摘 要：利用AD8113寬帶視頻切換" title="視頻切換">視頻切換集成電路作為切換器件，利用PIC18F458單片機作為核心控制單元，設計了一種視頻矩陣切換系統，并介紹了具體的硬件電路設計和軟件設計。該系統已成功應用于煤礦監測監控系統" title="監控系統">監控系統中，具有高速度、高性能、高可靠性、實用性好等優點。
關鍵詞： 視頻矩陣切換 AD8113 PIC18F458 視頻信號
光纖工業電視監控系統自20世紀80年代末以來已在國內外煤礦中得到了廣泛應用。中國礦業大學信電學院推出的KJ28光纖工業電視系統是根據礦井特殊環境條件開發研制的，適用于各類大中小型煤礦。該系統的重要組成部分——視頻矩陣切換系統經歷了幾代發展，隨著計算機技術和視頻技術的發展，要求視頻矩陣切換器不僅要切換電視視頻信號，還要切換計算機視頻信號。原有的以MAX456為核心的GDK-III、GDK-Ⅳ系統有些力不從心，因此需要有相應的寬帶視頻切換集成電路輔助完成這一任務。本文介紹采用寬帶視頻切換集成電路AD8113和微控制器" title="微控制器">微控制器PIC18F458實現16×16視頻矩陣切換系統。
1 視頻切換系統硬件電路設計
視頻矩陣切換系統框圖如圖1所示。該系統主要由單片機控制電路、矩陣切換電路" title="切換電路">切換電路、通訊接口和其它外圍電路組成。
1.1 器件的選擇
1.1.1 視頻矩陣切換芯片的選擇
目前，視頻矩陣切換集成電路主要有MAX456、MAX4456和本設計采用的AD8113等。AD8113是Analog Device(AD)公司生產的寬帶視頻切換集成電路。該芯片的容量是16×16，相比較而言，MAX456、MAX4456容量較小，一片AD8113能實現16×16視頻矩陣切換，同樣的容量卻需要四片MAX456(或MAX4456)；AD8113將輸出緩沖器集成在芯片內，減少了寄生電容，使它的抗干擾能力較強，可以適應許多視頻應用；AD8113便于形成更大規模的視頻矩陣切換電路，如電視臺的256×256的視頻矩陣切換電路；另外，它的信號通道帶寬是260MHz(－3dB)，遠遠高于MAX456和MAX4456，同時高于計算機視頻信號的信號通道帶寬，因此AD8113也可切換計算機視頻信號。
AD8113主要由80bit的移位寄存器、并行鎖存器、解碼器、切換矩陣和輸出緩沖等部分構成。AD8113工作在±5V或±12V下，消耗電流分別為34mA或31mA，信道切換時間小于60ns，并有0.1%的停頓用于模擬音頻或數字音頻。AD8113工作在20kHz時，色度亮度干擾為-83dB，隔離度為90dB，它還有16個獨立輸出緩沖器，可以用在禁止狀態，輸出阻斷功能允許多個器件的輸出直接連接。AD8113的增益G設計為2，在通過AD8113之前不需要衰減視頻信號。其典型視頻輸入輸出電路如圖2所示。
1.1.2 微控制器的選擇
本設計的核心控制單元采用Microchip公司生產的PIC18F458。該單片機除具有單片機的通用資源外，還采用哈佛總線結構、16位精簡指令集RISC技術及流水線取指令方式，并且帶有一個CAN 2.0B智能有源接口，CAN接口帶有三個發送緩沖器、兩個接收緩沖器、六個接收濾波器及兩個接收屏蔽器。PIC18F456還可以借助CAN網絡，對系統進行編程，實現遠程節點的升級。PIC18F458還擁有256Kbit的自編程FLASH存儲器，高達1500×8bit的用戶SRAM及256×8bit電可擦寫EEPROM數據存儲器，其讀寫操作均由單片機內部時序控制，具有掉電保護數據的特性，把系統參數保存在EEPROM中，就可以實現在掉電后重新上電時恢復掉電前的設置參數。該芯片具有低功耗、高速度、高可靠性、體積小、性價比高等特點，易于實現低功耗設計和抗干擾設計。這對于工作條件相對惡劣的煤礦來說尤為重要。
1.2 硬件電路設計
AD8113有兩種工作模式，即并行模式和串行模式。并行模式使用的控制信號多，但速度快；串行模式使用的控制信號少，速度比使用并行模式慢，但是在數據建立后，輸出數據時延最長為100ns，完全能夠達到設計要求，同時串行模式輸出為構建大容量的矩陣切換器提供了方便，因此本設計選用串行工作模式。在串行工作模式下，AD8113使用的管腳主要有CLK、DATA、CE、
和SER/PAR等。AD8113和微控制器的硬件連接關系如圖3所示。
視頻輸出信號在短距離傳輸中可以直接和監視器相連，但在傳輸距離較長時，最好加上視頻驅動器，如MAX470。
2 軟件的設計
2.1 串口工作模式的控制邏輯
AD8113的串行模式時序圖如圖4所示。從時序圖中可以看出，時鐘信號CLK和鎖存數據信號均是下降沿有效，當CE=0時，SER/PAR降為低電平，選擇串口工作模式。每個輸出端口" title="輸出端口">輸出端口對應五個bit，即D4～D0，D4先輸入。當D4=0時，D3～D0無效，相應的輸出阻斷，輸出端口為16個，第16個輸出端口的數據最先輸入。當80個bit的數據全部輸入完畢時，停止CLK信號，變為低電平，切換矩陣的輸入和輸出。數據根據剛輸入的80bit數據進行修改，若CLK信號沒有停止，則切換矩陣數據動態更改。當變為高電平時，80bit的數據鎖存完畢。每次更改輸入輸出配置時，必須提供80bit的串行數據，將整個矩陣數據更改。
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2.2 控制程序
根據圖4的時序關系可得該系統的程序流程圖，如圖5所示。
程序中對AD8113的設置主要包括對AD8113的初始化、從鍵盤獲取命令、打開新的通道、發送代碼，具體程序如下：
void Init8113() //AD8113的初始化
{
RESET = 1;
CE = 0;
RESET = 0;
UPDATE = 1;
}
void OpenChannel(unsigned char cChannel,unsigned char cVideoNumber) //打開新的通道
{
cOrder[cChannel] = cVideoNumber + 0x10;
}
void Config() //構造要發送控制命令的數組
{
unsigned char cTemp;
for(cTemp=0; cTemp＜16; cTemp++)
{
if(cOldChannel[cTemp] != cNewChannel[cTemp])
{
OpenChannel(cHopeChannel);
cOldChannel[cTemp] = cNewChannel[cTemp];
}
}
}
void SendOrder() //發送控制命令
{
unsigned char cTemp;
unsigned char cBit;
for(cTemp=0; cTemp＜16; cTemp++)
{
for(cBit=0; cBit＜5; cBit++)
{
if((cOrder[cTemp]&(0x01＜＜cBit) == 0)
{
DATAIN = 0;
}
else
{
DATAIN = 1;
}
CLK = 0;
CLK = 1;
}
}
UPDATE = 0;
UPDATE = 1;
}
如果需要多個AD8113器件級聯，則一次更改的切換矩陣的比特數為80和器件數的乘積。該系統已成功地應用在多個煤礦監測監控系統中。該系統具有設計簡單、使用方便、可靠性高、實用性好等優點，也可以使用在其它需要視頻切換的場合。
參考文獻
1 魏雄，于理富，盧力等.寬帶視頻切換集成電路AD8110/AD8111. 電子技術，2002(7)：55～57
2 韓春梅.基于MAX456的視頻切換矩陣設計.電視技術，2004(3)：91～93