基于CPLD的船用視頻切換及基帶傳輸系統

彭曉鈞

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

早期的數字電路過于偏重硬件的實現。其主要缺點是工作量大、調試困難、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的優點[1]。

在船用視頻監控系統中，考慮到船用環境空間狹小、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)系統中，采用有源差分信號發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，圖像質量接近光纖傳輸的效果。同時，采用CPLD器件開發的視頻切換設備具有集成度高、穩定性好、抗干擾能力強、后期的維護和升級更便捷的特點。

1 系統的硬件組成、接口及主要功能

1.1 系統組成

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

1.2 各模塊的功能與特性

視頻傳輸模塊由視頻發送和視頻接收組成。其中，視頻發送包括非平衡-平衡轉換和驅動，視頻接收包括接收匹配補償及平衡-非平衡轉換。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，必須在發送端將非平衡信號轉換為平衡信號，以便驅動雙絞線。相應地，在接收端需要再將平衡信號轉換為非平衡信號，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，并根據按鍵選擇電路的指令，實現視頻切換、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。EL5171是差分信號發送放大器，在本系統中主要完成非平衡信號到平衡信號的轉換。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換。另外，它們的增益均由外接電阻設定，因此可根據不同的現場應用環境靈活地調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

綜合考慮系統的硬件設計要求和經濟性，采用Altera公司MAX7000S[4]系列中的EPM7064S芯片來構建視頻切換模塊。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（經由雙絞線傳輸），并根據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，該電路主要實現多路視頻復用及視頻信號的匹配、補償和驅動。當然，視頻選通與否及通道的選擇均要由EPM7064S來支配。基于系統硬件性能的設計要求，采用AD8184[6]和AD8009[7]來構建切換器電路。

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的需要。AD8009能夠提供175 mA以上的負載電流，可驅動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

根據船用環境的實際安裝、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境的實際需求。同時，在設計中應嚴格執行相關的技術標準、規范以及與標準化有關的規定，還要充分考慮到該設備安裝、調試和使用時操作人員的安全性和設備的操作安全，制訂相應的操作規程和使用方法。最后，在整個系統的設計過程中，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 系統的軟件設計

本設計中的軟件環境為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下載電纜傳輸到芯片中即可。

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。

從仿真結果可看到，當按鍵KEY_CH1被按下后（產生一個高-低電平躍變信號），EN_1變為低電平（EN_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，得到了與仿真結果完全相同的波形。表明了EPM7064S完全可以實現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，時序及時延參數均滿足工程要求，工作穩定可靠。

船用環境下的測試結果表明，本系統工作穩定可靠，完全滿足具體的船用環境需求，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驅動電路設計與實現[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，FN7311.6，2005.

[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.