目前，國內使用的視頻矩陣切換系統一般規模較小，并且大多數通過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ADS112構成了視頻矩陣切換裝置，實現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。監控中心可以通過網絡傳輸的方式將視頻切換控制命令和云臺操作控制命令發送給LPC2378，再由LPC2378根據協議處理上位機發來的命令數據，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，該系統具有自動、循環切換視頻的功能，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10／100M 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／O引腳。LPC2378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，具有在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP)功能。單個Flash扇區或整個芯片擦除的時間為400 ms，256字節編程的時間為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RAM，也可用作通用SRAM。   

⑤USB接口的8 KB靜態RAM，也可用作通用SRAM。

⑥2個AHB系統，可以同步進行Ethernet DMA、USB DMA以及從片內Flash執行程序的操作，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。

⑦外部存儲控制器支持諸如Flash和SRAM的靜態設備，8位數據／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，從而易于實現以太網通信功能。

2  AD8112的功能特點

ADSll2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。ADS112具有由128個獨立的電子開關構成的開關矩陣，可以實現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，避免在大規模視頻矩陣中的輸出發生沖突。

AD8112的數字接口由以下引腳組成：DATA IN，DATAOUT，CLK，LIPDATE，CE，SER／PAR，194～D0，A2～A0和RESET。其中，DATA IN是串行數據輸入端，DATA OUT是串行數據輸出端，CLK是串行輸入時鐘，UPDATE是數據鎖存端，CE是片選端，SER／PAR是編程方式控制端，D4～D0和A2～A0是并行數據和地址裝載端，RESET是復位端。

AD8112提供串行編程和并行編程2種編程方式，由SER／PAR引腳的高低電平進行選擇。SER／PAR=0時，選擇串行編程方式：DATA IN輸入的數據在CLK的下降沿進行裝載，在UPDATE的下降沿鎖存數據，對矩陣進行編程；DATA OUT經80位矩陣模式寄存器移位輸出。SER／PAR=1時，選擇并行編程方式：由D4～D0并行輸入的數據和A2～A0并行輸入的地址在CLK的下降沿進行裝載；在UPDATE的下降沿鎖存數據，對矩陣進行編程。

AD8112串行編程方式控制時序圖如圖2所示。



在串行編程方式下，AD8112從DATA IN端輸入的控制字如圖3所示。控制字前40位每5位對應一個視頻輸出，按OUTPUT7～OUTPUT0依次排列。D4控制輸出使能，D4=1輸出使能，D4=0輸出禁止；D3～D0選定視頻輸入端INPUT15～INPUT0。由于AD8112內帶的5位并行裝載的80位移位寄存器中，有40位在內部不連接，故控制字的后40位寫入0。



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位的串行數據流編程。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，以確保視頻切換時輸出不發生沖突。剛上電時，所有的輸出引腳都初始化成禁止狀態，以防止發生輸出沖突。其連接方式如圖5所示。



本視頻矩陣中ADS112與LPC2378的連接如圖6所示。第一塊ADS112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ADS112的CLK、SER／PAR、UPDATE，為其提供控制時鐘信號、串行并行編程方式選擇信號、數據鎖存信號。P2.2～P2.0和P2.7～P2.3引腳分別連接每塊AD8112的A2～A0和D4～D0，為并行編程提供地址和數據信號。P2.8～P2.11引腳與4片AD8112的CE端相連，可根據需要同時片選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  視頻矩陣控制字發送軟件設計

該視頻矩陣控制字發送軟件流程如圖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據緩存區內，根據編程方式的要求，選擇串行編程方式或并行編程方式發送。



結語

本文設計了一種基于LPC2378和ADS112的視頻矩陣切換裝置。該裝置是一種基于嵌入式系統，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，可以移植輕量級的TCP／IP協議棧，便于網絡通信，以及系統的擴展和移植，較好地解決了視頻矩陣的切換問題。