摘要：采用NXP公司基于ARM7的微控制器LPC2378與ADI公司的視頻矩陣切換芯片AD8112，設計了一種視頻矩陣切換裝置；在μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的支持下，實現(xiàn)了具有以太網接口的64路視頻輸入、8路視頻輸出的視頻矩陣。
關鍵詞：LPC22378；AD8112；視頻矩陣；以太網

引言
    視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展了短短二十幾年的時間，從最早的模擬監(jiān)控到前些年火熱的數(shù)字監(jiān)控，再到現(xiàn)在的網絡視頻監(jiān)控，發(fā)生了翻天覆地的變化。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在港口、工廠、銀行、機場、交通等方面得到了越來越廣泛的應用。在大型監(jiān)控系統(tǒng)中，由于監(jiān)控點眾多，需要監(jiān)控的視頻圖像也很多，因此需要使用大量的攝像機。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，故視頻矩陣切換設備在整個監(jiān)控系統(tǒng)中具有十分重要的作用。
    目前，國內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視頻矩陣的切換，實施遠程操控很繁瑣。本文采用NXP公司基于ARM7的微控制器LPC2378與ADI公司的視頻矩陣切換芯片AD8112構成了視頻矩陣切換裝置，實現(xiàn)了具有以太網接口的64路視頻輸入、8路視頻輸出的視頻矩陣。
    監(jiān)控中心可以通過網絡傳輸?shù)姆绞綄⒁曨l切換控制命令和云臺操作控制命令發(fā)送給LPC2378，再由LPC2378根據(jù)協(xié)議處理上位機發(fā)來的命令數(shù)據(jù)，控制視頻矩陣和攝像機云臺。這樣，操作人員可以使用可視化的上位機，通過以太網對視頻進行切換。在上位應用軟件的支持下，該系統(tǒng)具有自動、循環(huán)切換視頻的功能，并且可以通過網絡通信的方式，在遠端對各攝像機的云臺實施操作。

1 LPC2378的特性
    LPC2378包含了10／10OM 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轉換器、RTC、看門狗和104個通用I／0引腳。LPC32378的特性如下：
    ①ARM7TDMI-S處理器，可在高達72 MHz的工作頻率下運行。
    ②高達512 KB的片內Flash程序存儲器，具有在系統(tǒng)編程(ISP)和在應用編程(IAP)功能。單個Flash扇區(qū)或整個芯片擦除的時間為400 ms，256字節(jié)編程的時間為1 ms。Flash程序存儲器在ARM局部總線上，可以進行高性能的CPU訪問。
    ③ARM局部總線上有高達32 KB的SRAM，可以進行高性能的CPU訪問。
    ④以太網接口的16 KB靜態(tài)RAM，也可用作通用SRAM。
    ⑤USB接口的8 KB靜態(tài)RAM，也可用作通用SRAM。
    ⑥2個AHB系統(tǒng)，可以同步進行Ethernet DMA、USB DMA以及從片內Flash執(zhí)行程序的操作，這些功能不會產生競爭。總線橋允許Ethernet DMA訪問其他AHB子系統(tǒng)。
    ⑦外部存儲控制器支持諸如Flash和SRAM的靜態(tài)設備，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內部集成的Ethernet控制器使用RMII接口與外圍電路PHY芯片(例如DM9161A)進行通信，從而易于實現(xiàn)以太網通信功能。

2 AD8112的功能特點
    AD8112是ADI公司的16路輸入、8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。AD8112具有由128個獨立的電子開關構成的開關矩陣，可以實現(xiàn)16路視頻輸入、8路視頻輸出。該矩陣切換是100％非阻塞的，通過串行或并行編程方式寫入控制系列字，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16擬輸入信號中的任意一路連接。AD8112功能結構框圖如圖1所示。

    AD8112的輸出端設有高速放大器，放大器的補償是自動地優(yōu)化到每一個增益選擇的最大帶寬。每一個輸出可以由控制系列字的第5位控制使能。當被禁止時，輸出引腳可以視為一個4 kΩ的電阻，并且允許將多個禁用的輸出引腳連接在一起。當上電或者異步復位時，所有的輸出引腳將被初始化成禁止狀態(tài)，避免在大規(guī)模視頻矩陣中的輸出發(fā)生沖突。
    AD8112的數(shù)字接口由以下引腳組成：DATA IN，DATAOUT，CLK，，D4～DO，A2～A0和。其中，DATA IN是串行數(shù)據(jù)輸入端，DATA OUT是串行數(shù)據(jù)輸出端，CLK是串行輸入時鐘，是數(shù)據(jù)鎖存端，是片選端，是編程方式控制端，D4～DO和A2～A0是并行數(shù)據(jù)和地址裝載端，是復位端。
    AD8112提供串行編程和并行編程2種編程方式，由引腳的高低電平進行選擇。時，選擇串行編程方式：DATA IN輸入的數(shù)據(jù)在CLK的下降沿進行裝載，在的下降沿鎖存數(shù)據(jù)，對矩陣進行編程；DATA OUT經80位矩陣模式寄存器移位輸出。時，選擇并行編程方式：由D4～D0并行輸入的數(shù)據(jù)和A2～A0并行輸入的地址在CLK的下降沿進行裝載；在的下降沿鎖存數(shù)據(jù)，對矩陣進行編程。
AD8112串行編程方式控制時序圖如圖2所示。

    對于一個由N塊AD8112組成的大型矩陣，這些芯片可以被一串N×80位的串行數(shù)據(jù)流編程。AD8112并行編程方式控制時序圖如圖4所示。

3 128×16視頻矩陣的組成
    本設計采用4片AD8112組成一個視頻切換矩陣，實現(xiàn)了64路視頻輸入、8路視頻輸出的視頻切換。將各AD8112輸出的對應引腳并聯(lián)連接，當其中一塊AD8112某一編號的引腳被使能時，其他芯片的對應引腳將被設置為禁止狀態(tài)，以確保視頻切換時輸出不發(fā)生沖突。剛上電時，所有的輸出引腳都初始化成禁止狀態(tài)，以防止發(fā)生輸出沖突。其連接方式如圖5所示。

    本視頻矩陣中AD112與LPC2378的連接如圖6所示。第一塊AD8112的DATA IN引腳連接LPC2378上的P2．15端口，獲得控制命令，控制字通過串行移位的方式發(fā)送到4片AD8112。每塊AD8112的DATA OUT與相鄰芯片的DATA IN相連接。LPC2378的P2．12～P2．14引腳分別連接每塊AD8112的CLK、，,為其提供控制時鐘信號、串行并行編程方式選擇信號、數(shù)據(jù)鎖存信號。P2．2～P2．0和P2．7～P2．3引腳分別連接每塊AD8ll2的A2～A0和D4～DO，為并行編程提供地址和數(shù)據(jù)信號。P2．8～P2．11引腳與4片AD8112的端相連，可根據(jù)需要同時片選4片進行串行方式編程，或片選任一片進行并行方式編程，從而實現(xiàn)對于視頻矩陣切換陣列的控制。

4 視頻矩陣總體設計
    視頻矩陣總體框圖如圖7所示。AD8112陣列由4塊AD8112芯片構成，通過視頻輸入模塊輸入的64路信號經切換后，取8路信號經視頻輸出模塊輸出，從而實現(xiàn)64×8視頻信息的切換。以太網接口模塊DM9161A外圍電路PHY芯片通過RMII接口與LPC2378進行連接，從而易于實現(xiàn)以太網通信功能。RS485通信模塊以串口通信的方式對攝像機云臺實施控制。

5 視頻矩陣控制字發(fā)送軟件設計
    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傳輸來的控制字存儲在控制命令數(shù)據(jù)緩存區(qū)內，根據(jù)編程方式的要求，選擇串行編程方式或并行編程方式發(fā)送。

結語
    本文設計了一種基于LPC2378和AD8112的視頻矩陣切換裝置。該裝置是一種基于嵌入式系統(tǒng)，具有網絡接口的視頻矩陣切換裝置。通過μC／OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，可以移植輕量級的TCP／IP協(xié)議棧，便于網絡通信，以及系統(tǒng)的擴展和移植，較好地解決了視頻矩陣的切換問題。