基于LPC2378和MAX4357的视频矩阵的设计
机场是航空客运、航空货运、邮政、快件等航空业务的中心,是航空网络的辐射点甚至是辐射中心,机场的任何安全隐患都可能导致灾难性的严重后果,带来巨大的经济损失,因此机场的安全监控是十分重要的。
由于机场地域范围广,人流量大,物流量大,运输生产繁忙,大型的视频监控系统在机场安全监控中发挥着重要的作用。在机场大型视频监控系统中,由于监控点众多,使用摄像机数量大,需要监控的视频图像也很多,监控中心的监视器与现场摄像机的数量比一般为1:5~1:10,故视频矩阵切换设备具有十分重要的作用。
目前,国内使用的视频矩阵切换系统一般规模较小,并且大多数通过RS232串口连接的键盘来控制切换,实施远程操控很繁琐。为此,本设计采用恩智浦公司(NXP)基于ARM7的微控制器LPC2378与美信公司(MAXIM)视频矩阵切换芯片MAX4357构成嵌入式系统,在μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的支持下,实现了具有以太网接口的128路视频输入、16路视频输出的视频矩阵。这样,操作人员可以很直观地使用可视化的上位机,通过以太网对视频进行切换。在上位应用软件的支持下,该系统具有自动,循环切换视频的功能,并且可以通过网络通信的方式,在远端对各摄像机的云台实施操作。
LPC2378的特性
LPC2378包含了10/100 Ethernet MAC、USB 2.0全速接口、4个UART、2路CAN通道、1个SPI接口、2个同步串行端口(SSP)、3个I2C接口、1个I2S接口、MiniBus、4个通用定时器、10位A/D转换器、RTC、看门狗和104个通用I/O管脚。 LPC2378的特性如下:
(1)ARM7TDMI-S处理器,可在高达72MHz的工作频率下运行;
(2)高达512KB的片内Flash程序存储器,具有在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)功能。
(3)ARM局部总线上有高达32KB的SRAM,可以进行高性能的CPU访问;
(4)以太网接口的16KB静态RAM。也可用作通用SRAM;
(5)USB接口的8KB静态RAM。也可用作通用SRAM;
(6)两个AHB系统,可以同步进行Ethernet DMA,USB DMA以及从片内Flash执行程序的操作,在这些功能中不会产生竞争。
(7)外部存储器控制器支持诸如Flash和SRAM的静态设备。8位数据/16位地址并行的总线仅可在LPC2378中使用。
(8)先进的向量中断控制器,支持多达32个向量中断。
(9)通用AHB DMA控制器(GPDMA)能够与SSP串行接口、I2S端口和SD/MMC卡端口共用,也可用于存储器到存储器的传输。
LPC2378内部集成的Ethernet控制器使用RMII接口与外围电路PHY芯片(如DM9161A)进行通信,从而易于实现以太网通信功能。
MAX4357的功能特点
MAX4357是美信公司的32路输入16路输出的视频矩阵切换芯片,所有的输入和输出都具有缓存。所有的输出引脚都能驱动标准的75Ω视频负载,其结构框图如图1所示。
图1 MAX4357结构框图
MAX4357具有由512个独立的电子开关构成的开关矩阵,可以使其32路视频输入16路视频输出。这个矩阵切换是100%非阻塞的,通过一个SPI/QSPI兼容的三线接口写入控制系列字,可以使能任意一路输入和任意一路输出连接,每一个输出可以和32路模拟输入信号中的任意一路连接,任意一路输入可以没有信号衰减的连通所有的16路输出。
MAX4357的数字接口由以下引脚组成:DIN、DOUT、SCLK、AOUT、UPDATE、CE、A3~A0、MODE和RESET。DIN是串行数据输入端,DOUT是串行数据输出端,SCLK是串行输入时钟,DIN输入的数据在SCLK的下降沿进行装载。在UPDATE的下降沿,锁存数据,对矩阵进行编程。在MODE=1时,DOUT经112位矩阵模式寄存器移位输出;在MODE=0时,DOUT与DIN直接相连,当系列控制字的D14~D11和A3~A0对应相同时,UPDATE为低则AOUT也为低。
MAX4357数据和控制时序图如图2所示。
图2 MAX4357数据和控制时序图
MAX4357提供了2种编程模式:独立地址输出模式和完整矩阵模式。由MODE引脚的高低电平进行选择。当MODE=0时,DOUT与DIN直接连接,16位控制系列字同时发送给所有芯片,只有A3~A0和此16位系列控制字中D14~D11被编程。16位控制字的组成如图3所示。
图3 模式0的16位控制字
当MODE=1时,由16个7位组成的112位的控制字用来控制所有的输出。112位控制字的组成如图4所示。112位的控制字的第一个7位控制字对应输出15的编程,最后的7位控制字对应输出0的编程。当UPDATE的下降沿时,串行输入的112位控制字放入112位完整矩阵模式存储器中,所有的输出被更新。对于一个由n块MAX4357组成的大型矩阵,这些芯片可以被一串Nx112位的串行数据流编程。
图4 模式1的112位控制字
128X16视频矩阵的组成
本设计采用了4片MAX4357组成一个视频切换矩阵,从而完成128路视频输入、16路视频输出的视频切换。其连接方式如图5所示。
图5 4片MAX4357组成32X16视频矩阵的连接
将各MAX4357输出的对应引脚并联连接,当其中一块MAX4357某一编号的引脚被使能时候,其他芯片的对应引脚将被设置为不使能状态,以确保视频切换时输出不发生冲突。
在刚上电的时候,所有的输出引脚都初始化成禁止状态,防止发生输出冲突。
本视频矩阵MAX4357与LPC2378的连接如图6所示。每块MAX4357的DOUT与相邻芯片的DIN相连接,而第一块MAX4357的DIN引脚连接LPC2378上的P2.0端口,获得控制命令,控制字能够通过串行移位的方式发送到4片MAX4357。LPC2378上的P2.1〜P2.4引脚分别连接每一块矩阵芯片的SCLK、CE、MODE、UPDATE,给每片MAX4357提供控制时钟信号、片选信号、模式选择信号、复位信号,从而实现对于视频矩阵切换阵列的片选、视频切换模式、复位和矩阵切换等控制。
图6 视频矩阵MAX4357与LPC2378的连接图
视频矩阵总体设计
视频矩阵总体框图如图7所示。
图7 视频矩阵总体框图
静态随机存储器SRAM和闪存FLASH采用总线连接方式与LPC2378相连。
MAX4357阵列由4块芯片构成,通过视频输入模块输入的128路信号经切换后取16路信号经视频输出模块输出,从而实现128×16视频信息的切换。
LPC2300系列ARM7微控制器芯片内部集成一个功能齐全的10Mb/100Mb以太网MAC控制器,这个以太网MAC通过使用加速的DMA硬件来提供优化的性能。以太网模块与使用RMIII的片外以太网PHY通过MIIM(媒体独立接口管理)串行总线进行连接,因此只需接一个以太网PHY(物理层)接口芯片DM9161A和状态指示灯、网络变压器、匹配电阻、高压电容和RJ45插座等相关电路即能实现以太网通信功能。
摄像机云台通过RS—485通信来实施控制,RS—485总线通信可使用LPC2378的UART3来实现;RS—485收发器选用RSM485系列隔离收发器模块,该模块集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片,总线保护器件于一身,具有很好的隔离特性。
由于篇幅限制,有关电源电路、复位系统、调试端口等不一一赘述。
视频矩阵控制字发送软件设计
图8 控制字发送处理软件流程图
该视频矩阵控制字发送软件流程如图8所示。视频矩阵将通过以太网传输来的控制字存储在控制命令数据缓存区,根据控制模式的要求,选择模式0或模式1发送。
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