256%26#215;32大容量中文矩陣系統的設計

摘要：介紹了基于模塊式結構的256%26;#215;32大容量中文矩陣系統的設計方法，敘述了系統的主要功能，討論了MAX4358的性能特點(diǎn)及使用方法，同時(shí)概括了軟、硬件設計時(shí)應注意的幾個(gè)問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：矩陣系統 模塊式結構 漢字疊加 MAX4358 近年來(lái)，視頻監控系統已廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)、金融、交通這、公安、軍事及住宅小區等社會(huì )生活的各個(gè)方面，矩陣系統作為視頻監控系統的核心正發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的應用。通常一個(gè)矩陣系統應包括以下基本功能：視頻信號切換、字符信號疊加、解碼器接口以控制云臺和攝像機鏡頭的動(dòng)作、報警器接口對預設的報警點(diǎn)進(jìn)行報警、通過(guò)RS-232與PC機串行通信以及控制音頻箱進(jìn)行視音頻監控等功能。對國內用戶(hù)來(lái)說(shuō)，字符疊加應為全中文，以方便不懂英文的操作人員。矩陣系統的發(fā)展方向應是多功能、大容量、可聯(lián)網(wǎng)以及可進(jìn)行遠程切換。對目前國內用戶(hù)來(lái)說(shuō)，容量為256%26;#215;32的矩陣系統已基本滿(mǎn)足需要，即使將來(lái)個(gè)別用戶(hù)需要更大容量的矩陣系統，也可以通過(guò)將兩臺或多臺256%26;#215;32的矩陣系統級聯(lián)來(lái)實(shí)現。另外，為了適應不同的用戶(hù)對矩陣系統容量的要求，所設計的矩陣系統應是模塊化和即插即用（PnP）型的，即所設計的256%26;#215;32矩陣系統應可方便地變?yōu)?56%26;#215;16、128%26;#215;32、128%26;#215;16等不同容量的組合。一般而言矩陣系統的容量達到64%26;#215;16即為大容量矩陣。矩陣容量越大，所需技術(shù)水平越高，設計難度也越大。 1 系統組成及主要功能 1.1 系統組成 系統組成方框圖如圖1所示。1.2 主要功能 （1）輸入視頻信號是多可達256路，輸出視頻信號為32路。任一路視頻輸出信號可疊加漢字字符、時(shí)間日期、設備符等提示符，系統運行狀態(tài)一目了然。系統可與音頻擴展箱相連，以滿(mǎn)足視音頻監控的需要。 （2）系統最多可接16個(gè)鍵盤(pán)；通過(guò)解碼器，系統可控制云臺、攝像機等的動(dòng)作，最多可接256個(gè)解碼器。采用RS-485雙絞線(xiàn)串行通信方式，通信距離長(cháng)達幾公里。 （3）報警探頭通過(guò)報警器與系統連接。系統最多可接16臺報警器，每臺報警器控制16個(gè)報警控探頭，因而系統最多可控制256個(gè)報警探頭，最多可存儲512個(gè)報警記錄。 （4）可通過(guò)RS-232與PC機中行通訊，PC機可采集報警記錄及傳送系統所需的相關(guān)資料。 （5）多臺矩陣系統之間可級連，實(shí)現聯(lián)網(wǎng)功能，并可實(shí)行遠程切換。 2 各部分的硬件結構 2.1 主板 主板方框圖如圖2所示。 （1）由于該系統功能很多，程序超過(guò)32K，因而選用內部FLASH ROM為64KB的8位單片機MSU2964。該單片機的主要特點(diǎn)為：內部RAM為256字節，工作電壓為4.5V～5.5V，具有空閑和掉電兩種工作模式；可在16/25/40MHz三種時(shí)鐘頻率下工作，有8位無(wú)符號乘法和除法指令，其余與80C51系列單片機兼容。MSU2964具有乘除法指令，給軟件編程帶來(lái)了很大的方便；另外64KB的FLASH ROM也為以后的軟件升級留下了余地。 （2）由于MSU2964無(wú)看門(mén)狗功能，為了防止系統死機，需要外加看門(mén)狗電路。 另外，為了避免電源電壓降低時(shí)，CPU錯誤地執行指令導致系統參數被非法修改等情況，需要給系統增加電源監控電路，使CPU在電源電壓低于某一值時(shí)停止工作，處于復位狀態(tài)，待電壓恢復正常后，CPU再脫離復位狀態(tài)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)；在系統上電時(shí)，還需給CPU提供可靠的復位信號，這些功能均由MAX813來(lái)完成。MAX813的主要功能如下：①系統上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第7腳產(chǎn)生復位輸出，高電平有效；②看門(mén)狗電路輸出，如果在1.6秒內沒(méi)有觸發(fā)該電路（即第6腳無(wú)脈沖輸入）則第8腳輸出一個(gè)低電平；③手動(dòng)復位輸入，低有效，即第1腳輸入一個(gè)低電平，則第7腳產(chǎn)生復位輸出。 實(shí)際應用時(shí)，將第7腳接CPU的復位腳，第1腳與第8腳相連，第6腳與CPU的P1.0相連。在軟件設計中，P1.0不斷輸出脈沖信號。如系統死機導致P1.0無(wú)脈沖信號輸出，則1.6秒后在MAX813的第8腳輸出低電平。該低電平加到第1腳，使MAX813產(chǎn)生復位輸出，使CPU有效復位，擺脫死循環(huán)的困境。另外當電源電壓低于門(mén)限值4.65V時(shí)，MAX813也產(chǎn)生復位輸出，使CPU不執行任何直至電源電壓恢復正常。 （3）由于視頻信號要疊加時(shí)間、日期信息，報警記錄也需要系統能提供時(shí)間、日期，因而系統必須有時(shí)鐘芯片。另外系統要存儲128張切換表（每張約占0.5K字節的存儲空間）及監視器、報警記錄等各種資料。因而，系統需要至少64K字節的存儲器。為此，選用DS1248作為時(shí)鐘及存儲器。DS1248是一具有靈式（Phantom）時(shí)鐘的128K%26;#215;8 NV SRAM。它提供嵌入式RTC和全靜態(tài)非揮發(fā)性RAM。NV SRAM的操作和原來(lái)的SRAM一樣。時(shí)鐘操作方法如下：通過(guò)D0腳連續串行輸入預設的8字節（64bits），再串行寫(xiě)入或讀出時(shí)間、日期信息（8個(gè)字節）。編程時(shí)，可將NVSRAM的最后一個(gè)字節地址（1FFFF）定義為時(shí)鐘地址，這樣讀寫(xiě)時(shí)鐘跟讀寫(xiě)SRAM一樣可使用并行數據傳送指令。此時(shí)NVSRAM的最后一個(gè)字節空間（1FFFF）不能作RAM用。 （4）接口電路1主要由MAX483、MAX3082、MAX232及P89C2051等芯片組成，完成CPU對鍵盤(pán)、報警器、解碼器、PC機及打印機的控制。 （5）接口電路2主要由8155接口芯片及74LS138譯碼器組成，用來(lái)實(shí)現對視頻矩陣切換芯片及音頻矩陣切換芯片的控制。（6）主板上有12個(gè)插槽，每個(gè)插槽可插一塊視頻輸入插板或輸出插板。其中8個(gè)插槽用于視頻信號的輸入及切換，每塊視頻輸入插板可輸入32路視頻信號；另外4個(gè)插槽用于漢字疊加及輸出視頻信號，每塊4個(gè)插槽用于漢字疊加及輸出視頻信號，每塊視頻輸出插板可輸出8路已疊加好時(shí)間日期及其它中文信息的視頻信號。 （7）由于開(kāi)關(guān)電源不需要沉重的電源變壓器，具體體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)，因而主板上的電源采用開(kāi)關(guān)電源。在設計時(shí)要注意開(kāi)關(guān)電源的抗干擾性能，盡量減少開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾。 2.2 視頻切換模塊 視頻切換方框圖如圖3所示。選用MAXIM公司最新推出的MAX4358做為視頻矩陣切換芯片。16片MAX4358完成256%26;#215;32視頻矩陣切換。2片MAX4358組成一塊視頻輸入插板，其中第1片和第9片組成第一塊視頻輸入插板，第2片第第10片組成第二塊視頻輸入插板，依此類(lèi)推，第8片和第16片組成第八塊視頻輸入插板。每塊視頻輸入插板完成32路視頻信號輸入、16或32路視頻信號切換輸出。如果系統只需16路視頻輸出，則每塊視頻輸入插板只需一片MAX4358。MAX4358的主要特點(diǎn)如下：①其輸出均帶緩沖放大，工作電壓可選擇%26;#177;3V、%26;#177;5V或+5V；既可對16個(gè)輸出一起編程，也可以對某個(gè)輸出單獨編程。②其輸出緩沖器的增益可編程設定為Av=+1V/V或+2V/V；當某輸出端設定為禁止輸出時(shí)，對外呈現高阻態(tài)，因而，多片MAX4358的輸出端可直接用導線(xiàn)并接以組成大容量切換矩陣。③它的最小串擾為-62dB，6MHz時(shí)的隔離度為-110dB，微分增益為0.05%，微分相位為0.1度，功率消耗為195mW，工作溫度為-40℃～+85℃，它可直接驅動(dòng)75Ω視頻負載。顯然，該芯片的性能要優(yōu)于目前常用的矩陣切換芯片如MT8816或MAX4456。④上電復位后，所有的輸出均初始化成禁止狀態(tài)，以避免大容量系統中MAX4358的輸出互相干擾。 MAX4358有兩種矩陣開(kāi)關(guān)編程模式，分別稱(chēng)為模式0和模式1。模式0可對單個(gè)輸出通道編程，模式1可一次性對16個(gè)輸出通道編程。本設計選模式1，該模式的編程數據包含112位，每個(gè)輸出通道占7位。軟件編程時(shí)應特別注意：編程數據串行輸入時(shí)，第15輸出通道的數據先輸入，然后是第14輸出通道，最后是第0輸出通道的數據，且高位在前，低位在后。 2.3 漢字疊加、緩沖放大模塊 由視頻切換模塊輸出的32位視頻信號分別加到4塊視頻輸出插板上。每塊視頻輸出插板將8路視頻信號疊加上漢字、時(shí)間日期信息，然后經(jīng)緩沖放大后輸出到8個(gè)監視器。每路視頻信號的疊加及緩沖放大電路均是一樣的，圖4為第一路視頻漢字疊加緩沖放大原理圖。 （1）圖4中同步分離由LM1881完成，分離出復合同步信號送到字符疊加芯片供字符疊加使用。 （2）漢字疊加由MB90092芯片來(lái)完成。該芯片可外接2M字節的ROM，支持24%26;#215;32點(diǎn)陣顯示方式，可在屏幕上疊加12%26;#215;24個(gè)漢字。它有視頻信號輸入腳，在其內部可完成視頻信號與漢字信號的疊加，直接輸出復合視頻信號。MB90092內部可自行產(chǎn)生同步信號，無(wú)需外加視頻信號和同步信號，可直接輸出漢字信號至監視器，在監視器上顯示不同背景顏色、不同漢字顏色的文本，可利用此特點(diǎn)來(lái)設計系統的設置菜單。字庫芯片采用AT27C080，該芯片的存儲容量為1M字節，可存儲8K漢字。國標所規定的1、2級漢字均可包含，每個(gè)字占用128字節。漢字占陣為24%26;#215;24。為適應MB90092，每個(gè)漢字的24～31字節、56～63字節、88～127字節應為空白。 （3）輸出緩沖放大采用MAX470，該芯片內容4個(gè)相同的視頻放大器。各輸入端之間、各輸出端之前均采用地線(xiàn)或電源線(xiàn)隔開(kāi)，每塊視頻輸出插板需要2片MAX470。該芯片的主要特點(diǎn)是：帶寬為90MHz，增益為2V/V；微分增益為0.01%，微分相位0.03度；轉換速率為300/μs，切換時(shí)間為20ns；5pF輸入電容，輸出可設定為高阻態(tài)以減少功率消耗。 3 系統軟件設計 在系統軟件設計中，采用模塊化設計方法，使得程序結構清晰，便于今后系統功能的升級。系統軟件的主要流程如圖5所示。其中初始化模塊包括對矩陣切換芯片、8155接口芯片、字符疊加芯片等硬件的初始化；另外將斷電前保存好的數據讀入CPU的RAM中，以便系統復位后回到斷電前的狀態(tài)。視頻切換處理模塊是指按照預定的方式（如手動(dòng)、自動(dòng)、暫停等）對視頻信號進(jìn)行各種切換處理；資料設置模塊由以下幾個(gè)字設置模塊組成：時(shí)間日期及密碼、切換表、監視器、攝像機、報警器、鍵盤(pán)及音頻；報警處理模塊包含報警隊列、報警記錄的存儲及報警聲音的產(chǎn)生等。除了流程圖中的各模塊外，還有幾個(gè)中斷服務(wù)子程序，分別接收鍵盤(pán)輸入、報警輸入、串行通信及產(chǎn)生0.25秒時(shí)間間隔。 4 硬、軟件設計應注意的幾個(gè)問(wèn)題 （1）使用DS1248應注意的問(wèn)題 對DS1248進(jìn)行時(shí)鐘操作的方法是：先通過(guò)D0腳連續輸入8個(gè)字節的命令，然后再連續定改或讀出8個(gè)字節的時(shí)鐘信息。在寫(xiě)入或讀出過(guò)程中，不能再對存儲器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，否則會(huì )出現時(shí)鐘存儲器內容被非法修改的現象?；诖?，時(shí)鐘的復位腳（RST）不要與Vcc相連接，它應與CPU的I/O腳連接，每次上電復位后，由CPU給出一低電平，使DS1248復位。如果復位腳與Vcc相連，當系統熱復位（此復位可由手動(dòng)或看門(mén)狗電路產(chǎn)生）時(shí)，如果此時(shí)CPU對時(shí)鐘的寫(xiě)入或讀出仍未完成，那么復位后，任何對存儲器的操作都將變?yōu)閷r(shí)鐘的操作（因為此時(shí)DS1248并未復位），導致意想不到的錯誤。 （2）使用MB90092應注意的問(wèn)題 %26;#183;如果選擇外同步方式，只有當外同步信號存在時(shí)，MB90092才能接受控制命令。為了防止當視頻信號由“無(wú)”切換到“有”，監視器上產(chǎn)生字符丟失的情況，屏幕上疊加的所有字符每隔0.2秒更新一次。這樣就不會(huì )發(fā)生字符丟失的現象。 %26;#183;上電復位后，為了有效設置屏幕及字體的各種屬性、行距、顯示位置等，先選擇內同步方式，待設置完成后，再設定為外同步方式；否則，設置時(shí)如無(wú)外同步信號，所有的設置均為無(wú)效設置。 （3）由于視頻信號頻率較高、頻帶較寬，因而當兩路視頻信號相距較近時(shí)，容易產(chǎn)生串擾。為了盡量減少串擾，制板時(shí)做到了以下幾點(diǎn)： %26;#183;各種視頻信號間用較粗的地線(xiàn)隔開(kāi)，視頻走線(xiàn)盡量短而粗； %26;#183;模擬地和數字地分開(kāi)，只在電源處相連； %26;#183;設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，交流電與直流低壓之間相距較遠，且用地線(xiàn)隔開(kāi)；直流低壓與開(kāi)關(guān)管的調整電路之間用光耦隔開(kāi)。該矩陣系統的主要特點(diǎn)是不僅系統本身可以級連，而且可以與電腦進(jìn)行通信。在電腦上加一塊視頻卡，將矩陣系統的某一路輸出連至視頻卡，這樣就可以在電腦顯示屏上看到256路輸入中的任一路圖像。此時(shí)，可用電腦鍵盤(pán)代替矩陣系統鍵盤(pán)對系統進(jìn)行各種操作（如控制云臺及視頻信號切換等），并且可通過(guò)Internet實(shí)行遠程切換。另一方面，編寫(xiě)相應的電腦軟件，可在電腦顯示屏上畫(huà)一電子地圖，將各監控點(diǎn)及報警點(diǎn)標注在圖上。這樣一來(lái)，監控目標一目了然，可隨時(shí)點(diǎn)擊某監控點(diǎn)，調出該處的畫(huà)面。如某報警點(diǎn)有報警發(fā)生，電子地圖上相應的位置會(huì )閃爍，且可將報警信息及對應畫(huà)面存入電腦硬盤(pán)（即硬盤(pán)錄像）。 本系統采用了電源監控、看門(mén)狗芯片MAX813，基本上杜絕了系統在工作過(guò)程中的死機現象。另外，由于采用了最新的矩陣切換芯片MAX4358和帶“幽靈”時(shí)鐘的存儲器芯片DS1248，節省了線(xiàn)路板的空間。簡(jiǎn)化了系統的硬件和軟件設計、降低了成本、提高了系統的可靠性。