基于PLC控制的HDMI矩阵切换系统的实现方法_沈华.pdf

2 0 2 3 4第卷总第期5459第期44基于 PLC 控制的HDMI 矩阵切换系统的实现方法沈华上海振华重工（集团）股份有限公司摘要从工业场合 H D M I信源矩阵切换的需求出发，结合 H D M I矩阵切换的功能，分析由 P LC 简单控制 H D M I切换器，实现多视频信源矩阵切换的硬件搭建、结构体创建、软件流程的方法，利用 P LC 软件程序实现 H D M I矩阵切换控制，以增强系统的稳定性，增加冻结功能，避免系统过分频繁切换。通过实际测试，在实际项目上成功稳定运行，为工业环境中多对多或者一对多的视频切换控制提供简便的方法及新的选择。关键词：P LC 控制；H D M I矩阵切换器；冻结功能作者简介：沈华（1984），男，上海人，高级工程师，学士，研究方向：机械设备的电气控制、自动化控制、识别及其相关设计。自动化机械设备远程操作中的多个操作台对应操作多台自动化机械设备的视频监控系统，经常使用多对多视频信源的切换方式。除此以外，当系统中有较多控制器时，由于控制器的稳定性，通常不需要进行显示，但在出现异常情况或需要维护时，则需将控制器连接显示器，此时也可能应用到视频信源的切换。通过分析相关应用场景，结合 HDMI 矩阵切换器的功能，进而由 PLC 对 HD-MI 切换器进行控制，完成少量 HDMI 多对多信源的切换，从而满足现场的应用需求。1矩阵切换1.1远程控制中的矩阵切换在自动化设备中通常需要应用远程控制，当自动化检测误差过大、设备故障、设备需检修或操作人员需主动人工介入操作时，就需要启用带监控的远程控制，允许操作人员在远程操作台对设备进行操作1。远程控制系统硬件结构如图 1 所示。当自动化设备的自动化无法进行，需要手动介入时，设备的自动化系统会申请远程操作。由远程操作台绑定软件响应自动化系统的需求，分配合适的远程操作台绑定所需设备的操作。此时，相关的信号，如视频、语音、控制等均需按照绑定结果进行切换，建立远程操作时期的远程操作台与现场设备的唯一性关系。远程操作台与现场设备的数量比可为 NN。由于采用了 NN 的配置，相关信号的切换也是 NN 的，即为矩阵切换的方式。1.2多个控制器对应单个显示器的矩阵切换在控制领域，会由多个控制器实现不同的功能。这些控制器分属不同的系统，通常经过调试完成后，控制器软信息化与智能化Information and Intelligentization12 0 2 3 4信息化与智能化Information and Intelligentization硬件趋于完善，不需要经常维护修改。为节约成本、降低能耗，不会为每个控制器配置显示器，全程显示控制器内部的控制软件界面。然而，当控制器软硬件出现异常或控制器所控制的系统需要重新标定时，需要自带外部显示器进行连接，辅助排查问题或者配合标定，较为不便，利用现场现有的状态监控软件的显示器进行显示则更为方便。将多个控制器经过 HDMI 切换器连接显示器实现控制器的显示型号切换，从而在出现异常时可以迅速切换到所需的控制器。通过上述方法查看控制器的状态及界面更方便维护。多个控制器通过 HDMI 切换器连接显示器的系统如图 2 所示。图 1远程控制示意图图 2多个控制器通过切换器连接显示器示意1.3H D M I矩阵视频切换器功能及输入输出协议举例矩阵切换器是指有多路输入及多路输出并且各输入输出之间可以随意进行切换的设备，这种输入输出的关系可以形成类似矩阵的排列方式，故而称其为矩阵切换。HDMI 矩阵切换器是多 HDMI 输入接口及多 HDMI 输出接口的输入输出之间可以随意进行切换的设备。HDMI 是一种高清多媒体接口2，既可用于视频也可用于语音的信号传输。HDMI 接口支持多种分辨率，其中最为常用的是22 0 2 3 4第卷总第期5459第期441 9201 080 p60 Hz3，目前甚至可以达到最大 4 k 级别。HDMI 矩阵视频切换器可以实现多对多的 HDMI 的视频语音信号的切换。HDMI 矩阵视频切换器在工作、学习及家庭中的使用已经十分广泛。目前其输入输出比可以达到 1616 或更高。各种品牌的 HDMI 视频切换器的通信协议和接口方式不尽相同，有些 HDMI 切换器产品甚至可以提供通过遥控、串口或者网口的控制功能。以某输入输出比为 44 的 RS232 串口控制的 HDMI 矩阵视频切换器为例，该 HDMI 切换器的通信协议表如表 1 所示。表 1 中 COMHDMI 切换器指 HDMI 矩阵切换器的控制输入，HDMI 切换器COM 指 HDMI 矩阵切换器的控制输出。字母 X 表示某输出通道切换到的输入通道，本例中的 HDMI 矩阵切换器采用的是 ASCII 码的方式，16 进制的 31 对应数字“1”。因此，如字段“32 3X”中的X 为 3，说明 HDMI 切换器的 2 号输出通道目前对应 3号输入通道。2基于 P LC 控制的 H D M I矩阵切换系统的硬件结构和功能分析2.1基于 P LC 控制的多个控制器对多个显示器的硬件结构通过 PLC 连接 HDMI 矩阵切换器的控制口（如串口、网口等），可以搭建出 PLC 控制的 HDMI 矩阵切换系统的硬件。为了表示多对多的情况，在图 2 所示的系统结构上增加 1 个显示器，形成输入输出比为 N2 的矩阵形式，同时增加 PLC 作为控制环节。基于 PLC 控制的 N 个控制器对 2 个显示器的 HDMI 矩阵切换系统如图 3 所示。图 1 所示的系统也可以改为由 PLC 控制。具体的修改为将系统中汇聚部分改为 HDMI 光转或者转换 HDMI信号的设备，并由远程控制 PLC 兼顾分配操作台、视频切换及语音切换等功能。此时，因为原来系统中的服务器被取消，所以减少了硬件耦合，并且节约了成本，提高了系统集成度。本文将主要阐述视频切换部分的功能实现。2.2矩阵切换所需实现的功能分析图 3 所示的硬件结构，并结合 HDMI 矩阵切换器的功能，可以得出 HDMI 矩阵切换控制系统应实现的主要功能：（1）根据分配功能给出的对应关系，通过驱动程序输出到矩阵切换器进行视频的切换。（2）显示器的切换通常需要时间，因此需要避免且没有必要进行频繁的视频切换，具体方法是增加冻结功能。冻结功能是在系统响应并输出了某一通道的一次视频切换后，一段时间内不再响应对该通道的切换指令，即这段时间内输出的状态“冻结”在最近的切换状态上。通过该功能可以避免频繁的切换以保护显示器和矩阵切换器。（3）当完成一次切换并且切换指令状态没有改变的情况下，可以检测矩阵切换器的状态反馈，如反馈状态与指令不一致，需报错并给异常处理程序模块进行相应的处理（根据实际的安全需要，可输出全部清零或切断硬件表 144 矩阵视频切换器通信协议举例输入输出关系COMHDMI 切换器 HDMI 切换器COM（反馈）1 对 105 55 19 09 7773 31 301 对 205 55 19 1D 7773 31 311 对 305 55 19 1F 7773 31 321 对 405 55 19 0D 7773 31 332 对 105 55 19 17 7773 32 302 对 205 55 19 12 7773 32 312 对 305 55 19 59 7773 32 322 对 405 55 19 08 7774 32 333 对 105 55 19 5E 7773 33 303 对 205 55 19 06 7773 33 313 对 305 55 19 05 7773 33 323 对 405 55 19 03 7773 33 334 对 105 55 19 18 7773 34 304 对 205 55 19 44 7773 34 314 对 305 55 19 0F 7773 34 324 对 405 55 19 51 7774 34 33状态读取04 55 20 770D 0A 73 31 3X 73 32 3X 7333 3X 73 34 3X 45 45 3532 0 2 3 4信息化与智能化Information and Intelligentization回路等）。定期检查矩阵切换器的状态反馈与指令的匹配性可以实现定期自检的功能。（4）由于 RS232 的通信需要一定时间，需要提示总线 BUSY，在 BUSY 情况下禁用控制，同时 BUSY 需要有超时报错。3H D M I矩阵切换控制的软件实现3.1软件功能流程图根据 2.2 节的功能需求，设计的软件流程见图 4。3.2数据结构的建立由表 1 的通信协议可得矩阵视频切换器的核心控制是矩阵形式。输入输出比为 44 的矩阵切换器的控制字可以由 4 行 4 列组成，因此使用二维数组的数据形式对实现进一步的逻辑运算最为便捷4，在 PLC 中可以建立输出控制（布尔量）、反馈（布尔量）、存储控制指令（字符型）以及存储反馈信息（字符型）的 4 个二维数组。通过两次定义数组的方法定义 3232 的布尔型二维数组，其定义语句如下：TYPEBOOL_D:ARRAY0.31 OF BOOL;B32x32:ARRAY0.31 OF BOOL_D;END_TYPE此时定义的 B32x32 为一个 3232 个布尔量的二维数组（若 ROW 为 B32x32 型变量，则 ROWif表示布尔量矩阵中的元素 ROWij）。在定义了输入输出的数据后，针对过程控制需要建立背景数据块。为了提高可读性和简化功能块，可由定义结构体的方式定义背景数据块5。结合图 4 的程序流程图，相应的数据（包括背景数据块）功能简述如表 2 所示。表 2 中 的 HDMI_CHG_DB 为 背 景 数 据 HD-MI_CHG_DB 形式的结构体。该结构体中包含了切换过程所需的相关的不同类型的变量。该结构体的申明语句已在表 2 中列出。如考虑程序的通用性和标准化，可对存储控制指令的二维数组建立参数表格，在需要切换的时候使用（针对不同矩阵切换器的接口定义由功能块外部输入）查表的方法查找所需调用的控制字，输出给 HDMI 矩阵切换器。本例中将切换的不同控制字（如表 1 中的 73 31 30）直接写在了功能块内部，因此，在功能块输入/输出的端口没有定义相关的变量。3.3验证将表 2 作为 PLC 功能块的输入输出变量表，根据流程图，用 ST 语言设计 PLC 功能块，如图 5 所示。在主程序中调用该功能块，根据现场的实际需求写入输入输出变量。为了验证该功能块的正确性，在试验室中建立模拟环境（即图 3 的硬件环境）进行测试，结果显示功能块运行正常，即 2.2 节中所述的功能都可以实现。随后应用到实际的远程控制项目中，该项目为 3 个远程操作台控制 3 台固定吊。硬件结构类似图 1 所示。通过HDMI 光端机传输现场的视频信号接入 HDMI 矩阵切换器的各个输入通道。HDMI 矩阵切换器的输出端接在各个操作台的显示器上。在需要手动远程操作时切换时，空闲的操作台应答固定吊的远程控制请求后，HDMI 矩阵图 3PLC 控制的 HDMI 切换器的硬件结构42 0 2 3 4第卷总第期5459第期44切换系统可以正确地将对应的固定吊摄像头的视频信号输出到应答操作台的显示器上显示。最终实现了基于PLC 控制的 HDMI 矩阵切换器的自动切换控制。目前，该功能仍在现场使用中，其功能及稳定性满足实际应用的要求。由于采用了 44 HDMI 矩阵切换器，该项目预留了各 1 个通道的输入和输出，后续可以扩展 1 台固定吊和 1 个操作台。4结论PLC 控制 HDMI 矩阵切换器的方法是利用矩阵切换器控制口（串口或者网口）的控制功能，在 PLC 中建立二维数组、结构体及背景数据块，通过指令查询的方式将控制指令输出给 HDMI 矩阵切换器，从而实现矩阵视频的自动切换。同时增加冻结保护以提升系统的稳定性，输出后与实际状态校验以实现诊断功能。该方法最终在项目上得以应用并稳定运行。在简单应用的场合下，用 PLC控制 HDMI 矩阵切换器可以减少硬件，