括以下基本功能：视频信号切换、控制云台和摄像机镜头的动作、可实现远程控制。

3.1  视频矩阵切换器基本接口电路
　　32×8视频矩阵切换器基本接口原理电路如图2所示。整个视频矩阵切换器主要由89C2051单片机和两片MT8816组成。MT8816是MITEL公司生产的8×16模拟开关矩阵，采用CMOS工艺制作。AT89C2051单片机是由美国ATMEL公司推出的高效单片机，它的指令与INTEL公司的MCS-51系列单片机完全兼容，本身带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器，AT89C2051芯片作为微控制器用于对切换矩阵各单元进行切换控制以及用于构成人机界面和构建RS485串行通信接口。

图中用P_0.0-P_0.6作为两片MT8816的行地址和列地址控制线，P_0.7作为两个芯片的片选信号。P_3。2-P_3。4分别作为选通脉冲ST、数据输入DI、复位信号RESET。两片的ROW₀-ROW₁₅都作为输入，两片的COL₀-COL₇依次并联作为输出。即32路输入，8路输出。
　　实际应用中，视频矩阵切换器输入部分加匹配电路，输出部分加缓冲放大器。这里省略未画。

模拟开关芯片的地址选择信号依次接单片机的地址线，分别对32路输入和8路输出进行译码控制。通过数据线DI写入的逻辑“1”或“0”将决定地址译码对应的X_iY_j(i=0,…,31; j=0,…,7)交叉点开关的通断，逻辑“1”将其打开，Y_j路输出上就有X_i路输入信号，反之，逻辑 “0”将其关闭，从而实现对视频信号的切换控制。

3.2  实现多功能控制的接口电路

多功能控制的实现是通过人机界面控制键盘，一方面实现对视频信号的本地切换，另一方面实现对于云台、镜头等的远程控制。解码器能是把控制码转换成模拟信号输出，实现对云台、镜头等的动作进行调整。然而解码器不能直接接收键盘发来的控制信号，需要设计一个连接两者的接口电路。

这里利用AT89C0251的串行通信口进行通信实现接口。串口通信标准有RS-232C和RS-485。RS-232C是广泛应用的串口通信标准，但数据传输速度慢（最快传输速度为20Kbit/s）、传输距离短(最大电缆长度为15m)、接口处各信号间容易产生干扰，并且只能进行一对一的通信。RS-485是一个多发送器的电路标准，一个发送器最多可允许驱动32个负载设备，RS-485的最大传输距离为1200m，最大传输速度可达10Mbit/s，它在远程通信和多机总线系统中具有很大的吸引力。视频监控系统中监控点与监控室的距离往往超过15m，且存在多点监控的问题，因此串行通信标准选用RS-485。本设计采用75176（ RS-485专用的收发芯片）完成RS-485标准接口通信。

切换矩阵主机AT89C2051与控制键盘及解码器的接口电路框图如图3所示。

     图中控制键盘通过摇杆或按键发出RS485差分控制信号，经过75176收发器，将485差分信号转换成AT89C2051可以接收的TTL电平信号。89C2051串口接收数据后，进行控制信号判断，如为本地视频切换控制信号则进行译码，变成对应地址码，并在数据线写入相应数据，实现对视频信号的切换控制；如为远程控制信号则转换协议，发送TTL电平控制信号，再经75176把TTL电平信号转换成可以远距离传输的485差分信号，这个485差分控制信号就可以被解码器接收，从而命令继电器开合来控制云台和镜头等的动作。

4  以视频矩阵切换器为核心组成的视频监控应用系统

由视频切换控制矩阵组成的视频监控系统如图4。

图中最多有32路输入，8路监视器输出。摄像机图像经过光缆传送到视频矩阵切换器主机；通过控制键盘可对所有输入的视频信号进行切换，选择其中1路输出到监视器上（可置于控制台上）；对云台与镜头的控制，由监控人员操作控制键盘发出控制信号，主机收到控制信号，由解码器对传送来的信号进行译码，即确定执行何种控制动作，在经继电器功率放大，驱动云台或镜头完成相应的控制动作，以实现对监控点摄像机的镜头、云台等设备的遥控。

5  结束语

本文设计中采用AT89C2051单片机作为控制核心部分，使得系统电路的设计大大简化。在矩阵切换上选用专用的模拟开关矩阵切换芯片虽价格较高，但稳定性好，可形成的矩阵规模较大。RS-485电气接口，在不加总线驱动的情况下，方便实现对多个终端设备的控制。以此视频矩阵切换器为核心组成的视频监控应用系统中监视器的数量可以大量减少，并使得整个监控系统所占有的空间大为减少，大量减少设备投资。

参考文献

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