本安型四路數(shù)字視頻光端機(jī)的設(shè)計(jì)

汪 涵

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164)

0 引言

本文介紹的視頻光端機(jī)具有本質(zhì)安全型特性，主要應(yīng)用在有防爆要求的場(chǎng)合，如煤礦、石油、化工等?，F(xiàn)有的數(shù)字視頻光端機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品大多數(shù)都是定位在普通環(huán)境中使用，不能在宜爆場(chǎng)合直接使用。目前多數(shù)廠家把普通的視頻光端機(jī)裝入防爆箱內(nèi)，作為隔爆型光端機(jī)，但這樣的方案成本非常昂貴。本文設(shè)計(jì)的光端機(jī)由于采用本安電路技術(shù)，不需要再裝入笨重的防爆箱內(nèi)，體積和重量都比隔爆型光端機(jī)優(yōu)越，大大降低了運(yùn)輸、安裝、調(diào)試和后期維護(hù)成本，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 光端機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的視頻光端機(jī)硬件電路符合本安電路的設(shè)計(jì)要求。光端機(jī)主要包括光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)兩部分。圖1為光端機(jī)總體設(shè)計(jì)框圖。

光發(fā)射機(jī)首先將4路模擬視頻基帶信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并將4路視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)用，形成高速數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)高速的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行m序列擾碼器處理，使其更適合光纖傳輸，再利用并串模塊把編碼后的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更高速的串行數(shù)據(jù)，最后通過光發(fā)射模塊把高速的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)并進(jìn)行發(fā)射;光接收機(jī)中的光接收模塊首先將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再利用串并轉(zhuǎn)換模塊將高速的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，然后對(duì)高速的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行m序列解碼器處理，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分解，恢復(fù)出各路低速的數(shù)字視頻信號(hào)，最后通過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路恢復(fù)成模擬視頻信號(hào)。本設(shè)計(jì)光端機(jī)硬件按照本質(zhì)安全電路的要求設(shè)計(jì)，可以直接應(yīng)用在有防爆要求的場(chǎng)合。

圖1 光端機(jī)總體設(shè)計(jì)框圖

2 本安電源模塊設(shè)計(jì)

本安型視頻光端機(jī)電路上要滿足本安要求最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)是電源部分要實(shí)現(xiàn)本安特性，而且光端機(jī)的輸入供電電源也必須是本質(zhì)安全型電源。本設(shè)計(jì)選擇的輸入電源為DC12V本安電源，DC12V輸出的本安電源主要參數(shù)為:①最大輸出電壓Uo:12.5 V;②最大輸出電流Io:1.3 A;③最大外部電感Lo:0.1 mH;④最大外部電容Co:22 μF。從上述主要參數(shù)可以看出DC12V輸出的本安電源的帶容性器件的能力比較弱。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部電路中需要5 V和3.3 V兩種電壓等級(jí)，所以采用了開關(guān)降壓型本質(zhì)安全型電源設(shè)計(jì)技術(shù)。系統(tǒng)電源部分主要采用DC-DC電源控制芯片AOZ1212AI和線性電源芯片AMS1117-3.3。芯片AOZ1212AI為整個(gè)電路提供5 V電源，滿足系統(tǒng)5 V的供電要求。圖2為DC12V轉(zhuǎn)DC5V的本質(zhì)安全型電源電路。

圖2 DC12V轉(zhuǎn)DC5V的本質(zhì)安全型電源電路

電源控制芯片AOZ1212AI是非隔離降壓型開關(guān)電源控制芯片，具有較寬的電壓輸入范圍(DC4.5 V－DC27 V)，370 kHz的開關(guān)頻率。根據(jù)DC12V本安電源的負(fù)載特性要求，本設(shè)計(jì)AOZ1212AI的輸入和輸出電容的和不能超過22 uF，最大電感不能超過0.1 mH，故本設(shè)計(jì)采用C3(1 uF)作為 AOZ1212AI的輸入電容，C9(4.7 uF)作為AOZ1212AI的 輸 出 電 容，L1(6.8 uH)作 為AOZ1212AI的濾波電感。本設(shè)計(jì)的整機(jī)功耗小于3 w滿足本安產(chǎn)品的要求。

3 光端機(jī)CPLD主控模塊設(shè)計(jì)

光端機(jī)CPLD主控模塊主要功能包括光端機(jī)發(fā)送端實(shí)現(xiàn)4路視頻信號(hào)的AD采集、4路視頻信號(hào)時(shí)分復(fù)接、m序列擾碼器;光端機(jī)接收端實(shí)現(xiàn)m序列解碼器、4路視頻信號(hào)的分接、DA轉(zhuǎn)換。

3.1 4路視頻信號(hào)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換

光端機(jī)發(fā)送端A/D轉(zhuǎn)換芯片采用的是TLC5510，TLC5510是8位半閃速結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個(gè)TLC5510完成一路模擬視頻信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換［1］。光端機(jī)接收端得到數(shù)字視頻信號(hào)后需要D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號(hào)，設(shè)計(jì)中采用跟A/D芯片TLC5510配對(duì)的TLC5602作為D/A芯片。根據(jù)TLC5510的時(shí)序，本設(shè)計(jì)編寫如下單路視頻A/D采樣Verilog程序:

本設(shè)計(jì)要同時(shí)采集4路的視頻信號(hào)，所以采用了4片獨(dú)立的TLC5510芯片，每個(gè)芯片各自完成一路視頻的A/D轉(zhuǎn)換。CPLD主控模塊同時(shí)采集4路視頻數(shù)字信號(hào)，并按照時(shí)間的先后順序送入4路視頻復(fù)接模塊。

3.2 光端機(jī)4路視頻信號(hào)的復(fù)分接

本設(shè)計(jì)用到的復(fù)分接技術(shù)是時(shí)分復(fù)用TDM(Time Division Multiplexing)［2］，時(shí)分多路復(fù)用以時(shí)間作為信號(hào)分割的參量，故必須使各路信號(hào)在時(shí)間軸上互不重疊。本設(shè)計(jì)中共有4路視頻信號(hào)，每路信號(hào)的傳輸率為12.5 M字節(jié)。本設(shè)計(jì)將整個(gè)物理信道分為4個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙由10位構(gòu)成，其中8位為視頻數(shù)字信號(hào)，2位循環(huán)計(jì)數(shù)用來進(jìn)行時(shí)隙區(qū)分，4路視頻信號(hào)將一直占用各自的時(shí)隙，不存在空閑的時(shí)隙。信號(hào)復(fù)接功能主要是由光端機(jī)發(fā)送端主控模塊CPLD中生成的一個(gè)4選1的數(shù)據(jù)選擇器mul41_1(counter［1:0］，dataout［7:0］，a_dxian_1，a_dxian_2，a_dxian_3，a_dxian_4)來完成，其中 counter［1:0］為2位循環(huán)計(jì)數(shù)器作為選擇器的選擇控制信號(hào)，dataout［7:0］為選擇器的輸出端作為信號(hào)復(fù)接后的輸出，a_dxian_1，a_dxian_2，a_dxian_3，a_dxian_4為選擇器的輸入端作為需要復(fù)接的四路視頻信號(hào)。4路視頻信號(hào)的復(fù)接模塊經(jīng)QuartusⅡ綜合后生成的RTL圖如圖3所示。

圖3 4路視頻信號(hào)的復(fù)接模塊RTL圖

3.3 光端機(jī)m序列擾/解碼器

由于模擬視頻信號(hào)具有一定的規(guī)律，所以數(shù)字化采樣后的原碼并不適合直接進(jìn)行光纖傳輸。例如:當(dāng)數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)較長的連“0”碼或者連“1”碼時(shí)將會(huì)影響接收端位定時(shí)信息的恢復(fù)質(zhì)量，造成抽樣判決時(shí)刻發(fā)生變化，對(duì)系統(tǒng)的誤碼率產(chǎn)生影響，甚至有可能接收全錯(cuò)的信息。采用有冗余的傳輸編碼可以消除數(shù)據(jù)源一部分信息模式對(duì)系統(tǒng)性能的影響，但是要以減少有效數(shù)據(jù)傳輸速率為代價(jià)，而且復(fù)雜的線路編碼會(huì)增加系統(tǒng)的硬件成本。在本設(shè)計(jì)中使用m序列串行擾碼器將數(shù)據(jù)源變成近似于白噪聲的數(shù)據(jù)序列，以增加定時(shí)的同步信息，消除信息模式對(duì)系統(tǒng)誤碼的影響。本設(shè)計(jì)的光發(fā)射機(jī)在數(shù)字信號(hào)進(jìn)入并串芯片lv1023之前，在CPLD中設(shè)計(jì)一個(gè)擾碼器［3］，將二進(jìn)制視頻原碼序列加以變換，使其接近于隨機(jī)序列。相應(yīng)的，在光端機(jī)接收端CPLD中設(shè)計(jì)一個(gè)解擾碼器，以恢復(fù)原始序列。1位m序列擾碼器經(jīng)QuartusⅡ綜合后生成的RTL圖如圖4。

圖4 1位m序列擾碼器RTL圖

4 基本功能測(cè)量

多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本設(shè)計(jì)光端機(jī)工作穩(wěn)定，圖像清晰，實(shí)時(shí)傳輸效果好，多路視頻同時(shí)傳輸時(shí)無互擾現(xiàn)象發(fā)生，表1是檢測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)。

表1 關(guān)鍵參數(shù)

5 結(jié)束語

本論文主要完成了本安型4路視頻數(shù)字光端機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了4路模擬視頻信號(hào)在單芯光纖中的數(shù)字化傳輸。在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試，圖像信息傳輸非常穩(wěn)定，通過電視觀測(cè)到的彩色信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的視頻信號(hào)經(jīng)過本光端機(jī)傳輸后圖象依舊非常清晰，本設(shè)計(jì)主要完成了以下工作:①本設(shè)計(jì)光端機(jī)硬件按照本質(zhì)安全電路的要求設(shè)計(jì)，可以直接應(yīng)用在有防爆要求的場(chǎng)合;②詳細(xì)分析了數(shù)字復(fù)分接技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，利用Verilog語言完成了4路視頻數(shù)字信號(hào)的復(fù)分接程序設(shè)計(jì);③在主控CPLD芯片中用簡單的串型擾碼器代替復(fù)雜的線路編解碼電路，降低了光端機(jī)的成本。

［1］溫智寧，管自新.基于TLC5510的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.國外電子元器件，2008(5):22.

［2］徐旭.基于LVDS技術(shù)的數(shù)字光端機(jī)設(shè)計(jì)［D］.長春:吉林大學(xué)，2009:6.

［3］基曉華.基于FPGA的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2009:16.