音视频双向全矩阵切换控制器设计原理

摘 要：本文叙述了一种在行消隐期切换控制的音视频双向全矩阵控制器的设计原理及单片机控制下的软件流程。

关键字：单片机；消隐期切换；双向矩阵切换；串行通讯

中图分类号：TP277 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.07.010

本文著录格式：[1]高克勤，高少峰.音视频双向全矩阵切换控制器设计原理[J].软件，2013，34（7）：30-32

0 概述

目前大多数电视监控系统或音视频信号切换都是单向完成的，即将前端摄像视频与监听音频信号传至后端控制室再由矩阵切换控制器按需要切到后端的显示屏或相关录像设备或其它显示区域。其矩阵切换方向都是单一的，即均由输入至输出的选择导通切换过程，其模型示意如右侧图一所示，这种矩阵切换控制器结构简单、程序编程简单是目前多在使用的产品。在社会实践中发现，有一些需要双向音视频矩阵切换的场所如大型企业的现代化管理。它即需要看到前端现场的状况，同时又需要将后端管理者的指示以图像或声音方式向前端有选择性地发布；再如公检法机关的讯问全程监控录像与指挥系统，它即需要对讯问室前端图像与音频进行监控切换同时又需要将后端主控制室和主管检察长等相关领导的指挥信息以图像、语音和字幕视频的形式向下选择讯问室进行切换输出。诸如此类，还有学校、大型公共场所等，这种双向音视频切换的核心就是即可对前端音视频信号进行向上的矩阵切换又可对后端的音视频信号进行向下的矩阵式切换，在同一设备体内完成双向矩阵切换控制，其示意图如图二所示。

根据上述社会需求分析，设计完成的音视频双向全矩阵切换控制器特点是：⑴ 输入输出可通过配套键盘任意编程设定，即任意端口即是输入端同时也是输出端，它的定义是通过配套可编程智能键盘设定完成的。⑵ 双向矩阵控制器的全部指令操作完全是在视频信号消隐期内完成，从而有效防止由于控制和切换操作对音视频信号所带来的干扰和质量影响。⑶ 单片机智能化控制管理，单体设备通过串行通讯实现级连扩展。⑷ 通道选通方向定义及矩阵切换，软件实时查询锁定保持

1 双向全矩阵切换控制器硬件构成及矩阵切换原理

双向全矩阵切换控制器由五大部分组成：

⑴ 以单位机为核心的数字化控制电路

⑵ 外扩展系统状态电可改写存贮器及总线式驱动电路

⑶ 矩阵通道双向开关切换电路。

⑷视频消隐期时序电路

⑸设备自动级连及外部通讯电路；其硬件示意如图三所示。

1.1 单片机数字化控制

在双向全矩阵切换控制器中以单片机为核心的数字电路是整个设备的控制核心，完成的主要工作有 ① 接收配套智能控制键盘或上位机所发出的通道切换方向定义指令，并将定义标志信息存入通道状态列表存贮器，随后发出通道选通方向定义指令由锁存器输出；② 接收配套智能编程键盘或上位机各类操作指令，完成诸如单路视频切换、多路视频页面切换、视频自动循环切换等操作指令；③ 自动检测相关通道视频消隐期，确保在消隐期内完成相应通道视频切换操作指令；④ 与外部关连设备进行握手式应答串行通讯，保证强大的级连扩展和与智能键盘或上位机的可靠通讯。

1.2 矩阵通道双向开关切换电路

在双向全矩阵切换控制器中第二大主要核心电路为双向矩阵通道开关切换电路，它的动作受控于单片机控制系统，电路设计质量对双向全矩阵切换控制器音视频输出质量有至关重要影响，它主要完成两方面工作 ① 通道选通方向定义锁定；② 音视频信号的矩阵式切换。在这一电路设计上有三点要非常注意，一是通道间的串扰隔离度，二是视频加调制音频后的带宽要足够宽，三是通道切换方向锁定和视频切换状态的可靠保持，这样才能保障矩阵切换后的音视频输出质量稳定、可靠。基于以上三点注意事项，可选择符合条件的单向切换集成电路器件通过逻辑组合形成可控方向的通道开关，选择单向切换集成电路器件相比双向大规模集成电路有以下优点；一是电路逻辑组织构成灵活多变方便编程、锁存状态易于管理；二是电路工艺设计能有效提高通道间串扰隔离度水平，防止音视频信号通道间相互串扰。

1.3视频消隐期时序电路

通道消隐期时序电路主要是将通道内准备切换的视频信号在消隐期内提供给单片机控制系统，只有当单片机检测到消隐期信号时它才给出各类切换操作指令，这一电路的设置主要是防止切换操作对视频信号的干扰和保障切出图像信号的稳定性。除切换操作外其它操作指令执行也是在打开通道视频行消隐期或场消隐期内完成。这一电路的加入有效防止了切出图像抖动和刺波图像干扰。

2 单片机下的编程设计与流程

编程设计主要完成三大类工作，一是上位机指令接收与分析；二是各类操作指令的发出与可靠保持；三是外部相关信息检测及相关执行。

2.1上位机/智能键盘指令的接收执行编程

在第一类上位机指令接收与分析中，双向矩阵控制器设计，有n台上位机（含可编程智能键盘）n≤16，对它们的指令接收有两种方法，一是逐一时间片轮转查询法，即按一定时间频率，逐一向上位机发出查询信号指令，有应答者则接收执行，其程序流程如图四所示。

这一方法特点是轮转查询占用系统工作周期时间较长

第二种方法是外部中断法，上位机先要向矩阵发出串行中断请求，矩阵主机接到中断请求后发出应答指令，接收上位机指令并分析存贮，其流程图如图五所示。

从中断方式指令接收流程图可以看出它节省了轮转法的查询时间，上位机谁有指令谁发出，先到主机先处理，提高主机的工作效率。通过上述分析双向矩阵切换控制器与上位机的通讯指令接收方式选定为串行外部中断方式。

2.2操作指令的发出与可靠保持

在编程中第二个重要的工作是对于发出的各类操作指令如何可靠的保持，如通道方向选通锁定信号，矩阵通道选通切换信号等，输出后不稳定或出现混乱，那整个矩阵就会造成输出混乱导致无法使用，为保证双向矩阵的工作状态可靠稳定，除硬件电路的保障之外，还要在软件编程上提供通道状态保持功能，即在程序存贮区设置通道状态记录表，将每个通道的状态全部记录其中，单片机系统在等待中断期间不间断的查询各通道现有状态，当发现与记录表内容不一致时，便按记录表登记状态重新输出定义状态。其流程图如图六所示。

这样矩阵无论从硬件还是软件在状态保持上有了双重保障，即使在干扰下出现差错，也会在软件控制下很快重新恢复。

2.3相关信息检测及相关执行。

在编程中还设计有许多检测与执行子程序如：通道方向控制输出子程序，通道矩阵切换子程序，串行通讯模块子程序，时序检测子程序，状态保持子程序等，状态列表查询与写入子程序等等，它们组成了双向矩阵控制器在单片机系统下的软件控制程序。

3结束语

音视频双向矩阵控制器是根据社会需求进行设计的，它已在相关系统中使用，音视频双向矩阵控制器集成了单片机数字技术，模拟电子技术以及电视技术应用等多项现代科学技术，是数字电路与模拟电路的高度融合体，它具有很强的通用性，可用于各种线路音视频流转和需要双向切换传输的电视监控系统中，为音视频信号传输应用提供了又一种先进、便利的切换设备。