彭曉鈞

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

早期的數(shù)字電路過于偏重硬件的實(shí)現(xiàn)。其主要缺點(diǎn)是工作量大、調(diào)試?yán)щy、靈活性較差。而采用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）器件設(shè)計(jì)電路時(shí)，設(shè)計(jì)方法靈活，設(shè)計(jì)思想清晰，而且時(shí)序可仿真，保證了其正確性，使整個(gè)硬件電路具有易于編程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)[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(hù)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(shù)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?。同時(shí)，采用CPLD器件開發(fā)的視頻切換設(shè)備具有集成度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、后期的維護(hù)和升級更便捷的特點(diǎn)。

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(dòng)，視頻接收包括接收匹配補(bǔ)償及平衡-非平衡轉(zhuǎn)換。視頻設(shè)備包括信號源和顯示設(shè)備，其接口通常為標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)雙絞線。相應(yīng)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(shè)備連接。

視頻切換模塊是整個(gè)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(shí)現(xiàn)視頻切換、LED指示等功能。由于前端有多臺攝像機(jī)，而終端控制臺上往往只有一臺監(jiān)視器，故當(dāng)需要查看某一路圖像時(shí)，需要進(jìn)行視頻切換操作。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 視頻傳輸模塊的電路設(shè)計(jì)

視頻信號在雙絞線中傳輸時(shí)，最基本的技術(shù)問題就是頻率失真。電纜頻率失真的特點(diǎn)是：(1)低頻衰減最小，頻率越高衰減越嚴(yán)重；(2)電纜越長，頻率失真越嚴(yán)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(shè)備的基本作用是提供一定的放大增益，補(bǔ)償電纜的傳輸衰減。顯然，要補(bǔ)償頻率失真，傳輸設(shè)備的補(bǔ)償特性應(yīng)該與電纜的頻率失真特性相反、互補(bǔ)，即補(bǔ)償特性應(yīng)該是：傳輸設(shè)備的增益必須具有頻率越高增益越大的基本特點(diǎn)。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)視頻信號特性的真正恢復(fù)。

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(shè)定，因此可根據(jù)不同的現(xiàn)場應(yīng)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(shè)定，計(jì)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(shè)定，計(jì)算公式為：

2.2 視頻切換模塊的電路設(shè)計(jì)

綜合考慮系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求和經(jīng)濟(jì)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(jìn)行硬件消抖。無需外部元件，MAX6818[5]即可提供 8路“干凈的”開關(guān)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(yīng)通道的視頻，并輸出至終端控制臺的監(jiān)視器。同時(shí)點(diǎn)亮對應(yīng)視頻通道的LED指示燈。因此，該電路主要實(shí)現(xiàn)多路視頻復(fù)用及視頻信號的匹配、補(bǔ)償和驅(qū)動(dòng)。當(dāng)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(shè)計(jì)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(fù)用器，-3 dB信號的帶寬為700 MHz，壓擺率為750 V/μs。串?dāng)_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(fù)用的理想之選。開關(guān)時(shí)間為5 ns，極其適合像素切換（畫中畫）應(yīng)用。AD8009是一款超高速電流反饋型放大器，壓擺率高達(dá) 5 500 V/μs，上升時(shí)間僅為 545 ps。高壓擺率可降低壓擺率限幅效應(yīng)，使大信號帶寬達(dá)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(fù)載電流，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)視頻負(fù)載，同時(shí)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(shè)計(jì)中其他需要注意的問題

根據(jù)船用環(huán)境的實(shí)際安裝、操控等需求，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須特別注重可靠性設(shè)計(jì)，同時(shí)在接口設(shè)計(jì)上，其物理特性和電氣特性應(yīng)能滿足船用環(huán)境的實(shí)際需求。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及與標(biāo)準(zhǔn)化有關(guān)的規(guī)定，還要充分考慮到該設(shè)備安裝、調(diào)試和使用時(shí)操作人員的安全性和設(shè)備的操作安全，制訂相應(yīng)的操作規(guī)程和使用方法。最后，在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮降低對使用者的能力要求，使設(shè)備的操作方便、簡單、直觀。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的軟件環(huán)境為Altera Quartus4.2。EPM7064S在其上完成編程（邏輯設(shè)計(jì)），然后進(jìn)行仿真。當(dāng)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將最后的邏輯設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

本電路的VHDL設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)方法。頂層文件采用原理圖設(shè)計(jì)輸入方式，而在底層文件設(shè)計(jì)中，采用混合的設(shè)計(jì)輸入方式。整個(gè)設(shè)計(jì)文件包括邏輯選擇模塊、鎖存模塊、復(fù)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(shí)鐘信號(即按鍵選擇信號的一個(gè)組合邏輯輸出)的作用下鎖存按鍵選擇信號；復(fù)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(yīng)的輸入視頻，同時(shí)給出對應(yīng)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(jìn)行電路的VHDL編程時(shí)，必須充分考慮程序的“冗余”設(shè)計(jì)，如多個(gè)按鍵被同時(shí)按下時(shí)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(shè)計(jì)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(jìn)行仿真，其仿真波形圖如圖5所示。

從仿真結(jié)果可看到，當(dāng)按鍵KEY_CH1被按下后（產(chǎn)生一個(gè)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(yīng)的AD8184。同時(shí)，地址線A1A0為00，表明此時(shí)選通第1路視頻輸入。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將源程序編譯后下載到EPM7064S芯片中，對實(shí)際電路進(jìn)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(shí)現(xiàn)視頻切換電路的功能。同時(shí)，該VHDL“冗余”設(shè)計(jì)程序也已在實(shí)際電路中得到驗(yàn)證，時(shí)序及時(shí)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(shí)還具有集成度高、安裝方便、操控簡單、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，使用CPLD器件設(shè)計(jì)的視頻切換電路后期的維護(hù)和升級更便捷，通過更改CPLD器件中的程序，即可擴(kuò)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(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)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.