基于FreeRTOS的嵌入式視頻矩陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李佳翔 范文兵 張真真

(鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院 河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)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(shù)發(fā)展較早，現(xiàn)在已有4K超高清的視頻矩陣，如Kramer公司的VP- 427UHD，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，另外8K視頻矩陣已經(jīng)在研發(fā)階段。國內(nèi)視頻矩陣起步較晚，但由于需求量大而發(fā)展迅速。國內(nèi)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(fā)出了4K視頻矩陣HD8168SE，可以實(shí)現(xiàn)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(dāng)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(fā)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)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(jīng)過芯片的通道選擇，從發(fā)送端將信號送給顯示設(shè)備[3]。本系統(tǒng)采用的切換芯片為國產(chǎn)芯片，故生產(chǎn)成本相對較低，同時又能滿足需求。

1 視頻矩陣系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

視頻矩陣系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。下位機(jī)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(gòu)成，上位機(jī)部分主要實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的控制。電源模塊為整個系統(tǒng)供電，上位機(jī)為一個客戶端軟件，通過點(diǎn)擊界面操作向下位機(jī)發(fā)送命令，STM32接收上位機(jī)命令，然后向切換模塊發(fā)送對應(yīng)的數(shù)據(jù)，切換模塊根據(jù)命令內(nèi)容做出相應(yīng)操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 視頻矩陣系統(tǒng)總體模塊圖

2 視頻矩陣系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(tǒng)采用的是Type A類型，目的是讓大多數(shù)設(shè)備直接使用。

2.1.1HDMI傳輸原理

HDMI是目前應(yīng)用廣泛的音視頻傳輸協(xié)議[5-6]，傳輸基于TMDS(Transition Minimized Differential Signal，最小化傳輸差分信號)協(xié)議。TMDS具有抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(xù)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?shù)氖且曨l像素?cái)?shù)據(jù)，第四路TMDS傳輸?shù)氖窍袼貢r鐘信號，一個時鐘信號分別在三個TMDS數(shù)據(jù)通道傳輸一個像素的R、G、B(8 bit)信號。19引腳為HPD，用于監(jiān)測有沒有HDMI設(shè)備存在。如果HPD引腳為高電平則代表有設(shè)備接入，為低則代表沒有設(shè)備接入。

圖2 HDMI工作原理圖

2.1.2HDMI接口電路設(shè)計(jì)

HDMI接口電路分為接收端和發(fā)送端兩部分。接收端從信號源接收信號，經(jīng)過切換芯片轉(zhuǎn)換，從發(fā)送端發(fā)送給顯示設(shè)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(shù)，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(jié)的數(shù)據(jù)，EDID最多為256個字節(jié)，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(fù)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(shè)計(jì)圖

發(fā)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(fā)送端不需要存儲EDID，但是發(fā)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(jù)EDID信息發(fā)送顯示器支持的最佳分辨率信號。另外發(fā)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(fā)送端HDMI電路設(shè)計(jì)圖

2.2 STM32控制模塊

矩陣系統(tǒng)的MCU控制著整個系統(tǒng)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(jī)通信。上位機(jī)通過NET網(wǎng)口向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，由于網(wǎng)口跟STM32電平不匹配，故需要經(jīng)過網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊將網(wǎng)口電平轉(zhuǎn)換為TTL電平發(fā)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(shù)字交叉開關(guān)，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(nèi)，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(shè)每個像素使用48位色深，即3個16 bit，兩個時鐘內(nèi)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(yù)留20%空白像素，所以一幀的真實(shí)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(shù)據(jù)，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(dá)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(fù)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(jī)，通過SCL時鐘線和SDA數(shù)據(jù)線通信，從STM32接收數(shù)據(jù)并寫入切換芯片寄存器，寄存器的值改變了以后，執(zhí)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(shù)據(jù)來查看芯片狀態(tài)。

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(zhuǎn)換電路如圖7所示。TPS54302將5 V直流轉(zhuǎn)換為3.3 V直流，轉(zhuǎn)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(jīng)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1.1 下位機(jī)軟件總流程

視頻矩陣下位機(jī)軟件使用FreeRTOS系統(tǒng)，采用了時間片輪轉(zhuǎn)的方式來滿足系統(tǒng)實(shí)時性。設(shè)置兩個任務(wù)優(yōu)先級相同，然后打開系統(tǒng)時間片輪轉(zhuǎn)方式。同時為了增加實(shí)時性，每個任務(wù)后面都增加了一段時延，使得剛執(zhí)行完一個任務(wù)后釋放CPU控制權(quán)，讓另一個任務(wù)執(zhí)行。因?yàn)榍袚Q任務(wù)都是人為操作的，所以毫秒級的切換完全是可以滿足實(shí)時性要求的。

系統(tǒng)上電后，首先需要設(shè)置時鐘、串口，以及各個芯片的初始化狀態(tài)并進(jìn)行初始化。然后將系統(tǒng)也初始化。待初始化完畢，在系統(tǒng)中創(chuàng)建兩個任務(wù)并進(jìn)入任務(wù)調(diào)度函數(shù)。一個任務(wù)用來從串口接收數(shù)據(jù)并且分析數(shù)據(jù)的有效性，若無效則丟棄，有效則存為命令結(jié)構(gòu)。另一個任務(wù)用來解析命令，執(zhí)行所需要的操作。系統(tǒng)就在這兩個任務(wù)中來回切換[9]，實(shí)現(xiàn)對視頻矩陣的控制。系統(tǒng)總體流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件總流程

3.1.2 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

通信協(xié)議的設(shè)計(jì)是完成上位機(jī)與下位機(jī)交互的重要步驟。通信協(xié)議數(shù)據(jù)包的前三個字節(jié)為協(xié)議頭“XG”，協(xié)議頭是數(shù)據(jù)的開始，同時起著分隔命令的作用，只有在收到協(xié)議頭時才可能認(rèn)定為有效數(shù)據(jù)。接下來的一個字節(jié)數(shù)據(jù)為長度，代表內(nèi)容的長度，內(nèi)容的長度1～250個字節(jié)。假設(shè)長度字節(jié)數(shù)據(jù)的值為N，那么再接下來的N個字節(jié)數(shù)據(jù)即為數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)內(nèi)容中的第一個字節(jié)代表控制命令號，其余的內(nèi)容為自定義內(nèi)容。接下來為最后兩個字節(jié)，為數(shù)據(jù)校驗(yàn)和，采用小端序，校驗(yàn)和應(yīng)該等于長度和內(nèi)容按字節(jié)相加所得出的和，如果溢出兩個字節(jié)就舍棄高位。協(xié)議數(shù)據(jù)包格式如表2所示。

表2 協(xié)議數(shù)據(jù)包格式表 單位：B

當(dāng)串口接收到的數(shù)據(jù)符合以上協(xié)議時，一個線程將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去掉數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾，將有用的內(nèi)容存儲到一個共用的結(jié)構(gòu)體中，以便于另一個線程直接從結(jié)構(gòu)體中讀出數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3.1.3 存儲功能實(shí)現(xiàn)

存儲功能是為了存儲視頻矩陣的狀態(tài)，以便于在斷電重啟之后可以恢復(fù)以前的狀態(tài)。系統(tǒng)利用片內(nèi)FLASH，將LT8644芯片中的寄存器狀態(tài)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(nèi)狀態(tài)未改變，STM32讀取LT8644狀態(tài)寫入FLASH以便于下次上電以后恢復(fù)。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(fù)到上一次打開的狀態(tài)。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)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(jī)要跟下位機(jī)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(shè)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(diǎn)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(guān)閉指定輸出通道的功能，先選定輸出，然后點(diǎn)擊關(guān)閉輸出通道按鈕，就可以實(shí)現(xiàn)輸出通道的關(guān)閉。再點(diǎn)擊開啟輸出通道，輸出通道開啟。

圖11 上位機(jī)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(shè)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(diǎn)讀取按鈕之后上位機(jī)就生成相應(yīng)的命令給下位機(jī)，下位機(jī)解析數(shù)據(jù)完成此操作。

圖12 上位機(jī)功能頁圖

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)RS232串口控制切換，上位機(jī)軟件通過網(wǎng)口控制切換。測試環(huán)境如下：所接輸入1為筆記本電腦輸入，輸入2為臺式機(jī)輸入，一個HDMI顯示屏接輸出1。

4.1 串口測試結(jié)果

串口測試使用串口調(diào)試助手給下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，串口設(shè)置波特率115 200，數(shù)據(jù)位8位，無校驗(yàn)，停止位1位，無硬件流控。上電以后系統(tǒng)初始化完畢，系統(tǒng)在多任務(wù)中切換。電路板運(yùn)行狀態(tài)如圖13所示。

圖13 視頻矩陣電路板圖

串口打印數(shù)據(jù)表示顯示系統(tǒng)正在運(yùn)行，發(fā)送數(shù)據(jù)以后，顯示隊(duì)列有一條命令待處理，然后IO Task運(yùn)行解析數(shù)據(jù)，如圖14所示。

圖14 串口測試發(fā)送數(shù)據(jù)圖

數(shù)據(jù)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?yōu)檩斎?，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(jié)論，視頻矩陣可以準(zhǔn)確快速地完成切換，還可以完成關(guān)閉開啟輸出通道，讀取顯示器EDID功能。視頻矩陣在多數(shù)場合之下對實(shí)時性要求不需要達(dá)到硬實(shí)時。本系統(tǒng)測試多次，從圖17可以看出，數(shù)據(jù)解析任務(wù)時間最壞情況在140-121=19 ms之內(nèi)完成。圖18可以計(jì)算得出，命令執(zhí)行任務(wù)(1 167-824)/(2 884-2 829)=6.2 ms。均可以滿足任務(wù)切換實(shí)時性。

圖17 數(shù)據(jù)解析任務(wù)占用時間圖

圖18 命令執(zhí)行任務(wù)占用時間圖

4.2 網(wǎng)口測試結(jié)果

上位機(jī)輸入IP與串口助手連接，選擇相同的端口號，點(diǎn)擊連接，左下角顯示已連接，然后選擇輸入輸出通道，點(diǎn)擊切換，串口助手就收到一串?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)分析確定正確。多次測試均無誤。故上位機(jī)軟件通過網(wǎng)口測試正確。圖19為上位機(jī)通過網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)用網(wǎng)口助手接收到正確數(shù)據(jù)，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(jī)通過TCP發(fā)送數(shù)據(jù)測試圖

5 結(jié) 語

該視頻矩陣實(shí)現(xiàn)了視頻快速切換的目標(biāo)，可以完成視頻切換、視頻通道開啟關(guān)閉、顯示器EDID讀寫功能，并且在調(diào)好以后，即使斷電，下次開機(jī)時也能還原上一次的輸入輸出對應(yīng)狀態(tài)。傳統(tǒng)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(jī)軟件界面友好，人性化設(shè)計(jì)及布局，操作簡便易上手，通過網(wǎng)絡(luò)控制，使控制方式多樣化。