基于LPC2378和MAX4357的視頻矩陣的設(shè)計

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

由于機場地域范圍廣，人流量大，物流量大，運輸生產(chǎn)繁忙，大型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在機場安全監(jiān)控中發(fā)揮著重要的作用。在機場大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，由于監(jiān)控點眾多，使用攝像機數(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)場攝像機的數(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，實施遠程操控很繁瑣。為此，本設(shè)計采用恩智浦公司（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，通過以太網(wǎng)對視頻進行切換。在上位應(yīng)用軟件的支持下，該系統(tǒng)具有自動，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，在遠端對各攝像機的云臺實施操作。

LPC2378的特性

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

（1）ARM7TDMI-S處理器，可在高達72MHz的工作頻率下運行；

（2）高達512KB的片內(nèi)Flash程序存儲器，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32KB的SRAM，可以進行高性能的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AHB系統(tǒng)，可以同步進行Ethernet DMA，USB DMA以及從片內(nèi)Flash執(zhí)行程序的操作，在這些功能中不會產(chǎn)生競爭。

（7）外部存儲器控制器支持諸如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）先進的向量中斷控制器，支持多達32個向量中斷。

（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，也可用于存儲器到存儲器的傳輸。

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）進行通信，從而易于實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。

MAX4357的功能特點

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)動標準的75Ω視頻負載，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個獨立的電子開關(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。這個矩陣切換是100%非阻塞的，通過一個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，每一個輸出可以和32路模擬輸入信號中的任意一路連接，任意一路輸入可以沒有信號衰減的連通所有的16路輸出。

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是串行輸入時鐘，DIN輸入的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿進行裝載。在UPDATE的下降沿，鎖存數(shù)據(jù)，對矩陣進行編程。在MODE=1時，DOUT經(jīng)112位矩陣模式寄存器移位輸出；在MODE=0時，DOUT與DIN直接相連，當系列控制字的D14～D11和A3～A0對應(yīng)相同時，UPDATE為低則AOUT也為低。

MAX4357數(shù)據(jù)和控制時序圖如圖2所示。

圖2 MAX4357數(shù)據(jù)和控制時序圖

MAX4357提供了2種編程模式：獨立地址輸出模式和完整矩陣模式。由MODE引腳的高低電平進行選擇。當MODE=0時，DOUT與DIN直接連接，16位控制系列字同時發(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MODE=1時，由16個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7位控制字對應(yīng)輸出15的編程，最后的7位控制字對應(yīng)輸出0的編程。當UPDATE的下降沿時，串行輸入的112位控制字放入112位完整矩陣模式存儲器中，所有的輸出被更新。對于一個由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)計采用了4片MAX4357組成一個視頻切換矩陣，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

將各MAX4357輸出的對應(yīng)引腳并聯(lián)連接，當其中一塊MAX4357某一編號的引腳被使能時候，其他芯片的對應(yīng)引腳將被設(shè)置為不使能狀態(tài)，以確保視頻切換時輸出不發(fā)生沖突。

在剛上電的時候，所有的輸出引腳都初始化成禁止狀態(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提供控制時鐘信號、片選信號、模式選擇信號、復(fù)位信號，從而實現(xiàn)對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

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)隨機存儲器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路信號經(jīng)切換后取16路信號經(jīng)視頻輸出模塊輸出，從而實現(xiàn)128×16視頻信息的切換。

LPC2300系列ARM7微控制器芯片內(nèi)部集成一個功能齊全的10Mb/100Mb以太網(wǎng)MAC控制器，這個以太網(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（媒體獨立接口管理）串行總線進行連接，因此只需接一個以太網(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)電路即能實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。

攝像機云臺通過RS—485通信來實施控制，RS—485總線通信可使用LPC2378的UART3來實現(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

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。