宋躍進(jìn)

摘 要

本設(shè)計(jì)研制一種基于CPLD的多功能數(shù)字光端機(jī)，可在一根光纖中同時(shí)傳輸4路視頻、1路以太網(wǎng)和2個(gè)功能擴(kuò)展接口，其中單個(gè)擴(kuò)展接口可擴(kuò)展功能包括8路單向音頻、4路雙向音頻、8路單向開關(guān)量、4路雙向開關(guān)量和8路RS232/RS485數(shù)據(jù)。擴(kuò)展模塊可以任意選擇兩種直接插在主板的擴(kuò)展接口上實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，使該設(shè)計(jì)提高了產(chǎn)品的靈活性和方便性。

【關(guān)鍵詞】多功能 光端機(jī) 光纖 CPLD

1 引言

在當(dāng)今多功能光端機(jī)市場中，公知的多功能光端機(jī)的功能相對比較固定，除了傳輸視頻信號之外，同一型號的多功能光端機(jī)只能傳輸音頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、開關(guān)量等其中的一個(gè)或多個(gè)，并且傳輸同一信號的數(shù)量也是固定的，比如只能傳輸1路或多路音頻，這就給用戶的使用和企業(yè)的生產(chǎn)帶來不便 。

為了使用戶的便利，本文設(shè)計(jì)了一種新的多功能光端機(jī)。該多功能光端機(jī)采用模塊化方案，將整個(gè)系統(tǒng)分為主板和功能擴(kuò)展板兩部分，將常用且固定的功能做到主板上，而其它功能靠擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。各個(gè)功能模塊與主板采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊任意組合、即插即用。

2 多功能光端機(jī)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光端機(jī)通信系統(tǒng)由發(fā)送端、光纖和接收端構(gòu)成，如圖2.1所示。發(fā)送端將視頻、語音、以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)、開關(guān)量等信號經(jīng)過主控芯片處理后，再通過電光轉(zhuǎn)換模塊將電信號轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)送至光纖；光接收端的主要任務(wù)是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號后，再從電信號中分接出各路原始視頻、以太網(wǎng)和擴(kuò)展板信號。

2.2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)功能多樣化，本設(shè)計(jì)發(fā)送端和接收端均采用主板和副板搭配使用的結(jié)構(gòu)。在主板上集成了4路視頻、1路以太網(wǎng)和2個(gè)擴(kuò)展功能接口（擴(kuò)展接口用于插接副板，副板包括8路單向音頻副板、4路雙向音頻副板、8路單向開關(guān)量副板、4路雙向開關(guān)量副板和8路RS232/RS485數(shù)據(jù)）。主板集成的功能框圖如圖2.2所示。為了節(jié)省CPLD引腳資源，本設(shè)計(jì)中主板和副板的通信接口采用4根線進(jìn)行通信。其中包括1根發(fā)送時(shí)鐘線、1根發(fā)送數(shù)據(jù)線、1根接收時(shí)鐘線和1根接收數(shù)據(jù)線。主板與副板的通信示意圖如圖2.3所示。

2.3 系統(tǒng)總體原理框圖設(shè)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)正向傳輸時(shí)，在發(fā)送端，來自監(jiān)控?cái)z像頭的4路模擬視頻信號首先經(jīng)過放大、濾波；然后依據(jù)主控芯片CPLD給出的AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘將放大濾波后的4路模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成4路8bit數(shù)字視頻信號；來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊再送入以太網(wǎng)交換芯片將變換后的有用信號通過MII接口傳給CPLD；擴(kuò)展功能模塊將需要傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)通過擴(kuò)展接口發(fā)送給CPLD。之后，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的每路12.5MHz、8bit數(shù)字視頻信號和以太網(wǎng)信號，擴(kuò)展功能信號經(jīng)過時(shí)分復(fù)用和8B/10B編碼[3]，完成數(shù)據(jù)的一次復(fù)接，此過程是由主控CPLD芯片控制實(shí)現(xiàn)的。再者，把在CPLD內(nèi)部一次復(fù)接產(chǎn)生的10bit信號送往并串轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)的第二次復(fù)接。最后把并串轉(zhuǎn)換后的高速串行數(shù)據(jù)經(jīng)光模塊進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換成光信號通過光纖發(fā)送到遠(yuǎn)端。

在接收端，光電轉(zhuǎn)換收發(fā)一體模塊把接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號后，首先需要經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行一次數(shù)據(jù)分接得到10bit并行數(shù)字信號，然后通過8B/10B解碼、分路單元進(jìn)行二次數(shù)據(jù)分接分離出各路數(shù)字視頻數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)、擴(kuò)展功能數(shù)據(jù)，發(fā)送到各自處理單元進(jìn)行處理。

3 多功能光端機(jī)軟件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)送板主板程序的設(shè)計(jì)

3.1.1 發(fā)送板正向傳輸數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)

發(fā)送板正向傳輸數(shù)據(jù)的頂層模塊如圖3.1所示。

CPLD復(fù)接模塊的功能：將4路視頻信號、2路擴(kuò)展接口信號、一路以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用復(fù)接成8bit位寬數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過8B/10B編碼編成10位并行數(shù)據(jù)發(fā)給串化器，8B/10B編碼可實(shí)現(xiàn)光纖遠(yuǎn)距離輸時(shí)的DC平衡。

分時(shí)復(fù)用過程中共分為6個(gè)時(shí)隙，第一個(gè)時(shí)隙采集第一路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第二個(gè)時(shí)隙采集第二路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第三個(gè)時(shí)隙采集第三路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第四個(gè)時(shí)隙采集第四路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第五個(gè)時(shí)隙采集5bit以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和2bit擴(kuò)展板的數(shù)據(jù)，第六個(gè)時(shí)隙發(fā)送K28.5標(biāo)志碼，此標(biāo)志碼用來使對端光端機(jī)在分接數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，以識(shí)別出視頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、擴(kuò)展板的信號。

3.1.2 發(fā)送板反向接收數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)

發(fā)送板CPLD分接模塊的功能：CPLD將接收到的10bit數(shù)據(jù)經(jīng)過8B/10B解碼，得到8bit數(shù)據(jù)，根據(jù)接收板反向數(shù)據(jù)復(fù)接方式，低5位是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，第6位和第7位是兩個(gè)擴(kuò)展功能模塊的數(shù)據(jù)，反向分接即可得到以太網(wǎng)和兩擴(kuò)展模塊對應(yīng)的數(shù)據(jù)。分接完成后再依據(jù)另一時(shí)鐘將數(shù)據(jù)發(fā)送給以太網(wǎng)芯片和擴(kuò)展模塊。

3.2 接收板主板程序的設(shè)計(jì)

3.2.1 接收板正向接收數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)

接收板CPLD分接模塊的功能：將輸入的10bit數(shù)據(jù)經(jīng)過8B/10B解碼成8bit原始數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到K28.5時(shí)，緊接著的第一個(gè)時(shí)隙是第一路視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第二個(gè)時(shí)隙是第二個(gè)視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第三個(gè)時(shí)隙是第三個(gè)視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第四個(gè)時(shí)隙是第四個(gè)視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第五個(gè)時(shí)隙是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和兩個(gè)擴(kuò)展板的數(shù)據(jù)，根據(jù)這個(gè)順序即可完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分接。

3.2.2 接收板反向發(fā)送數(shù)據(jù)代碼的設(shè)計(jì)

接收板CPLD復(fù)接模塊的功能：CPLD將低5位配置為發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，將第6、7位配置為發(fā)送擴(kuò)展功能模塊的數(shù)據(jù)。然后將復(fù)接后的8bit數(shù)據(jù)經(jīng)過8B/10B編碼編成10bit數(shù)據(jù)傳給串化器，經(jīng)光纖向發(fā)送板傳送以太網(wǎng)和擴(kuò)展板產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

3.3 副板代碼的設(shè)計(jì)

副板代碼的功能主要是將副板的音頻/開關(guān)量/數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)經(jīng)過采樣后經(jīng)過封裝成標(biāo)準(zhǔn)幀發(fā)送給主板；接收主板數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)檢測到起始幀時(shí)，則開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行識(shí)別分離數(shù)據(jù)，將分離出的數(shù)據(jù)送個(gè)各個(gè)芯片來完成相應(yīng)的功能。限于篇幅，這里以雙向音頻副板代碼設(shè)計(jì)為例講解副板代碼設(shè)計(jì)。

4路雙向音頻AD/DA芯片選用的是AKM4554，每次采樣16比特的音頻數(shù)據(jù)。音頻副板上有2個(gè)AKM4554實(shí)現(xiàn)4路音頻信號的傳輸。

對于發(fā)送板，CPLD每次采樣后，將4路音頻數(shù)據(jù)共64位存到寄存器，bit0到bit15存的是第一路音頻的數(shù)據(jù)，bit16到bit31存的是第二路音頻的數(shù)據(jù)，bit32到bit47存的是第三路音頻的數(shù)據(jù)，bit48到bit63存的是第四路音頻的數(shù)據(jù)。然后先發(fā)送起始幀，后接64bit的有效數(shù)據(jù)，先發(fā)第一路數(shù)據(jù)，最后發(fā)第四路數(shù)據(jù)。

對于接收板，CPLD時(shí)刻檢測起始幀，當(dāng)檢測到起始幀后，開始存儲(chǔ)起始幀后的64bit數(shù)據(jù)，識(shí)別出bit0到bit15是第一路音頻的數(shù)據(jù)，bit16到bit31是第二路音頻的數(shù)據(jù)，bit32到bit47是第三路音頻的數(shù)據(jù)，bit48到bit63是第四路音頻的數(shù)據(jù)。然后將這些數(shù)據(jù)在相應(yīng)的時(shí)鐘沿發(fā)送給AKM4554。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種全新多功能光端機(jī)設(shè)計(jì)方案，采用主板和擴(kuò)展板搭配使用的設(shè)計(jì)思路，做到了產(chǎn)品開發(fā)最大程度的靈活性。通過實(shí)際制作，多功能光端機(jī)最終調(diào)試成功，可以正常傳輸視頻、音頻、以太網(wǎng)、開關(guān)量、RS232/RS485數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用中，擴(kuò)展功能副板不止局限于文中提到的這些副板，在擴(kuò)展接口傳輸速率滿足速率要求的情況下，可以通過擴(kuò)展接口擴(kuò)展任何新的功能。該設(shè)計(jì)從產(chǎn)品角度出發(fā)，既方便了用戶，又減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時(shí)還具有較大的價(jià)格優(yōu)勢，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]朱良.視頻光端機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].中國安防，2007.

[2]王秉鈞，王少勇.光纖通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004，82-92，91-96.

[3]李宥謀.8B/10B編碼器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2005.

[4]葛洪源.淺談數(shù)字復(fù)接技術(shù)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2003.

[5]周瑜.兩路視頻一路數(shù)字光端機(jī)[D].南京：南京理工大學(xué)，2001.

作者單位

河南省射擊運(yùn)動(dòng)管理中心 河南省鄭州市 450000endprint

摘 要

本設(shè)計(jì)研制一種基于CPLD的多功能數(shù)字光端機(jī)，可在一根光纖中同時(shí)傳輸4路視頻、1路以太網(wǎng)和2個(gè)功能擴(kuò)展接口，其中單個(gè)擴(kuò)展接口可擴(kuò)展功能包括8路單向音頻、4路雙向音頻、8路單向開關(guān)量、4路雙向開關(guān)量和8路RS232/RS485數(shù)據(jù)。擴(kuò)展模塊可以任意選擇兩種直接插在主板的擴(kuò)展接口上實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，使該設(shè)計(jì)提高了產(chǎn)品的靈活性和方便性。

【關(guān)鍵詞】多功能 光端機(jī) 光纖 CPLD

1 引言

在當(dāng)今多功能光端機(jī)市場中，公知的多功能光端機(jī)的功能相對比較固定，除了傳輸視頻信號之外，同一型號的多功能光端機(jī)只能傳輸音頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、開關(guān)量等其中的一個(gè)或多個(gè)，并且傳輸同一信號的數(shù)量也是固定的，比如只能傳輸1路或多路音頻，這就給用戶的使用和企業(yè)的生產(chǎn)帶來不便 。

為了使用戶的便利，本文設(shè)計(jì)了一種新的多功能光端機(jī)。該多功能光端機(jī)采用模塊化方案，將整個(gè)系統(tǒng)分為主板和功能擴(kuò)展板兩部分，將常用且固定的功能做到主板上，而其它功能靠擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。各個(gè)功能模塊與主板采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊任意組合、即插即用。

2 多功能光端機(jī)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光端機(jī)通信系統(tǒng)由發(fā)送端、光纖和接收端構(gòu)成，如圖2.1所示。發(fā)送端將視頻、語音、以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)、開關(guān)量等信號經(jīng)過主控芯片處理后，再通過電光轉(zhuǎn)換模塊將電信號轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)送至光纖；光接收端的主要任務(wù)是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號后，再從電信號中分接出各路原始視頻、以太網(wǎng)和擴(kuò)展板信號。

2.2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)功能多樣化，本設(shè)計(jì)發(fā)送端和接收端均采用主板和副板搭配使用的結(jié)構(gòu)。在主板上集成了4路視頻、1路以太網(wǎng)和2個(gè)擴(kuò)展功能接口（擴(kuò)展接口用于插接副板，副板包括8路單向音頻副板、4路雙向音頻副板、8路單向開關(guān)量副板、4路雙向開關(guān)量副板和8路RS232/RS485數(shù)據(jù)）。主板集成的功能框圖如圖2.2所示。為了節(jié)省CPLD引腳資源，本設(shè)計(jì)中主板和副板的通信接口采用4根線進(jìn)行通信。其中包括1根發(fā)送時(shí)鐘線、1根發(fā)送數(shù)據(jù)線、1根接收時(shí)鐘線和1根接收數(shù)據(jù)線。主板與副板的通信示意圖如圖2.3所示。

2.3 系統(tǒng)總體原理框圖設(shè)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)正向傳輸時(shí)，在發(fā)送端，來自監(jiān)控?cái)z像頭的4路模擬視頻信號首先經(jīng)過放大、濾波；然后依據(jù)主控芯片CPLD給出的AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘將放大濾波后的4路模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成4路8bit數(shù)字視頻信號；來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊再送入以太網(wǎng)交換芯片將變換后的有用信號通過MII接口傳給CPLD；擴(kuò)展功能模塊將需要傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)通過擴(kuò)展接口發(fā)送給CPLD。之后，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的每路12.5MHz、8bit數(shù)字視頻信號和以太網(wǎng)信號，擴(kuò)展功能信號經(jīng)過時(shí)分復(fù)用和8B/10B編碼[3]，完成數(shù)據(jù)的一次復(fù)接，此過程是由主控CPLD芯片控制實(shí)現(xiàn)的。再者，把在CPLD內(nèi)部一次復(fù)接產(chǎn)生的10bit信號送往并串轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)的第二次復(fù)接。最后把并串轉(zhuǎn)換后的高速串行數(shù)據(jù)經(jīng)光模塊進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換成光信號通過光纖發(fā)送到遠(yuǎn)端。

在接收端，光電轉(zhuǎn)換收發(fā)一體模塊把接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號后，首先需要經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行一次數(shù)據(jù)分接得到10bit并行數(shù)字信號，然后通過8B/10B解碼、分路單元進(jìn)行二次數(shù)據(jù)分接分離出各路數(shù)字視頻數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)、擴(kuò)展功能數(shù)據(jù)，發(fā)送到各自處理單元進(jìn)行處理。

3 多功能光端機(jī)軟件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)送板主板程序的設(shè)計(jì)

3.1.1 發(fā)送板正向傳輸數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)

發(fā)送板正向傳輸數(shù)據(jù)的頂層模塊如圖3.1所示。

CPLD復(fù)接模塊的功能：將4路視頻信號、2路擴(kuò)展接口信號、一路以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用復(fù)接成8bit位寬數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過8B/10B編碼編成10位并行數(shù)據(jù)發(fā)給串化器，8B/10B編碼可實(shí)現(xiàn)光纖遠(yuǎn)距離輸時(shí)的DC平衡。

分時(shí)復(fù)用過程中共分為6個(gè)時(shí)隙，第一個(gè)時(shí)隙采集第一路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第二個(gè)時(shí)隙采集第二路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第三個(gè)時(shí)隙采集第三路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第四個(gè)時(shí)隙采集第四路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第五個(gè)時(shí)隙采集5bit以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和2bit擴(kuò)展板的數(shù)據(jù)，第六個(gè)時(shí)隙發(fā)送K28.5標(biāo)志碼，此標(biāo)志碼用來使對端光端機(jī)在分接數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，以識(shí)別出視頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、擴(kuò)展板的信號。

3.1.2 發(fā)送板反向接收數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)

發(fā)送板CPLD分接模塊的功能：CPLD將接收到的10bit數(shù)據(jù)經(jīng)過8B/10B解碼，得到8bit數(shù)據(jù)，根據(jù)接收板反向數(shù)據(jù)復(fù)接方式，低5位是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，第6位和第7位是兩個(gè)擴(kuò)展功能模塊的數(shù)據(jù)，反向分接即可得到以太網(wǎng)和兩擴(kuò)展模塊對應(yīng)的數(shù)據(jù)。分接完成后再依據(jù)另一時(shí)鐘將數(shù)據(jù)發(fā)送給以太網(wǎng)芯片和擴(kuò)展模塊。

3.2 接收板主板程序的設(shè)計(jì)

3.2.1 接收板正向接收數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)

接收板CPLD分接模塊的功能：將輸入的10bit數(shù)據(jù)經(jīng)過8B/10B解碼成8bit原始數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到K28.5時(shí)，緊接著的第一個(gè)時(shí)隙是第一路視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第二個(gè)時(shí)隙是第二個(gè)視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第三個(gè)時(shí)隙是第三個(gè)視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第四個(gè)時(shí)隙是第四個(gè)視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第五個(gè)時(shí)隙是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和兩個(gè)擴(kuò)展板的數(shù)據(jù)，根據(jù)這個(gè)順序即可完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分接。

3.2.2 接收板反向發(fā)送數(shù)據(jù)代碼的設(shè)計(jì)

接收板CPLD復(fù)接模塊的功能：CPLD將低5位配置為發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，將第6、7位配置為發(fā)送擴(kuò)展功能模塊的數(shù)據(jù)。然后將復(fù)接后的8bit數(shù)據(jù)經(jīng)過8B/10B編碼編成10bit數(shù)據(jù)傳給串化器，經(jīng)光纖向發(fā)送板傳送以太網(wǎng)和擴(kuò)展板產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

3.3 副板代碼的設(shè)計(jì)

副板代碼的功能主要是將副板的音頻/開關(guān)量/數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)經(jīng)過采樣后經(jīng)過封裝成標(biāo)準(zhǔn)幀發(fā)送給主板；接收主板數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)檢測到起始幀時(shí)，則開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行識(shí)別分離數(shù)據(jù)，將分離出的數(shù)據(jù)送個(gè)各個(gè)芯片來完成相應(yīng)的功能。限于篇幅，這里以雙向音頻副板代碼設(shè)計(jì)為例講解副板代碼設(shè)計(jì)。

4路雙向音頻AD/DA芯片選用的是AKM4554，每次采樣16比特的音頻數(shù)據(jù)。音頻副板上有2個(gè)AKM4554實(shí)現(xiàn)4路音頻信號的傳輸。

對于發(fā)送板，CPLD每次采樣后，將4路音頻數(shù)據(jù)共64位存到寄存器，bit0到bit15存的是第一路音頻的數(shù)據(jù)，bit16到bit31存的是第二路音頻的數(shù)據(jù)，bit32到bit47存的是第三路音頻的數(shù)據(jù)，bit48到bit63存的是第四路音頻的數(shù)據(jù)。然后先發(fā)送起始幀，后接64bit的有效數(shù)據(jù)，先發(fā)第一路數(shù)據(jù)，最后發(fā)第四路數(shù)據(jù)。

對于接收板，CPLD時(shí)刻檢測起始幀，當(dāng)檢測到起始幀后，開始存儲(chǔ)起始幀后的64bit數(shù)據(jù)，識(shí)別出bit0到bit15是第一路音頻的數(shù)據(jù)，bit16到bit31是第二路音頻的數(shù)據(jù)，bit32到bit47是第三路音頻的數(shù)據(jù)，bit48到bit63是第四路音頻的數(shù)據(jù)。然后將這些數(shù)據(jù)在相應(yīng)的時(shí)鐘沿發(fā)送給AKM4554。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種全新多功能光端機(jī)設(shè)計(jì)方案，采用主板和擴(kuò)展板搭配使用的設(shè)計(jì)思路，做到了產(chǎn)品開發(fā)最大程度的靈活性。通過實(shí)際制作，多功能光端機(jī)最終調(diào)試成功，可以正常傳輸視頻、音頻、以太網(wǎng)、開關(guān)量、RS232/RS485數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用中，擴(kuò)展功能副板不止局限于文中提到的這些副板，在擴(kuò)展接口傳輸速率滿足速率要求的情況下，可以通過擴(kuò)展接口擴(kuò)展任何新的功能。該設(shè)計(jì)從產(chǎn)品角度出發(fā)，既方便了用戶，又減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時(shí)還具有較大的價(jià)格優(yōu)勢，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]朱良.視頻光端機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].中國安防，2007.

[2]王秉鈞，王少勇.光纖通信系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004，82-92，91-96.

[3]李宥謀.8B/10B編碼器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2005.

[4]葛洪源.淺談數(shù)字復(fù)接技術(shù)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2003.

[5]周瑜.兩路視頻一路數(shù)字光端機(jī)[D].南京：南京理工大學(xué)，2001.

作者單位

河南省射擊運(yùn)動(dòng)管理中心 河南省鄭州市 450000endprint

摘 要

本設(shè)計(jì)研制一種基于CPLD的多功能數(shù)字光端機(jī)，可在一根光纖中同時(shí)傳輸4路視頻、1路以太網(wǎng)和2個(gè)功能擴(kuò)展接口，其中單個(gè)擴(kuò)展接口可擴(kuò)展功能包括8路單向音頻、4路雙向音頻、8路單向開關(guān)量、4路雙向開關(guān)量和8路RS232/RS485數(shù)據(jù)。擴(kuò)展模塊可以任意選擇兩種直接插在主板的擴(kuò)展接口上實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，使該設(shè)計(jì)提高了產(chǎn)品的靈活性和方便性。

【關(guān)鍵詞】多功能 光端機(jī) 光纖 CPLD

1 引言

在當(dāng)今多功能光端機(jī)市場中，公知的多功能光端機(jī)的功能相對比較固定，除了傳輸視頻信號之外，同一型號的多功能光端機(jī)只能傳輸音頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、開關(guān)量等其中的一個(gè)或多個(gè)，并且傳輸同一信號的數(shù)量也是固定的，比如只能傳輸1路或多路音頻，這就給用戶的使用和企業(yè)的生產(chǎn)帶來不便 。

為了使用戶的便利，本文設(shè)計(jì)了一種新的多功能光端機(jī)。該多功能光端機(jī)采用模塊化方案，將整個(gè)系統(tǒng)分為主板和功能擴(kuò)展板兩部分，將常用且固定的功能做到主板上，而其它功能靠擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)。各個(gè)功能模塊與主板采用統(tǒng)一的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊任意組合、即插即用。

2 多功能光端機(jī)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光端機(jī)通信系統(tǒng)由發(fā)送端、光纖和接收端構(gòu)成，如圖2.1所示。發(fā)送端將視頻、語音、以太網(wǎng)、數(shù)據(jù)、開關(guān)量等信號經(jīng)過主控芯片處理后，再通過電光轉(zhuǎn)換模塊將電信號轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)送至光纖；光接收端的主要任務(wù)是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號后，再從電信號中分接出各路原始視頻、以太網(wǎng)和擴(kuò)展板信號。

2.2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)功能多樣化，本設(shè)計(jì)發(fā)送端和接收端均采用主板和副板搭配使用的結(jié)構(gòu)。在主板上集成了4路視頻、1路以太網(wǎng)和2個(gè)擴(kuò)展功能接口（擴(kuò)展接口用于插接副板，副板包括8路單向音頻副板、4路雙向音頻副板、8路單向開關(guān)量副板、4路雙向開關(guān)量副板和8路RS232/RS485數(shù)據(jù)）。主板集成的功能框圖如圖2.2所示。為了節(jié)省CPLD引腳資源，本設(shè)計(jì)中主板和副板的通信接口采用4根線進(jìn)行通信。其中包括1根發(fā)送時(shí)鐘線、1根發(fā)送數(shù)據(jù)線、1根接收時(shí)鐘線和1根接收數(shù)據(jù)線。主板與副板的通信示意圖如圖2.3所示。

2.3 系統(tǒng)總體原理框圖設(shè)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)正向傳輸時(shí)，在發(fā)送端，來自監(jiān)控?cái)z像頭的4路模擬視頻信號首先經(jīng)過放大、濾波；然后依據(jù)主控芯片CPLD給出的AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘將放大濾波后的4路模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成4路8bit數(shù)字視頻信號；來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊再送入以太網(wǎng)交換芯片將變換后的有用信號通過MII接口傳給CPLD；擴(kuò)展功能模塊將需要傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)通過擴(kuò)展接口發(fā)送給CPLD。之后，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的每路12.5MHz、8bit數(shù)字視頻信號和以太網(wǎng)信號，擴(kuò)展功能信號經(jīng)過時(shí)分復(fù)用和8B/10B編碼[3]，完成數(shù)據(jù)的一次復(fù)接，此過程是由主控CPLD芯片控制實(shí)現(xiàn)的。再者，把在CPLD內(nèi)部一次復(fù)接產(chǎn)生的10bit信號送往并串轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)的第二次復(fù)接。最后把并串轉(zhuǎn)換后的高速串行數(shù)據(jù)經(jīng)光模塊進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換成光信號通過光纖發(fā)送到遠(yuǎn)端。

在接收端，光電轉(zhuǎn)換收發(fā)一體模塊把接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號后，首先需要經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行一次數(shù)據(jù)分接得到10bit并行數(shù)字信號，然后通過8B/10B解碼、分路單元進(jìn)行二次數(shù)據(jù)分接分離出各路數(shù)字視頻數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)、擴(kuò)展功能數(shù)據(jù)，發(fā)送到各自處理單元進(jìn)行處理。

3 多功能光端機(jī)軟件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)送板主板程序的設(shè)計(jì)

3.1.1 發(fā)送板正向傳輸數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)

發(fā)送板正向傳輸數(shù)據(jù)的頂層模塊如圖3.1所示。

CPLD復(fù)接模塊的功能：將4路視頻信號、2路擴(kuò)展接口信號、一路以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用復(fù)接成8bit位寬數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過8B/10B編碼編成10位并行數(shù)據(jù)發(fā)給串化器，8B/10B編碼可實(shí)現(xiàn)光纖遠(yuǎn)距離輸時(shí)的DC平衡。

分時(shí)復(fù)用過程中共分為6個(gè)時(shí)隙，第一個(gè)時(shí)隙采集第一路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第二個(gè)時(shí)隙采集第二路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第三個(gè)時(shí)隙采集第三路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第四個(gè)時(shí)隙采集第四路視頻的8bit數(shù)據(jù)，第五個(gè)時(shí)隙采集5bit以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和2bit擴(kuò)展板的數(shù)據(jù)，第六個(gè)時(shí)隙發(fā)送K28.5標(biāo)志碼，此標(biāo)志碼用來使對端光端機(jī)在分接數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，以識(shí)別出視頻、數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)、擴(kuò)展板的信號。

3.1.2 發(fā)送板反向接收數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)

發(fā)送板CPLD分接模塊的功能：CPLD將接收到的10bit數(shù)據(jù)經(jīng)過8B/10B解碼，得到8bit數(shù)據(jù)，根據(jù)接收板反向數(shù)據(jù)復(fù)接方式，低5位是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，第6位和第7位是兩個(gè)擴(kuò)展功能模塊的數(shù)據(jù)，反向分接即可得到以太網(wǎng)和兩擴(kuò)展模塊對應(yīng)的數(shù)據(jù)。分接完成后再依據(jù)另一時(shí)鐘將數(shù)據(jù)發(fā)送給以太網(wǎng)芯片和擴(kuò)展模塊。

3.2 接收板主板程序的設(shè)計(jì)

3.2.1 接收板正向接收數(shù)據(jù)程序的設(shè)計(jì)

接收板CPLD分接模塊的功能：將輸入的10bit數(shù)據(jù)經(jīng)過8B/10B解碼成8bit原始數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到K28.5時(shí)，緊接著的第一個(gè)時(shí)隙是第一路視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第二個(gè)時(shí)隙是第二個(gè)視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第三個(gè)時(shí)隙是第三個(gè)視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第四個(gè)時(shí)隙是第四個(gè)視頻信號的8bit數(shù)據(jù)，第五個(gè)時(shí)隙是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和兩個(gè)擴(kuò)展板的數(shù)據(jù)，根據(jù)這個(gè)順序即可完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確分接。

3.2.2 接收板反向發(fā)送數(shù)據(jù)代碼的設(shè)計(jì)

接收板CPLD復(fù)接模塊的功能：CPLD將低5位配置為發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，將第6、7位配置為發(fā)送擴(kuò)展功能模塊的數(shù)據(jù)。然后將復(fù)接后的8bit數(shù)據(jù)經(jīng)過8B/10B編碼編成10bit數(shù)據(jù)傳給串化器，經(jīng)光纖向發(fā)送板傳送以太網(wǎng)和擴(kuò)展板產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

3.3 副板代碼的設(shè)計(jì)

副板代碼的功能主要是將副板的音頻/開關(guān)量/數(shù)據(jù)的有效數(shù)據(jù)經(jīng)過采樣后經(jīng)過封裝成標(biāo)準(zhǔn)幀發(fā)送給主板；接收主板數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)檢測到起始幀時(shí)，則開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行識(shí)別分離數(shù)據(jù)，將分離出的數(shù)據(jù)送個(gè)各個(gè)芯片來完成相應(yīng)的功能。限于篇幅，這里以雙向音頻副板代碼設(shè)計(jì)為例講解副板代碼設(shè)計(jì)。

4路雙向音頻AD/DA芯片選用的是AKM4554，每次采樣16比特的音頻數(shù)據(jù)。音頻副板上有2個(gè)AKM4554實(shí)現(xiàn)4路音頻信號的傳輸。

對于發(fā)送板，CPLD每次采樣后，將4路音頻數(shù)據(jù)共64位存到寄存器，bit0到bit15存的是第一路音頻的數(shù)據(jù)，bit16到bit31存的是第二路音頻的數(shù)據(jù)，bit32到bit47存的是第三路音頻的數(shù)據(jù)，bit48到bit63存的是第四路音頻的數(shù)據(jù)。然后先發(fā)送起始幀，后接64bit的有效數(shù)據(jù)，先發(fā)第一路數(shù)據(jù)，最后發(fā)第四路數(shù)據(jù)。

對于接收板，CPLD時(shí)刻檢測起始幀，當(dāng)檢測到起始幀后，開始存儲(chǔ)起始幀后的64bit數(shù)據(jù)，識(shí)別出bit0到bit15是第一路音頻的數(shù)據(jù)，bit16到bit31是第二路音頻的數(shù)據(jù)，bit32到bit47是第三路音頻的數(shù)據(jù)，bit48到bit63是第四路音頻的數(shù)據(jù)。然后將這些數(shù)據(jù)在相應(yīng)的時(shí)鐘沿發(fā)送給AKM4554。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種全新多功能光端機(jī)設(shè)計(jì)方案，采用主板和擴(kuò)展板搭配使用的設(shè)計(jì)思路，做到了產(chǎn)品開發(fā)最大程度的靈活性。通過實(shí)際制作，多功能光端機(jī)最終調(diào)試成功，可以正常傳輸視頻、音頻、以太網(wǎng)、開關(guān)量、RS232/RS485數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用中，擴(kuò)展功能副板不止局限于文中提到的這些副板，在擴(kuò)展接口傳輸速率滿足速率要求的情況下，可以通過擴(kuò)展接口擴(kuò)展任何新的功能。該設(shè)計(jì)從產(chǎn)品角度出發(fā)，既方便了用戶，又減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時(shí)還具有較大的價(jià)格優(yōu)勢，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

河南省射擊運(yùn)動(dòng)管理中心 河南省鄭州市 450000endprint