基于嵌入式Linux的视频矩阵控制系统设计

赵文龙，艾志清，刘 阳

(南昌航空大学1a.信息工程学院;1b.测试与光电技术学院，江西 南昌 330063;2.深圳载德光电技术开发有限公司，广东 深圳 518072)

责任编辑:魏雨博

随着视频矩阵的广泛运用，视频切换器已经不仅仅局限于用来选择视频图像信号，它正朝着大容量、多功能、可联网、应用可定制等方向发展。它与计算机连接，组成功能强大的微机多媒体中央监控系统;与多种控制方式、多种控制设备组成可多人同时独立操作的监视监控系统［1］。因此，视频矩阵控制系统的软件也变得越来越复杂。

目前，国内大多数矩阵控制系统都是通过单片机来实现。一方面，由于单片机的逻辑控制程序与底层硬件驱动密不可分，一旦系统硬件发生改变，整个逻辑控制程序便随之改变，而且，单片机的处理能力有限，难以用其开发复杂的系统应用程序及实现系统的网络控制功能。另一方面，通过移植嵌入式Linux操作系统并在其平台上进行矩阵控制应用程序的开发，不仅隔开了与底层硬件的直接联系、方便了底层硬件的升级，而且还可根据不同的用户需求进行定制开发。同时，嵌入式Linux操作系统还提供了强大的网络服务，从而可实现矩阵控制系统的网络控制［2－4］。另外，本系统采用的M21123视频切换芯片还可以对输入、输出端口进行自由配置，克服了传统矩阵输入、输出端口固定的缺点。为此，设计出一款以嵌入式Linux操作系统为平台，以Samsung公司的S3C2416为主控制器的SDI矩阵控制系统，以满足用户不断提高的使用需求。

1 系统的总体架构

系统采用模块化的设计理念，把整个视频矩阵系统划分为中心处理模块、人机交互模块、信号输入模块、视频切换模块、信号输出模块和电源模块六大部分，然后，再由一块背板通过总线把各个模块集合成一个视频矩阵系统。

其中，中心处理模块负责建立、协调各个模块之间的通信，解析来自各个模块的命令，并把解析后的命令转到相应的模块进行处理;人机交互模块包括本地触摸屏GUI界面、上位机操作软件及Web网络服务，它主要用来接收用户的命令输入，并把接收到的命令打包成标准的命令格式，再发送给中心处理模块进行解析;信号输入、输出模块分别负责视频或控制信号的输入、输出处理;视频切换模块负责建立信号输入、输出模块的视频通道映射;电源模块负责整个系统的电源管理。各个模块设计成独立的电路板，中心处理模块对应主控制板，信号输入、视频切换、信号输出模块则分别对应信号输入、视频切换、信号输出板，它们通过金手指与背板进行连接。背板总共有8个卡槽，其中，主控板、视频切换板各占1个卡槽，信号输入、输出板占其他6个卡槽。每个信号输入、输出板可实现4路SDI信号的处理，由此可知，系统最大可以处理24路SDI信号。但按照不同的现场应用需求，还可以灵活地组成4×20、8×16、12×12、16×8共4种不同容量的视频矩阵切换系统［5］。本文主要讨论中心处理模块的设计，其他模块也作简单的介绍。

2 中心处理模块的硬件接口设计

中心处理模块是视频矩阵系统的控制中心，在整个系统中发挥着“大脑”的作用，负责对外联络和对内控制。对外与PC通信，以接收操作人员发出的切换指令和其他控制命令，继而向其他模块发送指令，以实现切换控制功能［5］。中心处理模块主要由ARM9处理器S3C2416、串口收发芯片MAX232、网络控制芯片DM9000C、CAN控制芯片MCP2515和触摸屏LCD等组成，其硬件接口设计如图1所示。

图1 中心处理模块的硬件接口设计

2.1 主控板与视频交换板卡的通信接口设计

视频交换功能是视频矩阵系统的业务核心，它采用MNDSPEED公司生产的M21123作为视频切换芯片。该芯片是一款低功耗、24端口的高速数字视频交叉切换芯片，含有18个输入、输出可配置端口，6个固定输出端口。它具有传输信号损失补偿、输入信号均衡、输出DE增强、幅度调节的功能，支持3G/HD/SD－SDI信号［6］，同时提供2线I2C和4线SPI编程接口。

为了提高视频切换响应速度，采用4线的SPI接口。M21123提供的4线SPI总线读写操作数据帧如图2所示，由图2可知M21123的SPI操作并不是标准的SPI操作。

图2 M21123数据帧

S3C2416的SPI总线只能提供8/16/32位数据传输，为此，本系统采用普通的IO口模拟SPI总线。根据M21123的SPI读写操作时序图(图3)可知，要完成一次写操作，xCS片选信号首先拉低，延时Tcs后，SCLK开始发送时钟信号，SI开始连续发送起始位1、读标志位0、8位地址及8位数据，在最后一位数据传输结束前Tcs时间，拉高xCS片选线，之后再延迟一个Tcs使移位寄存器的数据存储到地址中去。此时，写操作完成。

图3 M21123 SPI读写时序(截图)

同样地，在完成一次读操作时，要先把xCS片选拉低，延时Tcs时间后发送起始位1、写标志1及8位地址，发送完毕后，移位寄存器开始通过SO向外发送8位数据［6］。至此，读操作完成。由此，就可以设计出对M21123芯片操作的Linux驱动程序，实现系统对M21123芯片的读写操作。

2.2 中心处理模块与各子模块之间的通信接口设计

根据系统板卡间点对多的通信特点，本系统采用CAN总线作为板间的通信总线。CAN总线是一种多主机方式的串行通信总线，数据传输距离可长达10 km，传输速率高达1 Mbit/s，具有可靠的错误处理和检错机制。系统采用的CAN控制器为MCP2515，它带有SPI接口，支持CAN总线规范2.0B，并支持标准数据帧和扩展数据帧，内含2个接收缓存器、3个发送缓存器、6个29位的验收滤波寄存器及2个29位的验收屏蔽寄存器。另外，其SPI接口时钟频率最高可达10 MHz［7］，与S3C2416的高速SPI接口匹配。

图4是MCP2515的外围CAN总线接口框图，为使CAN网络系统具有更高的可靠性和电器安全性，可在MCP2515同CAN总线收发器(TJA1050)之间使用高速光耦，以此来进行完全的电气隔离。与此同时，在光耦两端电路的电源处，也必须使用电源隔离模块来进行隔离。而在TJA1050的CANH及CANL引脚与地之间连接2个电容(30 pF)，以过滤CAN总线上的高频干扰。因此，在当总线电压发生瞬间的干扰时，2个二极管可以起到保护作用。另外，由于光耦正常工作的输入电流为10 mA左右，而内部发光二极管的正向电压降为1.7 V左右，故应注意输入端串联电阻的阻值选择［8］。

图4 MCP2515 CAN总线接口电路

3 系统软件设计

3.1 Linux系统平台的搭建

系统选择的内核版本是Linux2.6.32.9，其源码可以从http://www.kernel.org/网站下载。文件下载后就可以在宿主机上裁剪Linux内核。第一步，修改内核目录下的Makefile文件，将ARCH?=MYM(SUBARCH)和CROSS_COMPILE?=MYM(CONFIG_CROSS_COMPILE:“%”=%)修改为ARCH:=arm(指定目标平台为ARM)和CROSS_COMPILE=arm－none－Linux－gnueabi－(指定交叉编译器)。第二步，根据系统对硬件驱动的要求，添加视频交换芯片M21123、CAN控制芯片MCP2515驱动，修改NAND Flash、DM9000C网卡、串口、触摸屏等驱动。并添加系统对CAN协议、ubifs文件系统的支持。最后，通过交叉编译内核后，产生内核文件uImage。

文件系统采用具有更高效的损耗均衡机制的嵌入式小文件系统ubifs。在制作ubifs文件系统的过程中，首先，通过 mtd － utils－1.4.6.tar.bz2(从 ftp://ftp.infradead.org/pub/mtd－ utils/网站获取)源码制作 mkfs.ubifs、ubinize工具;其次，通过busybox制作系统工具，并编译生成相关的库文件，并编写一个调用mkfs.ubifs、ubinize工具和设置相关参数的脚本［9］。最后，执行脚本完成ubifs文件系统的制作。

3.2 命令解析器的设计

系统软件总体架构如图5所示，由图5可知，命令解析器是整个应用软件架构的核心，它对来自串口、网口、CAN的命令进行解析，解析后转到相应的处理模块执行。同时，解析器还提供一套基于串口和网口的对外通信编程接口［10］，方便用户进行二次开发，把矩阵系统集合到自己的中央控制系统中去。

3.2.1 命令解析器的接口设计

图5 系统软件架构

在系统中，把命令设计为 Request，Response，Event，Complete_Event四种命令类型，其中UI主动向系统请求执行某个操作的命令为Request命令;当系统处理完Request命令后，报告操作结果的命令定义为Response命令。在系统执行完一个Request命令后，除了用Response向UI报告操作结果以外，还可能把大量的数据以多个命令的方式报告给UI，这个命令被定义为Event命令;对于有的Request命令，系统执行完成后，会使用多个Event命令将相关的数据报告给UI，当所有数据报告完毕后还需要向UI发送命令来通知UI数据报告完毕，这个命令被定义为Complete_Event命令。

根据矩阵控制系统的功能需求，将命令划分为若干组，每一个命令属于且只属于一个组，使用一个ID来标识每一个组，这个ID被定义为GID。在一个组内，不同的命令需使用另外一个ID来区分，这个ID为OID。最后，GID和OID共同组成了一个命令的操作码。每一个命令可以带参数，也可以不带参数，参数列表定义为大端模式。命令使用的规则是:每一个Request命令和其对应的Response命令共享一个操作码，每一个Request命令的OID的最高bit位为0;每一个Event命令和Complete_Event命令OID的最高bit位为1。命令定义的格式如表1所示。

表1 命令格式定义

根据表1中的命令定义格式及使用规则就可以定义出系统需要的命令，例如，一路视频输入映射到若干路视频输出的Response命令，其GID定义为0x02，OID定义为0x01，该命令带参数列表，参数定义如表2所示，这样一个切换命令就定义完成，其他命令定义依次类推。

表2 命令参数列表

3.2.2 命令解析器的程序设计

图6为命令解析程序的基本流程，系统上电后，首先，进行系统的初始化，包括各模块数据结构的初始化，打开串口、视频切换芯片M21123、CAN等设备驱动文件，设置系统启动参数，并创建CAN数据、串口数据、网口数据、命令解析四个子处理线程。然后，根据解析器接口定义，把从CAN、串口、网口收到的数据打包成统一的数据结构CB_MSG形式，并把CB_MSG格式数据推入一个环形命令队列。最后，命令解析子处理线程不断读取环形命令队列，再根据读取的命令操作码转到不同的命令处理子函数中，子函数再调用底层驱动以实现对命令的最终处理。

图6 命令解析器程序基本流程

例如，命令解析处理子线程从命令环形队列里读到一个切换命令，首先，通过函数 onParserMsg(CB_MSG*pMsg)提取该命令所属的GID，再根据GID跳转到该组GID命令的处理函数onSwitchCmd(uint16 opcode，CB_PARAM*pParam)中，然后，通过具体的操作码跳转到的操作码处理函数onCreateTieReq(CB_PARAM*pParam)中，最后，通过createMediaTie(uint16 input，uint16 output)函数调用M21123视频切换芯片底层驱动完成视频的切换。

3.2.3 命令解析器的测试

首先，借助串口、网口调试工具来调试命令解析器，通过串口、网口调试工具发命令给解析器，解析器把程序执行的结果打印出来，通过观察打印log信息来判断命令是否执行正确。以上测试完成后，进行实际矩阵测试，在SDI视频矩阵上插入3块SDI输入板卡和3块SDI输出板卡，并在SDI输入端口5接入SDI信号，输出口连接到带SDI接口的显示设备。图7为本地触摸屏GUI命令输入界面，在GUI界面输入命令5X17＆18＆20后，按回车执行，从界面状态信息栏可知，输入口已经成功映射到输出口17、18、20，同时，观察连接的显示输出设备，发现有信号正常输出，由此可知命令执行成功，如此反复测试其他命令。测试结果表明，矩阵控制系统程序运行稳定可靠，满足使用要求。

图7 GUI操作界面(截图)

4 结束语

本文介绍的视频矩阵控制系统在硬件上采用模块化的设计方式，各功能模块自成小系统，且相互间结构紧凑、接口清晰，极大地方便了系统的维护和改造升级。在软件上移植了Linux操作系统，巧妙地设计了命令解析器的应用程序，根据解析器命令接口规则可以方便地进行新命令的添加。除此之外，系统还可通过以太网进行矩阵间的联网，实现大范围的集中控制。本系统虽然是基于24端口的SDI视频矩阵的控制系统，但通过视频交换板和视频输入、输出板的升级，还可支持更大规模的视频矩阵和更多类型的视频接口。

［1］秦迎春.实现嵌入式矩阵切换控制系统的设计［J］.微计算机信息，2008，24(23):121－122.

［2］陈治国，李兆军.基于AD8113的视频矩阵切换系统的设计［J］.电子技术应用，2005，31(12):73－75.

［3］凌有铸，王冠凌，杨会成，等.基于多级切换视频监控矩阵系统的设计［J］.自动化与仪器仪表，2008，28(3):1－3.

［4］韩春梅.基于MAX456的视频切换矩阵设计［J］.电视技术，2004，28(3):91－93.

［5］张娜娜，钱步仁.64×64RGBHV视频矩阵切换器的设计［J］.国外电子测量技术，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］陈卫国，戴瑜兴.基于CAN总线的视频切换矩阵设计［J］.低压电器，2007(22):5－9.

［9］梁泉.嵌入式Linux系统移植及应用开发技术研究［D］.成都:电子科技大学，2006.

［10］谢晓娟.嵌入式智能家居监控系统的设计［D］.上海:华东师范大学，2011.