基于視頻切換芯片AD8112的視頻矩陣切換裝置

摘要：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AD8112，設(shè)計(jì)了一種視頻矩陣切換裝置；在μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的支持下，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。
關(guān)鍵詞：LPC22378；AD8112；視頻矩陣；以太網(wǎng)

引言
??? 視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展了短短二十幾年的時(shí)間，從最早的模擬監(jiān)控到前些年火熱的數(shù)字監(jiān)控，再到現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，發(fā)生了翻天覆地的變化。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在港口、工廠、銀行、機(jī)場(chǎng)、交通等方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在大型監(jiān)控系統(tǒng)中，由于監(jiān)控點(diǎn)眾多，需要監(jiān)控的視頻圖像也很多，因此需要使用大量的攝像機(jī)。監(jiān)控中心的監(jiān)視器與現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)的數(shù)量比一般為1：5～1：10，故視頻矩陣切換設(shè)備在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中具有十分重要的作用。
??? 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RS232串口連接的鍵盤來(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AD8112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10／10OM 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／0引腳。LPC32378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。
??? 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。
??? 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)。總線橋允許Ethernet DMA訪問其他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)
??? AD8112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。AD8112具有由128個(gè)獨(dú)立的電子開關(guān)構(gòu)成的開關(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，通過串行或并行編程方式寫入控制系列字，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，，D4～DO，A2～A0和。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，是數(shù)據(jù)鎖存端，是片選端，是編程方式控制端，D4～DO和A2～A0是并行數(shù)據(jù)和地址裝載端，是復(fù)位端。
??? AD8112提供串行編程和并行編程2種編程方式，由引腳的高低電平進(jìn)行選擇。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。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。

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??? 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。

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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AD112與LPC2378的連接如圖6所示。第一塊AD8112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AD8112的CLK、，,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AD8ll2的A2～A0和D4～DO，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。

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結(jié)語(yǔ)
??? 本文設(shè)計(jì)了一種基于LPC2378和AD8112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題。