采用LPC2378和ADS112的視頻矩陣切換裝置設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)使用的視頻矩陣切換系統(tǒng)一般規(guī)模較小，并且大多數(shù)通過(guò)RS232串口連接的鍵盤(pán)來(lái)控制視頻矩陣的切換，實(shí)施遠(yuǎn)程操控很繁瑣。

本文采用NXP公司基于ARM7的微控制器LPC2378與ADI公司的視頻矩陣切換芯片ADS112構(gòu)成了視頻矩陣切換裝置，實(shí)現(xiàn)了具有以太網(wǎng)接口的64路視頻輸入、8路視頻輸出的視頻矩陣。監(jiān)控中心可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞綄⒁曨l切換控制命令和云臺(tái)操作控制命令發(fā)送給LPC2378，再由LPC2378根據(jù)協(xié)議處理上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令數(shù)據(jù)，控制視頻矩陣和攝像機(jī)云臺(tái)。這樣，操作人員可以使用可視化的上位機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)視頻進(jìn)行切換。在上位應(yīng)用軟件的支持下，該系統(tǒng)具有自動(dòng)、循環(huán)切換視頻的功能，并且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信的方式，在遠(yuǎn)端對(duì)各攝像機(jī)的云臺(tái)實(shí)施操作。

1 LPC2378的特性

LPC2378包含了10／100M Ethernet MAC、USB 2.0全速接口、4個(gè)UART、2路CAN通道、1個(gè)SPI接口、2個(gè)同步串行端口(SSP)、3個(gè)I2C接口、1個(gè)I2S接口、MiniBus、4個(gè)通用定時(shí)器、10位A／D轉(zhuǎn)換器、RTC、看門狗和104個(gè)通用I／O引腳。LPC2378的特性如下：

①ARM7TDMI-S處理器，可在高達(dá)72 MHz的工作頻率下運(yùn)行。

②高達(dá)512 KB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，具有在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)功能。單個(gè)Flash扇區(qū)或整個(gè)芯片擦除的時(shí)間為400 ms，256字節(jié)編程的時(shí)間為1 ms。Flash程序存儲(chǔ)器在ARM局部總線上，可以進(jìn)行高性能的CPU訪問(wèn)。

③ARM局部總線上有高達(dá)32 KB的SRAM，可以進(jìn)行高性能的CPU訪問(wèn)。

④以太網(wǎng)接口的16 KB靜態(tài)RAM，也可用作通用SRAM。   

⑤USB接口的8 KB靜態(tài)RAM，也可用作通用SRAM。

⑥2個(gè)AHB系統(tǒng)，可以同步進(jìn)行Ethernet DMA、USB DMA以及從片內(nèi)Flash執(zhí)行程序的操作，這些功能不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)?？偩€橋允許Ethernet DMA訪問(wèn)其他AHB子系統(tǒng)。

⑦外部存儲(chǔ)控制器支持諸如Flash和SRAM的靜態(tài)設(shè)備，8位數(shù)據(jù)／16位地址并行的總線僅可在LPC2378中使用。

⑧先進(jìn)的向量中斷控制器，支持多達(dá)32個(gè)向量中斷。

⑨通用AHB DMA控制器(GPDMA)能夠與SSP串行接口、I2S端口和SD／MMC卡端口共用，也可用于存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的傳輸。

LPC2378內(nèi)部集成的Ethernet控制器使用RMII接口與外圍電路PHY芯片(例如DM9161A)進(jìn)行通信，從而易于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。

2  AD8112的功能特點(diǎn)

ADSll2是ADI公司的16路輸入、8路輸出的視頻矩陣切換芯片，所有的輸入和輸出都具有緩存。ADS112具有由128個(gè)獨(dú)立的電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成的開(kāi)關(guān)矩陣，可以實(shí)現(xiàn)16路視頻輸入、8路視頻輸出。該矩陣切換是100％非阻塞的，通過(guò)串行或并行編程方式寫(xiě)入控制系列字，可以使能任意一路輸入和任意一路輸出連接，每一個(gè)輸出可以和16擬輸入信號(hào)中的任意一路連接。AD8112功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。



AD8112的輸出端設(shè)有高速放大器，放大器的補(bǔ)償是自動(dòng)地優(yōu)化到每一個(gè)增益選擇的最大帶寬。每一個(gè)輸出可以由控制系列字的第5位控制使能。當(dāng)被禁止時(shí)，輸出引腳可以視為一個(gè)4 kΩ的電阻，并且允許將多個(gè)禁用的輸出引腳連接在一起。當(dāng)上電或者異步復(fù)位時(shí)，所有的輸出引腳將被初始化成禁止?fàn)顟B(tài)，避免在大規(guī)模視頻矩陣中的輸出發(fā)生沖突。

AD8112的數(shù)字接口由以下引腳組成：DATA IN，DATAOUT，CLK，LIPDATE，CE，SER／PAR，194～D0，A2～A0和RESET。其中，DATA IN是串行數(shù)據(jù)輸入端，DATA OUT是串行數(shù)據(jù)輸出端，CLK是串行輸入時(shí)鐘，UPDATE是數(shù)據(jù)鎖存端，CE是片選端，SER／PAR是編程方式控制端，D4～D0和A2～A0是并行數(shù)據(jù)和地址裝載端，RESET是復(fù)位端。

AD8112提供串行編程和并行編程2種編程方式，由SER／PAR引腳的高低電平進(jìn)行選擇。SER／PAR=0時(shí)，選擇串行編程方式：DATA IN輸入的數(shù)據(jù)在CLK的下降沿進(jìn)行裝載，在UPDATE的下降沿鎖存數(shù)據(jù)，對(duì)矩陣進(jìn)行編程；DATA OUT經(jīng)80位矩陣模式寄存器移位輸出。SER／PAR=1時(shí)，選擇并行編程方式：由D4～D0并行輸入的數(shù)據(jù)和A2～A0并行輸入的地址在CLK的下降沿進(jìn)行裝載；在UPDATE的下降沿鎖存數(shù)據(jù)，對(duì)矩陣進(jìn)行編程。

AD8112串行編程方式控制時(shí)序圖如圖2所示。



在串行編程方式下，AD8112從DATA IN端輸入的控制字如圖3所示?？刂谱智?0位每5位對(duì)應(yīng)一個(gè)視頻輸出，按OUTPUT7～OUTPUT0依次排列。D4控制輸出使能，D4=1輸出使能，D4=0輸出禁止；D3～D0選定視頻輸入端INPUT15～I(xiàn)NPUT0。由于AD8112內(nèi)帶的5位并行裝載的80位移位寄存器中，有40位在內(nèi)部不連接，故控制字的后40位寫(xiě)入0。



對(duì)于一個(gè)由N塊AD8112組成的大型矩陣，這些芯片可以被一串N×80位的串行數(shù)據(jù)流編程。AD8112并行編程方式控制時(shí)序圖如圖4所示。


3  128×16視頻矩陣的組成

本設(shè)計(jì)采用4片AD8112組成一個(gè)視頻切換矩陣，實(shí)現(xiàn)了64路視頻輸入、8路視頻輸出的視頻切換。將各AD8112輸出的對(duì)應(yīng)引腳并聯(lián)連接，當(dāng)其中一塊AD8112某一編號(hào)的引腳被使能時(shí)，其他芯片的對(duì)應(yīng)引腳將被設(shè)置為禁止?fàn)顟B(tài)，以確保視頻切換時(shí)輸出不發(fā)生沖突。剛上電時(shí)，所有的輸出引腳都初始化成禁止?fàn)顟B(tài)，以防止發(fā)生輸出沖突。其連接方式如圖5所示。



本視頻矩陣中ADS112與LPC2378的連接如圖6所示。第一塊ADS112的DATA IN引腳連接LPC2378上的P2.15端口，獲得控制命令，控制字通過(guò)串行移位的方式發(fā)送到4片AD8112。每塊AD8112的DATA OUT與相鄰芯片的DATA IN相連接。LPC2378的P2.12～P2.14引腳分別連接每塊ADS112的CLK、SER／PAR、UPDATE，為其提供控制時(shí)鐘信號(hào)、串行并行編程方式選擇信號(hào)、數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)。P2.2～P2.0和P2.7～P2.3引腳分別連接每塊AD8112的A2～A0和D4～D0，為并行編程提供地址和數(shù)據(jù)信號(hào)。P2.8～P2.11引腳與4片AD8112的CE端相連，可根據(jù)需要同時(shí)片選4片進(jìn)行串行方式編程，或片選任一片進(jìn)行并行方式編程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于視頻矩陣切換陣列的控制。



4  視頻矩陣總體設(shè)計(jì)

視頻矩陣總體框圖如圖7所示。AD8112陣列由4塊AD8112芯片構(gòu)成，通過(guò)視頻輸入模塊輸入的64路信號(hào)經(jīng)切換后，取8路信號(hào)經(jīng)視頻輸出模塊輸出，從而實(shí)現(xiàn)64×8視頻信息的切換。以太網(wǎng)接口模塊DM9161A外圍電路PHY芯片通過(guò)RMII接口與LPC2378進(jìn)行連接，從而易于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。RS485通信模塊以串口通信的方式對(duì)攝像機(jī)云臺(tái)實(shí)施控制。



5  視頻矩陣控制字發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

該視頻矩陣控制字發(fā)送軟件流程如圖8所示。視頻矩陣將通過(guò)以太網(wǎng)傳輸來(lái)的控制字存儲(chǔ)在控制命令數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)，根據(jù)編程方式的要求，選擇串行編程方式或并行編程方式發(fā)送。



結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于LPC2378和ADS112的視頻矩陣切換裝置。該裝置是一種基于嵌入式系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)接口的視頻矩陣切換裝置。通過(guò)μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，可以移植輕量級(jí)的TCP／IP協(xié)議棧，便于網(wǎng)絡(luò)通信，以及系統(tǒng)的擴(kuò)展和移植，較好地解決了視頻矩陣的切換問(wèn)題。