基于FreeRTOS的嵌入式視頻矩陣系統設計與實現

李佳翔 范文兵 張真真

(鄭州大學信息工程學院 河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著電子技術的發展，顯示屏的分辨率越來越高，高分辨顯示屏越來越普及。同時，人民生活水平的提高使得高清視頻普及，同時對高清視頻切換的需求量就增大，視頻切換速度要求提高。

國外視頻矩陣技術發展較早，現在已有4K超高清的視頻矩陣，如Kramer公司的VP- 427UHD，已經可以實現量產，另外8K視頻矩陣已經在研發階段。國內視頻矩陣起步較晚，但由于需求量大而發展迅速。國內研究視頻矩陣的公司，如北京翌特視訊科技有限公司，也研發出了4K視頻矩陣HD8168SE，可以實現4K超高清視頻切換。但是，目前市面上存在的視頻矩陣魚龍混雜，且價格普遍比較昂貴[1]。同時，當今社會還是1 920×1 080分辨率的HDMI視頻普及率最高。綜合以上因素，開發一種經濟實用的HDMI(High Definition Multimedia Interface，高清晰度多媒體接口)矩陣是非常有必要的。HDMI矩陣[2]完成的功能是接收端接收信號源信號，經過芯片的通道選擇，從發送端將信號送給顯示設備[3]。本系統采用的切換芯片為國產芯片，故生產成本相對較低，同時又能滿足需求。

1 視頻矩陣系統總體設計方案

視頻矩陣系統分為上位機和下位機兩部分。下位機部分主要由電源模塊、STM32控制模塊、切換模塊、存儲模塊以及HDMI接口模塊構成，上位機部分主要實現對下位機的控制。電源模塊為整個系統供電，上位機為一個客戶端軟件，通過點擊界面操作向下位機發送命令，STM32接收上位機命令，然后向切換模塊發送對應的數據，切換模塊根據命令內容做出相應操作。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 視頻矩陣系統總體模塊圖

2 視頻矩陣系統硬件模塊設計與實現

2.1 HDMI接口模塊

HDMI接口[4]有5種類型，其中Type A類型使用最為廣泛，本系統采用的是Type A類型，目的是讓大多數設備直接使用。

2.1.1HDMI傳輸原理

HDMI是目前應用廣泛的音視頻傳輸協議[5-6]，傳輸基于TMDS(Transition Minimized Differential Signal，最小化傳輸差分信號)協議。TMDS具有抗干擾性強等優點。19針HDMI Type A的各引腳含義如表1所示。

表1 HDMI Type A引腳含義表

續表1

HDMI工作原理如圖2所示，HDMI包含了四路TMDS差分信號對，其中，前三路TMDS信號傳輸的是視頻像素數據，第四路TMDS傳輸的是像素時鐘信號，一個時鐘信號分別在三個TMDS數據通道傳輸一個像素的R、G、B(8 bit)信號。19引腳為HPD，用于監測有沒有HDMI設備存在。如果HPD引腳為高電平則代表有設備接入，為低則代表沒有設備接入。

圖2 HDMI工作原理圖

2.1.2HDMI接口電路設計

HDMI接口電路分為接收端和發送端兩部分。接收端從信號源接收信號，經過切換芯片轉換，從發送端發送給顯示設備。

接收端需要模擬顯示器，將信號源的信號“騙取”過來，傳送給切換芯片。這就用到了EDID技術，在接收端放置一個EDID存儲芯片，模仿顯示器與信號源之間的IIC通信。芯片采用AT24C02，最多可以存儲256個字節的數據，EDID最多為256個字節，保證夠用。

另外，為了防止靜電，以防瞬間電壓過高擊穿電路板，在HDMI端口處增加了ESD(Electro-Static discharge)器件。將每一路TMDS信號的正負極分別接在ULC0524P引腳上，一個ESD器件可以接兩路TMDS，一路HDMI有4路TMDS，故每個端口處都有兩個ULC0524P，能有效防止靜電擊穿芯片管腳[7]。接收端HDMI電路圖如圖3所示。

圖3 接收端HDMI電路設計圖

發送端HDMI電路連接如圖4所示，信號送到顯示屏完成顯示功能。雖然發送端不需要存儲EDID，但是發送端需要讀取顯示器的EDID，才能把EDID存入接收端的EEPROM中。所以輸入端的DDC通道與芯片相連。這樣輸入信號源才能根據EDID信息發送顯示器支持的最佳分辨率信號。另外發送端每個端口也接了兩個ESD器件防止靜電擊穿芯片管腳。

圖4 發送端HDMI電路設計圖

2.2 STM32控制模塊

矩陣系統的MCU控制著整個系統邏輯[8]，讀入按鍵輸入，控制LCD1602顯示屏輸出，控制芯片切換TMDS信號，控制著顯示屏EDID的讀取與EEPROM中EDID的寫入。控制RS232與NET通信與上位機通信。上位機通過NET網口向下位機發送數據，由于網口跟STM32電平不匹配，故需要經過網口轉串口模塊將網口電平轉換為TTL電平發送給STM32。框圖如圖5所示。

圖5 主控芯片連接框圖

2.3 切換模塊

切換模塊主要是由兩個LT8644芯片完成。LT8644是一種16×16的數字交叉開關，具有16個TMDS輸入通道和16個TMDS輸出通道。

HDMI信號分辨率為1 920×1 080，每秒傳輸60幀。一個時鐘周期內，一個TMDS通道傳輸8位像素信息和兩個控制信息共10位信息。假設每個像素使用48位色深，即3個16 bit，兩個時鐘內傳輸一遍RGB。加上控制信息以后，每個像素包含RGB總和為20×3=60 bit信息。每幀圖像的像素為1 920×1 080=2 073 600，HDMI要求預留20%空白像素，所以一幀的真實像素為2 073 600×(1+20%)=2 488 320。最大速率每秒60幀，所以每秒需要傳輸60×2 488 320×60=8 957 952 000位信息，即總速率約為8.958 Gbit，HDMI有三個TMDS通道傳數據，所以每個通道速率至少為2.986 Gbit/s。而LT8644給定的通道速率至高可以達到3.4 Gbit/s，完全夠用。

LT8644芯片通過UPDATE和RESET引腳與STM32連接，完成芯片的復位功能和更新寄存器功能。通過IIC總線與STM32通信，作為STM32的從機，通過SCL時鐘線和SDA數據線通信，從STM32接收數據并寫入切換芯片寄存器，寄存器的值改變了以后，執行UPDATE操作，芯片就會完成切換動作，如圖6所示。STM32也可以從切換芯片寄存器讀取數據來查看芯片狀態。

圖6 切換模塊框圖

2.4 電源模塊

電源模塊使用的是TPS54302芯片，可利用不同的反饋電阻得到不同的電壓輸出。視頻矩陣的輸入電壓為5 V直流電，LT8644芯片工作電壓需要3.3 V和1.8 V，STM32工作所需電壓為3.3 V。轉換電路如圖7所示。TPS54302將5 V直流轉換為3.3 V直流，轉換為1.8 V的電路圖與之類似，不過是將R502的22.1 kΩ換成49.9 kΩ。

圖7 電源模塊電路圖

STM32的3.3 V工作電壓通過LT8644的3.3 V經過磁珠隔離后得到，20 MHz帶寬紋波不大于30 mV。電路圖如圖8所示。

圖8 主控芯片供電圖

PCB示意圖如圖9所示。

圖9 硬件電路PCB示意圖

3 系統軟件設計與實現

3.1 下位機軟件設計與實現

3.1.1 下位機軟件總流程

視頻矩陣下位機軟件使用FreeRTOS系統，采用了時間片輪轉的方式來滿足系統實時性。設置兩個任務優先級相同，然后打開系統時間片輪轉方式。同時為了增加實時性，每個任務后面都增加了一段時延，使得剛執行完一個任務后釋放CPU控制權，讓另一個任務執行。因為切換任務都是人為操作的，所以毫秒級的切換完全是可以滿足實時性要求的。

系統上電后，首先需要設置時鐘、串口，以及各個芯片的初始化狀態并進行初始化。然后將系統也初始化。待初始化完畢，在系統中創建兩個任務并進入任務調度函數。一個任務用來從串口接收數據并且分析數據的有效性，若無效則丟棄，有效則存為命令結構。另一個任務用來解析命令，執行所需要的操作。系統就在這兩個任務中來回切換[9]，實現對視頻矩陣的控制。系統總體流程如圖10所示。

圖10 系統軟件總流程

3.1.2 通信協議的設計

通信協議的設計是完成上位機與下位機交互的重要步驟。通信協議數據包的前三個字節為協議頭“XG”，協議頭是數據的開始，同時起著分隔命令的作用，只有在收到協議頭時才可能認定為有效數據。接下來的一個字節數據為長度，代表內容的長度，內容的長度1～250個字節。假設長度字節數據的值為N，那么再接下來的N個字節數據即為數據內容，數據內容中的第一個字節代表控制命令號，其余的內容為自定義內容。接下來為最后兩個字節，為數據校驗和，采用小端序，校驗和應該等于長度和內容按字節相加所得出的和，如果溢出兩個字節就舍棄高位。協議數據包格式如表2所示。

表2 協議數據包格式表 單位：B

當串口接收到的數據符合以上協議時，一個線程將收到的數據進行處理，去掉數據頭和數據尾，將有用的內容存儲到一個共用的結構體中，以便于另一個線程直接從結構體中讀出數據執行相應的操作。

3.1.3 存儲功能實現

存儲功能是為了存儲視頻矩陣的狀態，以便于在斷電重啟之后可以恢復以前的狀態。系統利用片內FLASH，將LT8644芯片中的寄存器狀態讀出，并且存儲在FLASH中。由于FLASH有寫入壽命，如果每次切換都直接存儲，芯片使用壽命短，所以采用等待一段時間的方式去存儲。若一段時間內狀態未改變，STM32讀取LT8644狀態寫入FLASH以便于下次上電以后恢復。FLASH是永久存儲器，故不論斷電多久，下次打開矩陣，都可以恢復到上一次打開的狀態。

3.2 上位機軟件設計與實現

上位機部分用Delphi[10]做了一個客戶端軟件，軟件有兩個界面：主頁、功能頁。主頁中有切換類型，輸入通道，輸出通道和TCP/IP連接。主頁面如圖11所示，首先，上位機要跟下位機輸入相同的IP號和端口號建立TCP連接。接下來選擇輸入通道，輸入通道設置為單選，一次只能選擇一個輸入，但是可以同時選擇多個輸出，然后點擊切換按鈕，就可以完成一切多的操作。主頁還有一個開啟或關閉指定輸出通道的功能，先選定輸出，然后點擊關閉輸出通道按鈕，就可以實現輸出通道的關閉。再點擊開啟輸出通道，輸出通道開啟。

圖11 上位機主頁圖

第二個頁面是功能頁面，已完成的功能是讀取某一路輸出端口所接顯示設備的EDID，然后通過IIC總線寫入輸入接口的EEPROM中。功能頁如圖12所示，輸出只可以選一個，輸入可以多選，之后點讀取按鈕之后上位機就生成相應的命令給下位機，下位機解析數據完成此操作。

圖12 上位機功能頁圖

4 系統測試

本系統可以實現RS232串口控制切換，上位機軟件通過網口控制切換。測試環境如下：所接輸入1為筆記本電腦輸入，輸入2為臺式機輸入，一個HDMI顯示屏接輸出1。

4.1 串口測試結果

串口測試使用串口調試助手給下位機發送數據，串口設置波特率115 200，數據位8位，無校驗，停止位1位，無硬件流控。上電以后系統初始化完畢，系統在多任務中切換。電路板運行狀態如圖13所示。

圖13 視頻矩陣電路板圖

串口打印數據表示顯示系統正在運行，發送數據以后，顯示隊列有一條命令待處理，然后IO Task運行解析數據，如圖14所示。

圖14 串口測試發送數據圖

數據解析完成后，STM32控制切換芯片更新寄存器，切換芯片完成切換。切換前畫面如圖15所示，屏幕選擇的輸入端口為輸入2。切換后的屏幕顯示畫面從輸入2變為輸入1，如圖16所示。

圖15 串口測試切換前顯示器顯示圖

圖16 串口測試切換完成后效果圖

通過以上多次測試得出結論，視頻矩陣可以準確快速地完成切換，還可以完成關閉開啟輸出通道，讀取顯示器EDID功能。視頻矩陣在多數場合之下對實時性要求不需要達到硬實時。本系統測試多次，從圖17可以看出，數據解析任務時間最壞情況在140-121=19 ms之內完成。圖18可以計算得出，命令執行任務(1 167-824)/(2 884-2 829)=6.2 ms。均可以滿足任務切換實時性。

圖17 數據解析任務占用時間圖

圖18 命令執行任務占用時間圖

4.2 網口測試結果

上位機輸入IP與串口助手連接，選擇相同的端口號，點擊連接，左下角顯示已連接，然后選擇輸入輸出通道，點擊切換，串口助手就收到一串數據，經分析確定正確。多次測試均無誤。故上位機軟件通過網口測試正確。圖19為上位機通過網口發送數據用網口助手接收到正確數據，是在視頻矩陣輸出端口連接的顯示器上截取的。

圖19 上位機通過TCP發送數據測試圖

5 結 語

該視頻矩陣實現了視頻快速切換的目標，可以完成視頻切換、視頻通道開啟關閉、顯示器EDID讀寫功能，并且在調好以后，即使斷電，下次開機時也能還原上一次的輸入輸出對應狀態。傳統矩陣一般使用按鍵控制，并且價格高昂，可以完成的功能少。本矩陣價格便宜，性能不俗，能完成的功能多，不但能通過RS232串口控制，還可以通過TCP/IP控制。上位機軟件界面友好，人性化設計及布局，操作簡便易上手，通過網絡控制，使控制方式多樣化。