【doc】宽带视音频矩阵切换器的设计

【doc】宽带视音频矩阵切换器的 宽带视音频矩阵切换器的设计 现代电子工程2002年第3期57 宽带视音频矩阵切换器的设计 张沉 (中国电子科技集团公司第二十八研究所南京210007) 【摘要】本文介绍了一种基于单片机和EPLD技术,并采用大规模集成电 路进行视音频切换矩阵设计的. 【关键词】视频音频切换矩阵单片机 [Abstract】Adesignschemeofwidebandvideo/audiomatrixswitcher,which isbasedonsingle—chipmicrocomputerandEPLDtechnologyandusesLSIcircuits,is describedinthispaper. [Keywords】VideoAudioSwitchmatrixSingle—chipmicrocomputer 1引言 宽带视音频矩阵切换器(以下简称矩阵切换器)是集宽带视频信号矩阵切换和音频矩 阵切换于一体的设备.该矩阵切换器可将多路宽带视频和音频输入信号中的任何一路切换 到相应的输出通道中的任何一路或全部通道上,并且各输出通道之间是相互独立的.视频, 音频矩阵切换器是大型军用指挥控制系统中,多路视频和音频切换,选择所必需的设备. 也可以应用于电视电话会议,监控系统,电化教学等需要多通道信号切换的场合. 随着计算机图形和显示技术的发展,各种显示终端的分辨率也在不断的提高,从640 ×480,800×600,到目前常用的1024×768,1280×1024,1600×1280,甚至更高.因此, 视频传输的带宽也越来越高,这就对视频矩阵切换器提出了很高的要求.在设计需 要切换 数百路视频信号的视频矩阵时,必须考虑交叉干扰,信号衰减,插入损耗,电磁干扰,散 热和物理尺寸等问,传统的设计方案基于无源开关和运算放大器,或小规模集成电路, 在工程实现上存在许多困难.针对以上情况,本文提出了一种新的设计方案,该方案基于 单片机和EPLD技术,并采用大规模集成电路.这使得整机的功能扩展性好,抗干扰能力加 强,功耗降低,元器件数量减少,可靠性提高. 2矩阵切换器的主要功能 ?具有独立的视频,音频输入输出通道: ?视频,音频通道可单独或联合切换; ?视频,音频通道可禁止或使能: ?具有切换状态实时显示功能: ?矩阵切换器的控制可通过操作本机面板上的键盘进行,或通过本机串行口由上位机 进行远程控制: ?切换状态具有断电保存功能; 现代电子工程2002年第3期 ?电源具有过功率,过电压,短路保护,自动恢复功能. 3系统组成 以视,音频矩阵和微控制器等为基础构成的矩阵切换器,其系统组成(如图l所示) 主要由视频矩阵,视频同步信号矩阵,音频矩阵,微控制器,串行接口,键盘,切换状态 显示,电源电压监视,看门狗和断电数据保护等模块组成. 图1系统组成框图 微控制器是本系统的核心,控制整个系统的运行.它通过串行数据总线完成对视频矩 阵,同步信号矩阵,音频矩阵的切换控制.矩阵切换的控制指令来自两个方面,其一,通 过操纵本机控制面板中的键盘;其二,通过串行口由与矩阵切换器连接的上位机发出指令. 微控制器在执行切换指令的同时,将切换状态通过LED数码管显示,并且存入EEPROM,以 保证在下一次开机时,矩阵切换器自动恢复上一次关机时的状态. 4硬件设计 根据上图的系统组成,设计的16×8视频,音频矩阵切换器系统硬件原理如图2所示. 由图2可以看出,该矩阵切换器由两大模块组成,其一为控制模块;其二是矩阵模块. 控制模块由微控制器AT89C5l,存储器AT93C46,LED显示控制器MAX7219,串行接口MAX203E, MAX705等组成:矩阵模块包括视频矩阵模块,视频同步信号矩阵模块和音频矩阵模块. 4.1控制模块 4.1.1微控制器 AT89C51是ATMEL公司生产的低功耗,高性能COMS8位微型计算机.该单片机采用ATMEL 公司的高密度非易失性存储器技术,与MCS一51系列完全兼容,它含有4K字节闪速(Flash) 程序存储器,128字节RAM,32根I/0引线,2个l6位定时/计数器,1个五向量两级中断 结构,1个全双工串行口等.由于AT89C51功耗低,性能高,且在单块芯片上组合通用的 CPU和Flash存储器,为嵌入式应用提供了一种高度灵活的解决. 在矩阵切换器的设计中,微控制器是控制模块的核心部分,它负责接收控制指令,对 矩阵进行切换操作,完成状态的显示和存储等.AT89C51在程序容量,运行速度,中断结构, 张沉宽带视音频矩阵切换器的设计59 定时/计数器设置,I/O引线,串行口等方面可以很好地满足这些要求. 控制模块 ………………………………..……………………………………………………………………………… ……. 图2矩阵切换器硬件组成 4.1.2键盘和显示 矩阵切换器具有键盘控制和切换状态显示的人机交互功能,键盘用于通道选择和切换 命令的输入,LED显示器则用来显示切换状态. 在矩阵切换器的键盘和显示系统设计中,键盘采用非编码工作方式,由单片机对键盘 进行扫描获取按键信息:LED显示器由八个8段LED数码管组成,用于显示输出通道所对应 的输入通道号. 一 般的单片机键盘,LED显示设计常采用两种方法:一是用8155,8255并行扩展口构 成键盘,显示电路;另一种是利用串行口再加上移位寄存器74LS164构成硬件译码静态显 示,键盘接口电路.前一种方法占用I/o口资源较多,后一种方法可以大大减少I/o口引 线,但使用芯片较多,一片74LS164需对应一位LED数码管,电路复杂,且由于是静态显 示,耗电比较大.为了合理利用资源,使系统最小,最优,在矩阵切换器的键盘和显示系 统设计时,键盘矩阵的行列信号直接接入单片机的I/O引线,由单片机直接对其进行扫描, 6O现代电子工程2002年第3期 ;LED显示电路由一片MAX7219实现. MAX7219是一种新型具有串行接口的LED显示驱动器,它集BCD译码,多路扫描器,段 驱动器和位驱动器于一体,内含8个字节静态RAM和6个特殊功能寄存器,每片MAX7219 可同时驱动8个LED数码管.它兼容SPI,QSPI和Mcrowire串行接口,即仅需3根线就可 接收单片机的串行数据,并且和LED数码管直接连接,不用另加驱动电路和限流电阻,不 用译码器,锁存器和其它硬件电路. 4.1.3EEPROM 在矩阵切换系统中,需要对切换状态进行实时保存,使设备在下一次开机时能恢复上 次断电前的状态.这就需要一种接口简便,可靠性高,在线可编程的存储器.在众多的存 储器类型中串行EEPROM是第一选择,而93C46就是比较典型的一种串行EEPROM.该芯片为 128×8位串行存取的电擦除可读/写存储器,具有写保护功能,保护意外修改数据,仅当在 写允许状态且在正确Vcc工作范围,芯片才可通过WRITE指令把数据写入所选内存. 4.1.4电源监测及看门狗 为了提高系统的可靠性,采用电源监测和看门狗电路,当+5V电源电压小于某一门限值 或单片机程序处于死机状态时,复位系统使程序重新开始.而采用MAX705集成监 控芯片, 既降低了单片机外围电路的复杂性,又减少了元件的数量.MAX705具有如下功能: ?加电,掉电及电压降低(小于4.65V)时输出复位信号: ?独立监视跟踪定时器输出.在1.6秒内监视跟踪定时器输入端不被触发,监视跟踪 定时器输出变为低电平有效; ?1.25V门限监测器,用于电源故障报警,低电压检测和+5V以外的电源监控; ?TTL/CMOS兼容的防抖动,低电平有效的人工复位输入. 4.2矩阵模块 4.2.1视频矩阵 在矩阵切换器的设计中,视频矩阵模块是关键部分.以前的大部分矩阵切换器是基于 电视视频的切换,所以信号通道带宽只有十几兆赫兹,而在计算机及视频技术日益发展的 今天,计算机视频信号的带宽不断提高(从几十兆赫兹到一百几十兆赫兹甚至更高),宽带 视频矩阵的设计必须考虑高分辨率计算机视频信号的传输,因此必需采取措施保证传输带 宽,消除串扰,减小信号衰减,这不仅对PCB的布局布线提出很高要求,而且在器件选择 上也应加以重视.我们在视频矩阵的设计中采用了ADI公司的AD8l10视频矩阵开关. AD8110视频矩阵开关容量为16×8,主要由移位寄存器,并行锁存器,解码器,切换 矩阵,输出缓冲器等部分组成.其主要功能指标如下: ?具有16×8高速切换阵列; ?固定增益为1: ?具有串行和并行切换阵列控制接口; ?一3dB带宽达390MHz: ?5MHz时串扰为-78dB; ?具有输出禁止功能. 为了节省单片机的资源,对AD8110的控制采用串行方式,只需要4根信号线就可对其 进行矩阵切换操作,串行控制是以总线形式存在,在该总线上还挂接有同步信号矩阵和音 张沉宽带视音频矩阵切换器的设计 各切换矩阵模块独立,以便频矩阵.这样的总线控制方式使得各切换矩阵的接口标准化, 于形成系列产品. 图364×16切换矩阵 另外利用AD8110的输出禁止功能,可以将多片AD8110的输出直接连接,实现切换矩 阵容量的扩展(如图3所示). 4.2.2同步信号矩阵 由于计算机视频(VGA)的行,场同步信号是TTL电平,为了便于控制,使得对同步信 号矩阵的控制与视频矩阵一样采用串行方式,在同步信号矩阵的设计中采用ALTERA公司可 编程的EPLD器件EPM7128. 在EPLD内部电路的设计中,采用40bit的移位寄存器接收串行数据,对接收的数据进 行并行锁存,然后对并行数据解码实现矩阵控制,图4为同步信号矩阵原理框图. 4.2.3音频矩阵 在音频矩阵电路的设计中采用ADI公司的AD8113,由于该芯片的-3dB带宽为60Mitz, 故对于音频和全电视信号都能够很容易的传输.它采用?12V电源时,适合音频应用,并为 最大动态范围提供?lOV输出摆幅,在20KHz频率处,串扰小于-lOOdB,断路隔离 为lOOdB. 该芯片能够较好得满足音频切换矩阵的要求. 数据 时钟 选择 l6路输 图4同步信号矩阵原理框图 8路输出 62现代电子工程2002年第3期 5系统的软件设计 整个系统的软件采用MCS一5l汇编语言指令格式编写,模块分为系统初始化模块,串 口数据处理模块,按键处理模块,矩阵控制模块,LED显示控制模块和串口中断服务子程序. 程序模块的划分力求做到模块功能独立,接口简捷,便于调用.软件流程框图如图5所示. 图5软件沉程图 6抗干扰设计 对于矩阵切换器来说干扰来自内,外两个方面,外部干扰主要以互连通道干扰,供电 系统干扰为主;内部干扰主要是由于宽带视频,音频,TTL信号之间的相互串扰所至.这些 干扰将会引起传输的音频,视频信号失真,矩阵切换失败,甚至使CPU程序"弹飞",导致 死机.因此在设计中采取下列措施以消除干扰: ?设置"看门狗"电路,监视主程序的运行; ?在各模块的电源输入和集成电路的电源端配置去耦电容; ?模拟信号地线和数字信号地线分开,只在一点相连: ?在PCB布线时对地线采用大面积敷铜,减小地电流的交互作用: ?在视频,音频信号线PCB布线时采用地线屏蔽,以避免信号间串扰; ?尽量采用单字节指令,采取指令冗余措施,最大限度的使弹飞的程序自动纳入正轨: ?设置软件陷阱,捕获弹飞的程序,使之按照安排好的地址重新运行. 7结束语 依据本文提出的方案,我们研制成了CMS1604型16×4宽带视音频矩阵切换器,经某 C.I系统试用,其性能指标满足系统要求.(下转第67页) 傅爱萍操作命令界面Motif的实现方法67 3操作命令对话框的特点 自动生成操作命令对话框具有字符输入方式和按钮,列表框等不同选择手段.当输入 聚焦在操作命令对话框上时按"确定"按钮,即可完成干预命令发送功能且快速关闭窗口. 当按"保留"按钮完成干预命令发送功能并且不关闭窗口.当按"清除"按钮,即完成操 作命令对话框中编辑的内容刷新.当按"取消"按钮即关闭窗口.当输入聚焦在操作命令 对话框上的有批号的文本框时,然后用摸球左键单击某批目标航迹的最老点,则该批的批 号自动显示到批号的文本框,当输入聚焦在命令命令干预对话框上的经纬度的文本框时, 用摸球左键单击图形窗口上某点,则该点的经纬度自动显示到经纬度的文本框等特点(如图 2为其中的一个配批操作命令).操作命令对话框可按不同席位配置,为席位更换提供方便, 同时节省了资源.它便于战术软件人员维护,战术软件人员不需要关心和学习 Motif界面 语言.只要了解配置文件的要求和格式.只需增加,修改数据文件的有关内容,运行执行 程序就能根据战术需要设计出与战术使用要求相结合的对话方式的操作命令. 图2配批命令对话框 4结束语 运用Motif软件技术,自动生成操作命令界面的软件已在某工程应用,特别是设计的配 置文件,数据结构,已用于多个工程不同的操作系统环境.可望对同行软件人员有所帮助. 参考文献 [1]张倪,莫斌等编着.Motif与图形用户界面开发工具.清华大学出版社.1995.1 [2]龚雨,曾田等着.Motif实用编程大全.学苑出版社.1994. (上接第62页) 参考文献 [1]胡汉才.单片机原理及系统设计.清华大学出版社.2002.1 [2]产品资料全集.(美国)美信集成产品公司.2001年修订 [3]Designers'ReferenceManual2001.AnalogDevicse,Inc.2001