基于LPC2378和MAX4357的視頻矩陣

機(jī)場(chǎng)是航空客運(yùn)、航空貨運(yùn)、郵政、快件等航空業(yè)務(wù)的中心，是航空網(wǎng)絡(luò)的輻射點(diǎn)甚至是輻射中心，機(jī)場(chǎng)的任何安全隱患都可能導(dǎo)致災(zāi)難性的嚴(yán)重后果，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此機(jī)場(chǎng)的安全監(jiān)控是十分重要的。

由于機(jī)場(chǎng)地域范圍廣，人流量大，物流量大，運(yùn)輸生產(chǎn)繁忙，大型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在機(jī)場(chǎng)安全監(jiān)控中發(fā)揮著重要的作用。在機(jī)場(chǎng)大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，由于監(jiān)控點(diǎn)眾多，使用攝像機(jī)數(shù)量大，需要監(jiān)控的視頻圖像也很多，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)備具有十分重要的作用。

目前，國內(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串口連接的鍵盤來控制切換，實(shí)施遠(yuǎn)程操控很繁瑣。為此，本設(shè)計(jì)采用恩智浦公司（NXP）基于ARM7的微控制器LPC2378與美信公司（MAXIM）視頻矩陣切換芯片MAX4357構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)，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128路視頻輸入、16路視頻輸出的視頻矩陣。這樣，操作人員可以很直觀地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。

LPC2378的特性
LPC2378包含了10/100 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管腳。 LPC2378的特性如下：

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

 
（2）高達(dá)512KB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。

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

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

（5）USB接口的8KB靜態(tài)RAM。也可用作通用SRAM；

 
（6）兩個(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，在這些功能中不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。

（7）外部存儲(chǔ)器控制器支持諸如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（如DM9161A）進(jìn)行通信，從而易于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。

MAX4357的功能特點(diǎn)
MAX4357是美信公司的32路輸入16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。所有的輸出引腳都能驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的75Ω視頻負(fù)載，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1  MAX4357結(jié)構(gòu)框圖

MAX4357具有由512個(gè)獨(dú)立的電子開關(guān)構(gòu)成的開關(guān)矩陣，可以使其32路視頻輸入16路視頻輸出。這個(gè)矩陣切換是100%非阻塞的，通過一個(gè)SPI/QSPI兼容的三線接口寫入控制系列字，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32路模擬輸入信號(hào)中的任意一路連接，任意一路輸入可以沒有信號(hào)衰減的連通所有的16路輸出。[!--empirenews.page--]

MAX4357的數(shù)字接口由以下引腳組成：DIN、DOUT、SCLK、AOUT、UPDATE、CE、A3～A0、MODE和RESET。DIN是串行數(shù)據(jù)輸入端，DOUT是串行數(shù)據(jù)輸出端，SCLK是串行輸入時(shí)鐘，DIN輸入的數(shù)據(jù)在SCLK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。在MODE=1時(shí)，DOUT經(jīng)112位矩陣模式寄存器移位輸出；在MODE=0時(shí)，DOUT與DIN直接相連，當(dāng)系列控制字的D14～D11和A3～A0對(duì)應(yīng)相同時(shí)，UPDATE為低則AOUT也為低。

MAX4357數(shù)據(jù)和控制時(shí)序圖如圖2所示。

圖2  MAX4357數(shù)據(jù)和控制時(shí)序圖

MAX4357提供了2種編程模式：獨(dú)立地址輸出模式和完整矩陣模式。由MODE引腳的高低電平進(jìn)行選擇。
當(dāng)MODE=0時(shí)，DOUT與DIN直接連接，16位控制系列字同時(shí)發(fā)送給所有芯片，只有A3～A0和此16位系列控制字中D14～D11被編程。16位控制字的組成如圖3所示。

 圖3 模式0的16位控制字

當(dāng)MODE=1時(shí)，由16個(gè)7位組成的112位的控制字用來控制所有的輸出。112位控制字的組成如圖4所示。112位的控制字的第一個(gè)7位控制字對(duì)應(yīng)輸出15的編程，最后的7位控制字對(duì)應(yīng)輸出0的編程。當(dāng)UPDATE的下降沿時(shí)，串行輸入的112位控制字放入112位完整矩陣模式存儲(chǔ)器中，所有的輸出被更新。對(duì)于一個(gè)由n塊MAX4357組成的大型矩陣，這些芯片可以被一串Nx112位的串行數(shù)據(jù)流編程。

圖4 模式1的112位控制字

128X16視頻矩陣的組成
本設(shè)計(jì)采用了4片MAX4357組成一個(gè)視頻切換矩陣，從而完成128路視頻輸入、16路視頻輸出的視頻切換。其連接方式如圖5所示。

圖5 4片MAX4357組成32X16視頻矩陣的連接

[!--empirenews.page--]將各MAX4357輸出的對(duì)應(yīng)引腳并聯(lián)連接，當(dāng)其中一塊MAX4357某一編號(hào)的引腳被使能時(shí)候，其他芯片的對(duì)應(yīng)引腳將被設(shè)置為不使能狀態(tài)，以確保視頻切換時(shí)輸出不發(fā)生沖突。

在剛上電的時(shí)候，所有的輸出引腳都初始化成禁止?fàn)顟B(tài)，防止發(fā)生輸出沖突。

本視頻矩陣MAX4357與LPC2378的連接如圖6所示。每塊MAX4357的DOUT與相鄰芯片的DIN相連接，而第一塊MAX4357的DIN引腳連接LPC2378上的P2.0端口，獲得控制命令，控制字能夠通過串行移位的方式發(fā)送到4片MAX4357。LPC2378上的P2.1〜P2.4引腳分別連接每一塊矩陣芯片的SCLK、CE、MODE、UPDATE，給每片MAX4357提供控制時(shí)鐘信號(hào)、片選信號(hào)、模式選擇信號(hào)、復(fù)位信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于視頻矩陣切換陣列的片選、視頻切換模式、復(fù)位和矩陣切換等控制。

圖6 視頻矩陣MAX4357與LPC2378的連接圖

視頻矩陣總體設(shè)計(jì)

視頻矩陣總體框圖如圖7所示。

圖7 視頻矩陣總體框圖

靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM和閃存FLASH采用總線連接方式與LPC2378相連。

MAX4357陣列由4塊芯片構(gòu)成，通過視頻輸入模塊輸入的128路信號(hào)經(jīng)切換后取16路信號(hào)經(jīng)視頻輸出模塊輸出，從而實(shí)現(xiàn)128×16視頻信息的切換。

LPC2300系列ARM7微控制器芯片內(nèi)部集成一個(gè)功能齊全的10Mb/100Mb以太網(wǎng)MAC控制器，這個(gè)以太網(wǎng)MAC通過使用加速的DMA硬件來提供優(yōu)化的性能。以太網(wǎng)模塊與使用RMIII的片外以太網(wǎng)PHY通過MIIM（媒體獨(dú)立接口管理）串行總線進(jìn)行連接，因此只需接一個(gè)以太網(wǎng)PHY（物理層）接口芯片DM9161A和狀態(tài)指示燈、網(wǎng)絡(luò)變壓器、匹配電阻、高壓電容和RJ45插座等相關(guān)電路即能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。

攝像機(jī)云臺(tái)通過RS—485通信來實(shí)施控制，RS—485總線通信可使用LPC2378的UART3來實(shí)現(xiàn)；RS—485收發(fā)器選用RSM485系列隔離收發(fā)器模塊，該模塊集成電源隔離、電氣隔離、RS-485 接口芯片，總線保護(hù)器件于一身，具有很好的隔離特性。

由于篇幅限制，有關(guān)電源電路、復(fù)位系統(tǒng)、調(diào)試端口等不一一贅述。

視頻矩陣控制字發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

圖8  控制字發(fā)送處理軟件流程圖

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)傳輸來的控制字存儲(chǔ)在控制命令數(shù)據(jù)緩存區(qū)，根據(jù)控制模式的要求，選擇模式0或模式1發(fā)送。