HDMI接口在嵌入式视频监控系统中的应用是什么？

　　引言
　　传统的模拟视频接口有复合视频信号（CVBS、A/V），S端子（Y/C、S-Video），模拟分量视频信号（Y、U、V或Y、R-Y、B-Y）和通用 D-SUB（ 9芯）端口等。随着人们对图像显示质量要求的不断提升，在视频监控方面用模拟接口来传输和显示监控的视频已经不能满足人们的要求。以高清数字电视为代表的数字视频设备的应用越来越普遍，模拟视频接口标准更加无法适应在带宽、内容保护、音频支持等方面的发展需求，这就使得数字视频接口标准更能适应市场的需求。HDMI（High－Definition Multimedia Interface）是数字视频接口中的一种接口标准，由于其具有单一线缆上能同时传输音视频、带宽高和 HDCP加密等优点，所以此接口在多媒体数字产品中得到了广泛的应用。在嵌入式视频监控系统中加入 HDMI接口，可在带 HDMI接收端的监控终端清楚地看到监控场景，进而扩展了视频监控的应用场所。
　　1. HDMI技术及其基本传输原理
　　1.1 HDMI技术简介 HDMI是首个支持在单线缆上传输，不经过压缩的全数字高清晰度、多声道音频和智能格式与控制命令数据的数字接口，由 Silicon Image倡导，联合索尼、东芝等八家著名的消费类电子制造商联合成立的工作组共同开发的。HDMI最早的接口规范是 2002年 12月公布的HDMI 1.0，目前的最高版本是2006年6月发布的HDMI 1.3。HDMI通过一条HDMI缆线可以提供所有的音视频源与音视频终端之间的连接，实现视频源和显示终端的双向通信，在保持高品质的情况下能够以数码形式传输未经压缩的高分辨力视频和多声道音频数据，还可搭配宽带数字内容保护HDCP（High-band with Digital Content Protection）。新发布的HDMI
　　1.3支持的带宽更高，还增加了 Deep Color技术，支持 xvYCC色彩标准、唇型同步、新型无损音频格式 Dolby TrueHD和 DTS-HD Master Audio等。
　　1.2 HDMI基本传输原理
　　HDMI系统结构由 HDMI源（发送端）和 HDMI宿（接收端）组成，其传输结构图如图 1所示，HDMI传输线包括三个不同的 TMDS数据信息通道和一个时钟通道，这些通道用来传输音视频数据及附加信息，音视频数据和附加信息通过三个不同的 TMDS通道传送到接收端上，而视频的像素时钟则通过 TMDS时钟通道传送，接收端接受这个频率参数之后，再还原另外三个数据信息通道传递过来的信息。DDC通道用来在发送端和接收端之间进行配置以及状态信息交换。可选的CEC通道用来提供用户环境中各种不同的音视频产品之间的高层控制功能，例如自动设定的细节、单键播放或是遥控。
　　
　　TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）信号传输技术 。最小化传输差分信号 TMDS是指通过异或及异或非等逻辑算法将原始信号数据转换成 10位，前 8位数据由原始信号经运算后获得，第9位指示运算的方式，第10位用来对应直流平衡（DC-balanced） ，转换后的数据以差分传动方式传送。这种算法可使被传输信号过渡过程的上冲和下冲减小，传输的数据趋于直流平衡，使信号对传输线的电磁干扰减少，提高信号传输的速度和可靠性。
　　音视频信号传输。HDMI输入的源编码格式包括视频像素数据、控制数据和数据包。在每一个 TMDS通道中，HDMI数据包含 2位的控制数据、8位的视频数据和 4位的数据包，其传输过程可以分成三个部分：视频数据传输期、岛屿数据传输期和控制数据传输期。岛屿数据和控制数据的传输是在视频数据传输的消隐期，即在传输音频数据和其他辅助数据的时候，并不会占据视频数据传输的带宽，并且也不需要一个单独的通道来传输音频数据和其他辅助数据。
　　为了保护数字多媒体视频版权，HDMI采用了HDCP（High Band-width Digital ContentProtection）技术，其本质是数字信号加密和解密技术。HDMI数据经由授权认证协定、数据加密解密和自我更新三部分组成的保护系统传输后，可拒绝非法接收设备的连接，从而阻止了非法设备的扩散。
　　2. HDMI源接口电路设计
　　2. 1 源接口芯片的特性
　　目前 HDMI源接口芯片（发射端）很多，比较常用的有基于硅解决方案 Silicon Image的 Sil90xx系列和 Analogix的 ANX90xx系列。本设计采用 Analogix公司的 ANX9030作为HDMI源接口芯片。ANX9030的内部功能结构 如图 2所示。
　　
　　图2 ANX9030 内部功能结构图
　　ANX9030基于 Wide Eye信号恢复技术，能够提供高性能的传输能力，其功能模块主要有音视频数据捕获、I2C从接口、像素格式处理和 TMDS发送等。其中视频处理模块最高可支持 24位，整个处理频宽接近4Gb/s；音频数据捕获模块支持 8通道共 24位高精度数字音频输出，提供 I2S和 S/PDIF标准输出接口;像素格式处理模块支持 RGB数字色度分量 4:4：4格式与多种模式 YCbCr数字色差分量 4:2：2之间的转换，支持 HDTV和 PC（最高支持1600×1200@85Hz）应用。
　　2.2 接口电路设计
　　ANX9030的电源设计有严格的要求，两对供电电压 3.3V和 1.8V的误差不能超过5%，否则对视频信号产生严重的干扰。EP9302的外部电压3.3V，内部模块的工作电压1.8V，所以ANX9030的电压可由 EP9302的电压直接提供，而不需要专门的 IC来提供。为减少噪声耦合，ANX9030的电源引脚需加上0.1μF的去耦电容。此外，HDMI接口支持热插拔，因此需要ESD（静电放电）二极管来保护电路，使其不被损坏。使用 SEMTECH公司推出的 Rclamp0524 ESD保护二极管 ESD二极管能增加阻抗补偿，减少 TMDS线上的阻抗误差，从而保持 TMDS信号的稳定传输。
　　系统采用 Cirruslogic公司的 EP9302作为嵌入式音视频处理器。EP9302 是一款高性能的 ARM9微处理器，其工作频率200MHz，系统总线频率100MHz，高度集成的结构和先进的性能设计适合各种嵌入式场合的应用。EP9302与 ANX9030的连接如图 3所示。
　　
　　利用 EP9302的外围集成接口可大大简化接口电路的设计。EP9302与 ANX9030的连接包括控制部分、视频部分和音频部分等。控制部分用于 EP9302对 ANX9030进行访问控制，如寄存器设置，ANX9030向 EP9302发送中断控制信号，其访问方式可通过 I2C控制线进行;视频部分用于 EP9302将采集处理后的视频数据以及相应的同步、时钟等信号发送给ANX9030，本文采用 16位的 YCBCr 4:2：2方式进行连接;音频部分用于 EP9302将音频数据发送给ANX9030，其连接方式采用I2S。
　　3.驱动软件实现
　　软件设计包括音视频源的软件设计和 HDMI发送控制器 ANX9030的驱动设计。由于在EP9302微处理器的开发板上已完成了音视频的采集和输出设计，所以本文的软件设计主要是 HDMI控制器的驱动设计。利用开源的 ANX9030固件程序可简化驱动程序的开发，主要包括 ANX9030的初始化处理、状态机变化、音视频模式的设置及异常处理等。主循环程序如下：
　　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图4所示：
　　
　　ANX9030的初始化。在 ANX9030复位电路的上升沿，DEV_ADDR_SEL引脚的状态决定ANX9030的 I2C地址。假定此引脚为低，I2C地址为 0x72和 0x7A被选择。首先确认 ANX9030存在且能正常工作，部分代码如下：
　　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在上电复位后，设置 DE_GEN和 BT_656同步信号检测，然后进行像素格式和时钟路径的设置来配置视频信息。由于 HDMI兼容DVI，所以发送端可工作在 HDMI模式或 DVI模式，在此只需对 ANX9030的 HDMI_MODE位设置为 1（HDMI）或0（DVI）即可。检测到 HDMI模式后，设置 HDMI的音频格式及数据包，没有异常中断时，使能数据包发送即可把音视频数据包等信息发送出去，发送成功后返回。
　　除了像素时钟检测（CKDT）和热插拔检测（HPDT）功能外，ANX9030的大部分功能都处于待机状态，软件需要正确的配置其他寄存器，这些寄存器的详细配置可参考 ANX9030的芯片资料。
　　ANX9030的异常处理。由于 ANX9030提供了 16个中断触发源，包括软件触发中断、检测到显示器中断、接收端上电/断电检测中断、S/PDIF输入丢包中断及 CTS变化中断等，所以源端主控制器需要一个中断来管理 ANX9030所发出的中断。一般只需要热拔插检测、RI_128连接完整性检测及音频 FIFO溢出、CTS变化等中断即可。本设计利用 EP9302的中断引脚 INT0来捕获 ANX9030引发的中断，然后进行相应的中断处理。
　　4.结束语
　　HDMI是针对下一代多媒体影音设备所开发的传输接口，适用于数字电视、DVD播放机、DVD录放机、PVR、机顶盒及其他数字视听产品，现在已广泛应用于 PC机及平板显示器等消费类电子产品上。本文详细说明了 HDMI接口原理、源接口芯片特点、接口电路设计及在 ARM9嵌入式平台上系统软件的实现方法，该系统可用于安防监控和高清晰视频会议等领域。
　　本文作者创新观念：把高清多媒体接口 HDMI应用到视频监控系统中，和一般监控系统相比，具有监控场景更加清晰和使用灵活等优点。