基于CPLD的船用視頻切換及基帶傳輸系統(tǒng)

彭曉鈞

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

早期的數(shù)字電路過于偏重硬件的實現(xiàn)。其主要缺點是工作量大、調(diào)試困難、靈活性較差。而采用CPLD（復雜可編程邏輯器件）器件設計電路時，設計方法靈活，設計思想清晰，而且時序可仿真，保證了其正確性，使整個硬件電路具有易于編程實現(xiàn)的優(yōu)點[1]。

在船用視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，考慮到船用環(huán)境空間狹小、布線不便、維護困難等因素，往往采用一根多芯電纜來傳輸不同電壓等級的電源信號、各種控制信號和視頻信號。因此，采用雙絞線(多芯電纜中的2芯雙絞線纜)傳輸視頻基帶信號的技術越來越受到重視。在CCTV(Closed Circuit Tetevision)系統(tǒng)中，采用有源差分信號發(fā)送放大器和接收器搭建的雙絞線傳輸視頻基帶信號方案(平衡傳輸方式)可將圖像傳輸至1-2 km，圖像質(zhì)量接近光纖傳輸?shù)男ЧＭ瑫r，采用CPLD器件開發(fā)的視頻切換設備具有集成度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、后期的維護和升級更便捷的特點。

1 系統(tǒng)的硬件組成、接口及主要功能

1.1 系統(tǒng)組成

視頻切換及雙絞線視頻基帶傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。主要包括視頻切換電路和視頻轉(zhuǎn)換電路。

1.2 各模塊的功能與特性

視頻傳輸模塊由視頻發(fā)送和視頻接收組成。其中，視頻發(fā)送包括非平衡-平衡轉(zhuǎn)換和驅(qū)動，視頻接收包括接收匹配補償及平衡-非平衡轉(zhuǎn)換。視頻設備包括信號源和顯示設備，其接口通常為標準單端視頻信號（非平衡信號）。因此可直接與同軸電纜匹配連接。要用雙絞線傳輸視頻信號，必須在發(fā)送端將非平衡信號轉(zhuǎn)換為平衡信號，以便驅(qū)動雙絞線。相應地，在接收端需要再將平衡信號轉(zhuǎn)換為非平衡信號，與顯示設備連接。

視頻切換模塊是整個電路的核心，其包括按鍵選擇電路和切換器電路。切換器電路接收來自前端的多路視頻信號，并根據(jù)按鍵選擇電路的指令，實現(xiàn)視頻切換、LED指示等功能。由于前端有多臺攝像機，而終端控制臺上往往只有一臺監(jiān)視器，故當需要查看某一路圖像時，需要進行視頻切換操作。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 視頻傳輸模塊的電路設計

視頻信號在雙絞線中傳輸時，最基本的技術問題就是頻率失真。電纜頻率失真的特點是：(1)低頻衰減最小，頻率越高衰減越嚴重；(2)電纜越長，頻率失真越嚴重，電纜長度加倍，衰減的dB數(shù)加倍。因此，雙絞線視頻基帶傳輸設備的基本作用是提供一定的放大增益，補償電纜的傳輸衰減。顯然，要補償頻率失真，傳輸設備的補償特性應該與電纜的頻率失真特性相反、互補，即補償特性應該是：傳輸設備的增益必須具有頻率越高增益越大的基本特點。只有這樣，才能實現(xiàn)視頻信號特性的真正恢復。

基于此，選用 EL5171[2]和 EL5172[3]來搭建雙絞線視頻傳輸系統(tǒng)。EL5171是差分信號發(fā)送放大器，在本系統(tǒng)中主要完成非平衡信號到平衡信號的轉(zhuǎn)換。EL5172是差分信號接收放大器，主要完成平衡信號到非平衡信號的轉(zhuǎn)換。另外，它們的增益均由外接電阻設定，因此可根據(jù)不同的現(xiàn)場應用環(huán)境靈活地調(diào)整視頻信號的電壓增益。

基于EL5171和EL5172的雙絞線視頻傳輸系統(tǒng)如圖2所示。

圖2中，EL5171的電壓增益由外接電阻 RF和RG設定，計算公式為：

電路中，VOCM=VREF=0 V。

EL5172的電壓增益也由外接電阻RF和RG設定，計算公式為：

2.2 視頻切換模塊的電路設計

綜合考慮系統(tǒng)的硬件設計要求和經(jīng)濟性，采用Altera公司MAX7000S[4]系列中的EPM7064S芯片來構(gòu)建視頻切換模塊。按鍵選擇電路和切換器電路均要在EPM7064S的指令下工作。

在按鍵選擇電路中，采用MAX6818進行硬件消抖。無需外部元件，MAX6818[5]即可提供 8路“干凈的”開關信號給 EPM7064S。

切換器電路接收來自前端的多路視頻信號（經(jīng)由雙絞線傳輸），并根據(jù)按鍵選擇電路的指令，選通對應通道的視頻，并輸出至終端控制臺的監(jiān)視器。同時點亮對應視頻通道的LED指示燈。因此，該電路主要實現(xiàn)多路視頻復用及視頻信號的匹配、補償和驅(qū)動。當然，視頻選通與否及通道的選擇均要由EPM7064S來支配?；谙到y(tǒng)硬件性能的設計要求，采用AD8184[6]和AD8009[7]來構(gòu)建切換器電路。

AD8184是一款高速多路視頻復用器，-3 dB信號的帶寬為700 MHz，壓擺率為750 V/μs。串擾性能為 95 dB，隔離性能為115 dB，差分增益和差分相位誤差分別為0.01%和 0.01°，0.1 dB平坦度為 75 MHz，堪稱專業(yè)視頻多路復用的理想之選。開關時間為5 ns，極其適合像素切換（畫中畫）應用。AD8009是一款超高速電流反饋型放大器，壓擺率高達 5 500 V/μs，上升時間僅為 545 ps。高壓擺率可降低壓擺率限幅效應，使大信號帶寬達到440 MHz，從而滿足高分辨率視頻圖形系統(tǒng)的需要。AD8009能夠提供175 mA以上的負載電流，可驅(qū)動4個視頻負載，同時保持低差分增益和相位誤差(分別為0.02%和0.04°)。視頻切換模塊的主要電路如圖3所示。

2.3 硬件設計中其他需要注意的問題

根據(jù)船用環(huán)境的實際安裝、操控等需求，在硬件設計時必須特別注重可靠性設計，同時在接口設計上，其物理特性和電氣特性應能滿足船用環(huán)境的實際需求。同時，在設計中應嚴格執(zhí)行相關的技術標準、規(guī)范以及與標準化有關的規(guī)定，還要充分考慮到該設備安裝、調(diào)試和使用時操作人員的安全性和設備的操作安全，制訂相應的操作規(guī)程和使用方法。最后，在整個系統(tǒng)的設計過程中，要充分考慮降低對使用者的能力要求，使設備的操作方便、簡單、直觀。

3 系統(tǒng)的軟件設計

本設計中的軟件環(huán)境為Altera Quartus4.2。EPM7064S在其上完成編程（邏輯設計），然后進行仿真。當完全達到設計要求后，將最后的邏輯設計通過ByteBlaster II下載電纜傳輸?shù)叫酒屑纯伞?/p>

3.1 電路的VHDL程序設計

本電路的VHDL設計采用分層設計方法。頂層文件采用原理圖設計輸入方式，而在底層文件設計中，采用混合的設計輸入方式。整個設計文件包括邏輯選擇模塊、鎖存模塊、復用及通道選擇模塊。其中，邏輯選擇模塊主要完成按鍵選擇信號識別；鎖存模塊在時鐘信號(即按鍵選擇信號的一個組合邏輯輸出)的作用下鎖存按鍵選擇信號；復用及通道選擇模塊根據(jù)輸入的按鍵選擇信號，使能視頻選通功能且選通對應的輸入視頻，同時給出對應的LED指示信號。考慮到具體的船用環(huán)境及使用者的能力要求，在進行電路的VHDL編程時，必須充分考慮程序的“冗余”設計，如多個按鍵被同時按下時的誤操作、船用環(huán)境對本電路中各種信號的不同干擾等。本電路的VHDL頂層程序設計如圖4所示。

3.2 程序仿真結(jié)果與測試

使用Altera公司的Quartus 4.2軟件進行仿真，其仿真波形圖如圖5所示。

從仿真結(jié)果可看到，當按鍵KEY_CH1被按下后（產(chǎn)生一個高-低電平躍變信號），EN_1變?yōu)榈碗娖剑‥N_1仍維持高電平），使能EN_1對應的AD8184。同時，地址線A1A0為00，表明此時選通第1路視頻輸入。

3.3 實驗結(jié)果

將源程序編譯后下載到EPM7064S芯片中，對實際電路進行測量，得到了與仿真結(jié)果完全相同的波形。表明了EPM7064S完全可以實現(xiàn)視頻切換電路的功能。同時，該VHDL“冗余”設計程序也已在實際電路中得到驗證，時序及時延參數(shù)均滿足工程要求，工作穩(wěn)定可靠。

船用環(huán)境下的測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，完全滿足具體的船用環(huán)境需求，同時還具有集成度高、安裝方便、操控簡單、抗干擾能力強的特點。同時，使用CPLD器件設計的視頻切換電路后期的維護和升級更便捷，通過更改CPLD器件中的程序，即可擴展待切換的輸入視頻通道數(shù)量，具有良好的通用性。

[1]彭曉鈞，何平安，袁炳夏.基于 CPLD的線陣CCD驅(qū)動電路設計與實現(xiàn)[J].光電子.激光，2007，18（7）：803-807.

[2]Intersil.EL5171，EL5371 data sheet[Z].FN7307.5.2005.

[3]Intersil.EL5172，EL5372 data sheet[Z].August 3，F(xiàn)N7311.6，2005.

[4]Altera.MAX7000 programmable logic device family data sheet[Z].ver.6.6.2003.

[5]MAXIM.±15 kV ESD-protected，single/dual/octal，CMOS switch debouncers MAX681X data sheet[Z].1999.

[6]Analog Devices.700 MHz，5 mA，4-to1 video multiplexer AD8184 data sheet[Z].REV.0，1997.

[7]Analog Devices.1 GHz，5 500 V/μs low distortion amplifier AD8009 data sheet[Z].REV.0，1996.