摘 要：利用AD8113寬帶視頻切換" title="視頻切換">視頻切換集成電路作為切換器件，利用PIC18F458單片機(jī)作為核心控制單元，設(shè)計(jì)了一種視頻矩陣切換系統(tǒng)，并介紹了具體的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)" title="監(jiān)控系統(tǒng)">監(jiān)控系統(tǒng)中，具有高速度、高性能、高可靠性、實(shí)用性好等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 視頻矩陣切換 AD8113 PIC18F458 視頻信號(hào)
光纖工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代末以來(lái)已在國(guó)內(nèi)外煤礦中得到了廣泛應(yīng)用。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院推出的KJ28光纖工業(yè)電視系統(tǒng)是根據(jù)礦井特殊環(huán)境條件開(kāi)發(fā)研制的，適用于各類大中小型煤礦。該系統(tǒng)的重要組成部分——視頻矩陣切換系統(tǒng)經(jīng)歷了幾代發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和視頻技術(shù)的發(fā)展，要求視頻矩陣切換器不僅要切換電視視頻信號(hào)，還要切換計(jì)算機(jī)視頻信號(hào)。原有的以MAX456為核心的GDK-III、GDK-Ⅳ系統(tǒng)有些力不從心，因此需要有相應(yīng)的寬帶視頻切換集成電路輔助完成這一任務(wù)。本文介紹采用寬帶視頻切換集成電路AD8113和微控制器" title="微控制器">微控制器PIC18F458實(shí)現(xiàn)16×16視頻矩陣切換系統(tǒng)。
1 視頻切換系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
視頻矩陣切換系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制電路、矩陣切換電路" title="切換電路">切換電路、通訊接口和其它外圍電路組成。
1.1 器件的選擇
1.1.1 視頻矩陣切換芯片的選擇
目前，視頻矩陣切換集成電路主要有MAX456、MAX4456和本設(shè)計(jì)采用的AD8113等。AD8113是Analog Device(AD)公司生產(chǎn)的寬帶視頻切換集成電路。該芯片的容量是16×16，相比較而言，MAX456、MAX4456容量較小，一片AD8113能實(shí)現(xiàn)16×16視頻矩陣切換，同樣的容量卻需要四片MAX456(或MAX4456)；AD8113將輸出緩沖器集成在芯片內(nèi)，減少了寄生電容，使它的抗干擾能力較強(qiáng)，可以適應(yīng)許多視頻應(yīng)用；AD8113便于形成更大規(guī)模的視頻矩陣切換電路，如電視臺(tái)的256×256的視頻矩陣切換電路；另外，它的信號(hào)通道帶寬是260MHz(－3dB)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MAX456和MAX4456，同時(shí)高于計(jì)算機(jī)視頻信號(hào)的信號(hào)通道帶寬，因此AD8113也可切換計(jì)算機(jī)視頻信號(hào)。
AD8113主要由80bit的移位寄存器、并行鎖存器、解碼器、切換矩陣和輸出緩沖等部分構(gòu)成。AD8113工作在±5V或±12V下，消耗電流分別為34mA或31mA，信道切換時(shí)間小于60ns，并有0.1%的停頓用于模擬音頻或數(shù)字音頻。AD8113工作在20kHz時(shí)，色度亮度干擾為-83dB，隔離度為90dB，它還有16個(gè)獨(dú)立輸出緩沖器，可以用在禁止?fàn)顟B(tài)，輸出阻斷功能允許多個(gè)器件的輸出直接連接。AD8113的增益G設(shè)計(jì)為2，在通過(guò)AD8113之前不需要衰減視頻信號(hào)。其典型視頻輸入輸出電路如圖2所示。
1.1.2 微控制器的選擇
本設(shè)計(jì)的核心控制單元采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC18F458。該單片機(jī)除具有單片機(jī)的通用資源外，還采用哈佛總線結(jié)構(gòu)、16位精簡(jiǎn)指令集RISC技術(shù)及流水線取指令方式，并且?guī)в幸粋€(gè)CAN 2.0B智能有源接口，CAN接口帶有三個(gè)發(fā)送緩沖器、兩個(gè)接收緩沖器、六個(gè)接收濾波器及兩個(gè)接收屏蔽器。PIC18F456還可以借助CAN網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的升級(jí)。PIC18F458還擁有256Kbit的自編程FLASH存儲(chǔ)器，高達(dá)1500×8bit的用戶SRAM及256×8bit電可擦寫EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其讀寫操作均由單片機(jī)內(nèi)部時(shí)序控制，具有掉電保護(hù)數(shù)據(jù)的特性，把系統(tǒng)參數(shù)保存在EEPROM中，就可以實(shí)現(xiàn)在掉電后重新上電時(shí)恢復(fù)掉電前的設(shè)置參數(shù)。該芯片具有低功耗、高速度、高可靠性、體積小、性價(jià)比高等特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)。這對(duì)于工作條件相對(duì)惡劣的煤礦來(lái)說(shuō)尤為重要。
1.2 硬件電路設(shè)計(jì)
AD8113有兩種工作模式，即并行模式和串行模式。并行模式使用的控制信號(hào)多，但速度快；串行模式使用的控制信號(hào)少，速度比使用并行模式慢，但是在數(shù)據(jù)建立后，輸出數(shù)據(jù)時(shí)延最長(zhǎng)為100ns，完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)串行模式輸出為構(gòu)建大容量的矩陣切換器提供了方便，因此本設(shè)計(jì)選用串行工作模式。在串行工作模式下，AD8113使用的管腳主要有CLK、DATA、CE、
和SER/PAR等。AD8113和微控制器的硬件連接關(guān)系如圖3所示。
視頻輸出信號(hào)在短距離傳輸中可以直接和監(jiān)視器相連，但在傳輸距離較長(zhǎng)時(shí)，最好加上視頻驅(qū)動(dòng)器，如MAX470。
2 軟件的設(shè)計(jì)
2.1 串口工作模式的控制邏輯
AD8113的串行模式時(shí)序圖如圖4所示。從時(shí)序圖中可以看出，時(shí)鐘信號(hào)CLK和鎖存數(shù)據(jù)信號(hào)均是下降沿有效，當(dāng)CE=0時(shí)，SER/PAR降為低電平，選擇串口工作模式。每個(gè)輸出端口" title="輸出端口">輸出端口對(duì)應(yīng)五個(gè)bit，即D4～D0，D4先輸入。當(dāng)D4=0時(shí)，D3～D0無(wú)效，相應(yīng)的輸出阻斷，輸出端口為16個(gè)，第16個(gè)輸出端口的數(shù)據(jù)最先輸入。當(dāng)80個(gè)bit的數(shù)據(jù)全部輸入完畢時(shí)，停止CLK信號(hào)，變?yōu)榈碗娖?，切換矩陣的輸入和輸出。數(shù)據(jù)根據(jù)剛輸入的80bit數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，若CLK信號(hào)沒(méi)有停止，則切換矩陣數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更改。當(dāng)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，80bit的數(shù)據(jù)鎖存完畢。每次更改輸入輸出配置時(shí)，必須提供80bit的串行數(shù)據(jù)，將整個(gè)矩陣數(shù)據(jù)更改。
?
2.2 控制程序
根據(jù)圖4的時(shí)序關(guān)系可得該系統(tǒng)的程序流程圖，如圖5所示。
程序中對(duì)AD8113的設(shè)置主要包括對(duì)AD8113的初始化、從鍵盤獲取命令、打開(kāi)新的通道、發(fā)送代碼，具體程序如下：
void Init8113() //AD8113的初始化
{
RESET = 1;
CE = 0;
RESET = 0;
UPDATE = 1;
}
void OpenChannel(unsigned char cChannel,unsigned char cVideoNumber) //打開(kāi)新的通道
{
cOrder[cChannel] = cVideoNumber + 0x10;
}
void Config() //構(gòu)造要發(fā)送控制命令的數(shù)組
{
unsigned char cTemp;
for(cTemp=0; cTemp＜16; cTemp++)
{
if(cOldChannel[cTemp] != cNewChannel[cTemp])
{
OpenChannel(cHopeChannel);
cOldChannel[cTemp] = cNewChannel[cTemp];
}
}
}
void SendOrder() //發(fā)送控制命令
{
unsigned char cTemp;
unsigned char cBit;
for(cTemp=0; cTemp＜16; cTemp++)
{
for(cBit=0; cBit＜5; cBit++)
{
if((cOrder[cTemp]&(0x01＜＜cBit) == 0)
{
DATAIN = 0;
}
else
{
DATAIN = 1;
}
CLK = 0;
CLK = 1;
}
}
UPDATE = 0;
UPDATE = 1;
}
如果需要多個(gè)AD8113器件級(jí)聯(lián)，則一次更改的切換矩陣的比特?cái)?shù)為80和器件數(shù)的乘積。該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用在多個(gè)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用方便、可靠性高、實(shí)用性好等優(yōu)點(diǎn)，也可以使用在其它需要視頻切換的場(chǎng)合。
參考文獻(xiàn)
1 魏雄，于理富，盧力等.寬帶視頻切換集成電路AD8110/AD8111. 電子技術(shù)，2002(7)：55～57
2 韓春梅.基于MAX456的視頻切換矩陣設(shè)計(jì).電視技術(shù)，2004(3)：91～93