HDMI接口在嵌進(jìn)式視頻監控系統中的應用

摘要：扼要分析了高清楚度多媒體接口 HDMI的基本傳輸原理，且從硬件電路和軟件方面具體設計和實(shí)現了一款以 ANX9030為發(fā)射芯片的 HDMI接口源，此接口源已成功應用于基于EP9302 ARM9微處理器的嵌進(jìn)式視頻監控系統中。

　　引言

　　傳統的模擬視頻接口有復合視頻信號(CVBS、A/V)，S端子（Y/C、S-Video），模擬分量視頻信號(Y、U、V或Y、R-Y、B-Y)和通用 D-SUB( 9芯)端口等。隨著(zhù)人們對圖像顯示質(zhì)量要求的不斷提升，在視頻監控方面用模擬接口來(lái)傳輸和顯示監控的視頻已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的要求。以高清數字電視為代表的數字視頻設備的應用越來(lái)越普遍，模擬視頻接口標準更加無(wú)法適應在帶寬、內容保護、音頻支持等方面的發(fā)展需求，這就使得數字視頻接口標準更能適應市場(chǎng)的需求。HDMI（High－Definition Multimedia Interface）是數字視頻接口中的一種接口標準，由于其具有單一線(xiàn)纜上能同時(shí)傳輸音視頻、帶寬高和 HDCP加密等優(yōu)點(diǎn)，所以此接口在多媒體數字產(chǎn)品中得到了廣泛的應用[1]。在嵌進(jìn)式視頻監控系統中加進(jìn) HDMI接口，可在帶 HDMI接收真個(gè)監控終端清楚地看到監控場(chǎng)景，進(jìn)而擴展了視頻監控的應用場(chǎng)所。多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量?jì)x

　　1. HDMI技術(shù)及其基本傳輸原理

　　1.1 HDMI技術(shù)簡(jiǎn)介 HDMI是首個(gè)支持在單線(xiàn)纜上傳輸，不經(jīng)過(guò)壓縮的全數字高清楚度、多聲道音頻和智能格式與控制命令數據的數字接口，由 Silicon Image倡導，聯(lián)合索尼、東芝等八家著(zhù)名的消費類(lèi)電子制造商聯(lián)合成立的工作組共同開(kāi)發(fā)的。HDMI最早的接口規范是 2002年 12月公布的HDMI 1.0，目前的最高版本是2006年6月發(fā)布的HDMI 1.3。HDMI通過(guò)一條HDMI纜線(xiàn)可以提供所有的音視頻源與音視頻終端之間的連接，實(shí)現視頻源和顯示終真個(gè)雙向通訊，在保持高品質(zhì)的情況下能夠以數碼形式傳輸未經(jīng)壓縮的高分辨力視頻和多聲道音頻數據，還可搭配寬帶數字內容保護HDCP（High-band with Digital Content Protection）。新發(fā)布的HDMI

　　1.3[2]支持的帶寬更高，還增加了 Deep Color技術(shù)，支持 xvYCC色彩標準、唇型同步、新型無(wú)損音頻格式 Dolby TrueHD和 DTS-HD Master Audio等。

　　1.2 HDMI基本傳輸原理

　　HDMI系統結構由 HDMI源(發(fā)送端)和 HDMI宿(接收端)組成，其傳輸結構圖如圖 1所示，HDMI傳輸線(xiàn)包括三個(gè)不同的 TMDS數據信息通道和一個(gè)時(shí)鐘通道，這些通道用來(lái)傳輸音視頻數據及附加信息，音視頻數據和附加信息通過(guò)三個(gè)不同的 TMDS通道傳送到接收端上，而視頻的像素時(shí)鐘則通過(guò) TMDS時(shí)鐘通道傳送，接收端接受這個(gè)頻率參數之后，再還原另外三個(gè)數據信息通道傳遞過(guò)來(lái)的信息。DDC通道用來(lái)在發(fā)送端和接收端之間進(jìn)行配置以及狀態(tài)信息交換�？蛇x的CEC通道用來(lái)提供用戶(hù)環(huán)境中各種不同的音視頻產(chǎn)品之間的高層控制功能，例如自動(dòng)設定的細節、單鍵播放或是遠控。

　　TMDS(Transition Minimized Differential Signaling)信號傳輸技術(shù) [3]。最小化傳輸差分信號 TMDS是指通過(guò)異或及異或非等邏輯算法將原始信號數據轉換成 10位，前 8位數據由原始信號經(jīng)運算后獲得，第9位指示運算的方式，第10位用來(lái)對應直流平衡（DC-balanced） ,轉換后的數據以差分傳動(dòng)方式傳送。這種算法可使被傳輸信號過(guò)度過(guò)程的上沖和下沖減小，傳輸的數據趨于直流平衡，使信號對傳輸線(xiàn)的電磁干擾減少，進(jìn)步信號傳輸的速度和可靠性。

　　音視頻信號傳輸。HDMI輸進(jìn)的源編碼格式包括視頻像素數據、控制數據和數據包。在每一個(gè) TMDS通道中，HDMI數據包含 2位的控制數據、8位的視頻數據和 4位的數據包，其傳輸過(guò)程可以分成三個(gè)部分：視頻數據傳輸期、島嶼數據傳輸期和控制數據傳輸期。島嶼數據和控制數據的傳輸是在視頻數據傳輸的消隱期，即在傳輸音頻數據和其他輔助數據的時(shí)候，并不會(huì )占據視頻數據傳輸的帶寬，并且也不需要一個(gè)單獨的通道來(lái)傳輸音頻數據和其他輔助數據。

　　為了保護數字多媒體視頻版權，HDMI采用了HDCP（High Band-width Digital ContentProtection）技術(shù)，其本質(zhì)是數字信號加密和解密技術(shù)。HDMI數據經(jīng)過(guò)授權認證協(xié)定、數據加密解密和自我更新三部分組成的保護系統傳輸后，可拒盡非法接收設備的連接，從而阻止了非法設備的擴散。

　　2. HDMI源接口電路設計

　　2. 1源接口芯片的特性

　　目前 HDMI源接口芯片(發(fā)射端)很多，比較常用的有基于硅解決方案 Silicon Image的 Sil90xx系列和 Analogix的 ANX90xx系列。本設計采用 Analogix公司的 ANX9030作為HDMI源接口芯片。ANX9030的內部功能結構 [4]如圖 2所示。

　　圖2 ANX9030 內部功能結構圖

　　ANX9030基于 Wide Eye信號恢復技術(shù)，能夠提供高性能的傳輸能力，其功能模塊主要有音視頻數據捕捉、I2C從接口、像素格式處理和 TMDS發(fā)送等。其中視頻處理模塊最高可支持 24位，整個(gè)處理頻寬接近4Gb/s；音頻數據捕捉模塊支持 8通道共 24位高精度數字音頻輸出，提供 I2S和 S/PDIF標準輸出接口;像素格式處理模塊支持 RGB數字色度分量 4:4:4格式與多種模式 YCbCr數字色差分量 4:2:2之間的轉換，支持 HDTV和 PC(最高支持1600×1200@85Hz)應用。

　　2.2接口電路設計

　　ANX9030的電源設計有嚴格的要求，兩對供電電壓 3.3V和 1.8V的誤差不能超過(guò)5%，否則對視頻信號產(chǎn)生嚴重的干擾。EP9302的外部電壓3.3V，內部模塊的工作電壓1.8V，所以ANX9030的電壓可由 EP9302的電壓直接提供，而不需要專(zhuān)門(mén)的 IC來(lái)提供。為減少噪聲耦合，ANX9030的電源引腳需加上0.1μF的往耦電容。此外，HDMI接口支持熱插拔，因此需要ESD(靜電放電)二極管來(lái)保護電路，使其不被損壞。使用 SEMTECH公司推出的 Rclamp0524 ESD保護二極管 ESD二極管能增加阻抗補償，減少 TMDS線(xiàn)上的阻抗誤差，從而保持 TMDS信號的穩定傳輸。

　　系統采用 Cirruslogic公司的 EP9302作為嵌進(jìn)式音視頻處理器。EP9302 [5]是一款高性能的 ARM9微處理器，其工作頻率200MHz，系統總線(xiàn)頻率100MHz，高度集成的結構和先進(jìn)的性能設計適合各種嵌進(jìn)式場(chǎng)合的應用。EP9302與 ANX9030的連接如圖 3所示。

　　利用 EP9302的外圍集成接口可大大簡(jiǎn)化接口電路的設計。EP9302與 ANX9030的連接包括控制部分、視頻部分和音頻部分等�？刂撇糠钟糜� EP9302對 ANX9030進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)控制，如寄存器設置，ANX9030向 EP9302發(fā)送中斷控制信號，其訪(fǎng)問(wèn)方式可通過(guò) I2C控制線(xiàn)進(jìn)行;視頻部分用于 EP9302將采集處理后的視頻數據以及相應的同步、時(shí)鐘等信號發(fā)送給ANX9030，本文采用 16位的 YCBCr 4:2:2方式進(jìn)行連接;音頻部分用于 EP9302將音頻數據發(fā)送給ANX9030,其連接方式采用I2S。

　　3.驅動(dòng)軟件實(shí)現

　　軟件設計包括音視頻源的軟件設計和 HDMI發(fā)送控制器 ANX9030的驅動(dòng)設計。由于在EP9302微處理器的開(kāi)發(fā)板上已完成了音視頻的采集和輸出設計，所以本文的軟件設計主要是 HDMI控制器的驅動(dòng)設計。利用開(kāi)源的 ANX9030固件程序可簡(jiǎn)化驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，主要包括 ANX9030的初始化處理、狀態(tài)機變化、音視頻模式的設置及異常處理等。主循環(huán)程序如下：

　　void main(void){

　　Init_ANX9030();

　　while(1){ANX9030_Interrupt_Process();

　　ANX9030_Timer_Process ();

　　}}

　　ANX9030的工作模式及初始化流程如圖4所示：

　　ANX9030的初始化。在 ANX9030復位電路的上升沿，DEV_ADDR_SEL引腳的狀態(tài)決定ANX9030的 I2C地址。假定此引腳為低，I2C地址為 0x72和 0x7A被選擇。首先確認 ANX9030存在且能正常工作，部分代碼如下：

　　while (1) {

　　ANX9030_Resetn_Pin = 0;

　　delay_ms(2);

　　ANX9030_Resetn_Pin = 1;

　　delay_ms(2);

　　c = ANX9030_i2c_read_p0_reg(ANX9030_DEV_IDL_REG, &c1);

　　if ((c == 0) && (c1 == 0x30)) {

　　c = ANX9030_i2c_read_p0_reg(ANX9030_DEV_IDH_REG, &c1);

　　if((c == 0) && (c1 == 0x90))

　　break;

　　}}

　　ANX9030在上電復位后，設置 DE_GEN和 BT_656同步信號檢測，然后進(jìn)行像素格式和時(shí)鐘路徑的設置來(lái)配置視頻信息。由于 HDMI兼容DVI，所以發(fā)送端可工作在 HDMI模式或 DVI模式，在此只需對 ANX9030的 HDMI_MODE位設置為 1(HDMI)或0(DVI)即可。檢測到 HDMI模式后，設置 HDMI的音頻格式及數據包，沒(méi)有異常中斷時(shí)，使能數據包發(fā)送即可把音視頻數據包等信息發(fā)送出往，發(fā)送成功后返回。

　　除了像素時(shí)鐘檢測(CKDT)和熱插拔檢測(HPDT)功能外，ANX9030的大部分功能都處于待機狀態(tài)，軟件需要正確的配置其他寄存器,這些寄存器的具體配置可參考 ANX9030的芯片資料。

　　ANX9030的異常處理。由于 ANX9030提供了 16個(gè)中斷觸起源，包括軟件觸發(fā)中斷、檢測到顯示器中斷、接收端上電/斷電檢測中斷、S/PDIF輸進(jìn)丟包中斷及 CTS變化中斷等，所以源端主控制器需要一個(gè)中斷來(lái)治理 ANX9030所發(fā)出的中斷。一般只需要熱拔插檢測、RI_128連接完整性檢測及音頻 FIFO溢出、CTS變化等中斷即可。本設計利用 EP9302的中斷引腳 INT0來(lái)捕捉 ANX9030引發(fā)的中斷，然后進(jìn)行相應的中斷處理。

　　4.結束語(yǔ)

　　HDMI是針對下一代多媒體影音設備所開(kāi)發(fā)的傳輸接口，適用于數字電視、DVD播放機、DVD錄放機、PVR、機頂盒及其他數字視聽(tīng)產(chǎn)品，現在已廣泛應用于 PC機及平板顯示器等消費類(lèi)電子產(chǎn)品上。本文具體說(shuō)明了 HDMI接口原理、源接口芯片特點(diǎn)、接口電路設計及在 ARM9嵌進(jìn)式平臺上系統軟件的實(shí)現方法，該系統可用于安防監控和高清楚視頻會(huì )議等領(lǐng)域。

　　本文作者創(chuàng )新觀(guān)念：把高清多媒體接口 HDMI應用到視頻監控系統中，和一般監控系統相比，具有監控場(chǎng)景更加清楚和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。