多路视频联网监控系统设计

多路视频联网监控系统设计

摘要：针对牢房视频监控的实际需求，提出了一种多路音频联网器的总体设计方案，使进入联网器的每一路视频信号都能够在指定的一路或多路监视器上输出，同时完成音频信号的同步切换，从而实现了多系统间音视频信号的传输控制，使构建分布式、智能化的监控系统成为可能。详细介绍了联网器的硬件设计原理和软件流程图。本文介绍了一种低成本、高可靠性、快速的嵌入式音频联网器的软硬件实现方法。实验证明：采用双串口MCU 作为牢房和控制中心的中介是一种实用、高效的系统设计方法，该系统不仅实现了音视频的实时切换，而且实现了一套完备灵活的双串口通讯协议。

引言

智能化、网络化、数字化视频监控系统已经是国内外发展的必然趋势[1]，它是现代化管理、监测、控制的重要手段之一，极大地提高了管理效率和自动化水平，已被广泛应用于工业、商业、金融、交通、公安、军事、及住宅小区安防等领域。为了提高监狱的自动化管理水平，本文给出了一种采用单片机(MCU)和模拟切换矩阵实现24 间牢房的监控画面在控制中心监视器上任意的音视频切换。

1 系统设计思路

1.1 牢房视频监控系统总体设计

牢房视频监控系统总体设计框图如图1 所示。整个视频监控系统采用C/S 架构，由音频联网器(简称联网器)、多台数字视频服务器(digital vision server X 系列，DVX)、摄像机(48个)、拾音器(48 个)、对讲主机、对讲分机、分控中心组成分布式网络监控系统。联网器利用W77E58 的双串口(UART0/UART1) 通信，与对讲主机采取串口485(或232) 双向通信，与DVX 设备采取串口485 广播通信，如图2 所示。

1.2 联网器主要功能

联网器主要功能包括：①来自对讲主机的4 线音频做2-4线转换，转换后的输入音频同2 线输入音频相联，命名为“对讲音频输出CALL”；②接收来自对讲主机的命令：485 或232。理解来自对讲主机的命令，对某路音频进行2 选1 的选择输出Aout [i]=OddIn [i] 或CALL；③在485 接口上，发送某路音频Aout [i] 对应的视频切换，即当前画面分割器切换到某路音频Aout[i]对应的视频上；④在串口UART0 上可以下载DVX设备配置列表；⑤工作状态点灯。

整个系统的工作过程为：每个牢房共有3 个音频输出(1个对讲分机，两个拾音器)，两个视频输出(两个摄像头)。两个拾音器连到联网器音频输入上，通过联网器的切换送到联网器的音频输出上(BNC 接口)，然后送到DVX 的音频输入，进行录音。两个视频输出直接送到DVX 的视频输入上，直接录像。当牢房中有人按动紧急按钮或中心呼叫某个牢房时，对讲主机通过232 或485 产生一个信号传到联网器的485 或232的输入上。联网器产生下列动作：①将此信号经过处理后广播到联网器的各个485 输出上，相应的DVX 接到此命令后切换到相应的牢房画面上；②把从对讲主机的音频输出切到相应牢房的拾音器输出上，此时DVX上的录音是对讲时的声音。当牢房与分控中心开始对讲以后，监视器上自动弹出该牢房所对应的大画面；在总控中心，用M2508 进行解码上电视墙，当牢房与总控中心开始对讲以后，在电视墙上自动弹出所对应的大画面。当对讲结束，监视器立即恢复原有的监控画面。

2 联网器硬件设计

硬件设计分为两大部分：第1 部分为双串口MCU的接口电路，主要包括W77E58 双串口驱动接口电路；第2 部分为二/四线转换电路及音频驱动接口电路，主要包括模拟音频2 选1和音频输入滤波电路。另外，为了防止系统掉电和死机，造成音频通道编码信息丢失，需要外加看门狗电路。联网器硬件系统总体设计框图如图3 所示。下面分别进行介绍。2.1 双串口MCU 的接口电路

MCU选定的是一个兼容8052 的8-bit微处理器W77E58[2]，它包括4 个8-bit I/O 端口、3 个16-bit 定时器/计数器、两个全双工通信的串口和12 个中断源。单片机W77E58 为主要控制部分，实现对模拟切换矩阵MT8816 和外部存储器EEPROM的控制。由于微处理器内部存在双串口通信，相应地定义了两种通信协议[3] (限于篇幅不作多叙)，完成对讲主机和DVX之间的协议转换，实现对讲主机和DVX 之间数据的可靠、透明传输[4]。

外部存储器EEPROM采用的是AT93C66[5]，用来缓存音频通道编码地址，使用它的目的是增强系统的可扩展性，提高单片机的数据传输速度和处理复杂通信协议的能力。由于在同DVX 连接的485 接口上，需要挂接多个DVX 设备，因此需要知道各个DVX 设备的DVX-ID 以及音频通道的编码。而单片机W77E58 的RAM 容量有限，无法存储这么大的数据包，只能放到外部EEPROM里，以使单片机能够高速地吞吐数据。P1.4 为高电平时，AT93C66 被选通，因此寻址范围为0x000H~0xFFFH。联网器以遥控器上输入的设备ID作为DVX-ID，把音频通道的编码方案写入本地MCU的EEPROM，本地MCU需要设计一个本地的数据结构和客户端程序，以便通过串口下载音频通道的编码方案[6]，也有利于以后的扩展。DVX设备采用了4 字节编址方式，如表1 所示。

2.2 二/四线转换电路及音频驱动接口电路音频2 选1 电路的2 个输入分别是对讲主机传送过来的分叉驱动后的音频和每个牢房里的其中一个拾音器(奇数路)送过来的音频。这样，共有24 个牢房，需要24 个音频2 选1 的电路。2 选1 以后的音频进DVX 设备的奇数路音频输入，每个牢房里的另外一个拾音器默认和DVX设备偶数路音频连接。从对讲主机过来的二线或四线音频信号，需要分叉成24 路音频去做2 选1，用3 个MT8816来完成。3 组MT8816 的控制信号通过单片机来实现。

MT8816 是多路模拟切换矩阵芯片[7]，该芯片有两种工作模式：8 路输入/16 路输出或16 路输入/8 路输出。软件编程时应特别注意，对于每一个输入通道而言，输出通道0~15(或0~7)并不完全对应于相应的二进制地址0000~1111 (或000~111)。MT8816 采用的是7 位地址总线，当控制模拟切换矩阵交叉点(AY2~AY0，AX3~AX0) 是连通还是断开时，首先片选信号CS应置为高电平，复位信号RESET 置为低电平，接着将切换的地址数据(*Y2Y1Y0X3X2X1X0)写入控制存储器，逻辑Data 在STROBE 下降沿锁存到输入寄存器DATA 中，Data 为“1”表示对应的交叉点连通，Data 为“0”表示对应的地址线交叉点断开，其它的地址线交叉点保持先前的状态不变。为了保证逻辑Data 正确锁存到输入寄存器DATA 中，逻辑Data 必须在STROBE 下降沿之前保持稳定。

音频输入滤波电路[8]主要功能是放大、去噪声，增强音频信号的驱动能力。为了尽量减少串扰，必须十分注意印制电路板的元件布局[9]，芯片模拟地和数字地的接地连接。设计中模拟元件与数字元件要完全分开，避免模拟信号线和数字信号线相互交叉，模拟地和数字地的敷铜要分别覆围所有模拟元件和数字元件。MT8816 芯片下方不要布设任何信号线，并用模拟地敷铜层覆围。音频输入信号线之间用较粗的地线隔开，走线尽量短而粗，采用最短路径靠近MT8816 模拟输入端口，从而提高音频通道之间的抗串扰能力。印制板顶层模拟地与数字地敷铜层要互不连接，底层模拟地与数字地敷铜层不要在接线端子插座的直流地短接，而要在MT8816 芯片的模拟地与数字地处单点短接，这样更能有效降低接地阻抗和噪声系数。

3 联网器软件设计

联网器完成整个通信过程的控制和监测，实现音视频切换过程的数字化控制。软件设计主要包括单片机系统软件、音频通道编码客户端串口下载软件及它们之间的通讯协议[10]。单片机[11]的系统软件采用C 语言编写，灵活方便；客户端串口下载软件采用VC++6.0 编写。在完成其双串口通信及串口下载功能的同时，力求程序结构合理简单，以适应实时视频监控系统稳定性和可靠性的要求。

3.1 系统软件

单片机系统软件由主程序、系统初始化子程序、EEPROM存取模块、模拟切换矩阵模块等组成。单片机系统程序流程图如图4 所示。系统通过485 总线或者232 总线完成与对讲主机的双向通信，根据接收命令控制2 选1 开关操作，并通知相应的DVX设备进行视频切换；与DVX设备通过485 总线进行单向通信，以广播的形式实现对12 台DVX 设备的控制，广播的485 命令中要有设备地址信息；完成AT93C66 的读写操作，AT93C66 用于存放DVX 设备的ID 号、路数及本地的通道编码地址信息；完成对MCU 工作指示灯的操作。EEPROM存取模块主要由AT93C66 的寄存器读程序ERead()、写程序EWrite()、初始化程序Ewen()和Ewds()组成。模拟切换矩阵模块主要由MT8816 的断开连接程序Switch_Shut()、开启连接程Switch_Open()及初始化程序Switch_Init()组成。在系统软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，调试方便，也利于今后系统功能的升级。W77E58 初始化应特别注意：当定时器(Time1, Time2)作为波特率发生器使用时，禁止允许相应的定时器中断(ET1, ET2)使能，否则无法实现串口中断的正常接收和发送；W77E58 内部的RAM&SFR共256 个字节，内部设置过大的数组缓冲区容易产生溢出。

3.2 客户端串口下载软件

音频通道编码串口下载软件是一个Windows 可视客户端下载软件，可以通过任意一台PC 的串口进行通信。当联网器启动(或复位)后，打开客户端下载软件，如果联网器UART0 收到下载(或修改)命令，单片机首先把从UART0 收到的音频通道编码方案迅速的写入EEPROM，从而减少对片外存储器的访问次数，增强了单片机系统的稳定性、通信的实时性。

4 测试结果

联网器置于牢房现场运行200 个小时，系统性能稳定可靠，实时性好，没有出现死机现象，能够在多台DVX之间进行任意的音视频切换，系统的UART0 和UART1 数据传输畅通。模块化的软件结构增强了系统的通用性和可移植性，有利于系统的功能扩展升级，而且具有网络化、智能化等优点。测试结果表明本系统已经达到了设计目标，并可以广泛应用于数字视频监控系统的二次设计与开发。