基于LPC2378和MAX4357的视频矩阵的设计

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    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。