LPC2378和MAX4357在视频矩阵的应用

 

　　视频矩阵是指通过阵列切换的方法将m路视频信号任意输出至n路监看设备上的电子装置，一般情况下矩阵的输入大于输出即m>n.有一些视频矩阵也带有音频切换功能，能将视频和音频信号进行同步切换，这种矩阵也叫做视音频矩阵。目前的视频矩阵就其实现方法来说有模拟矩阵和数字矩阵两大类。视频矩阵一般用于各类监控场合。

　　简单的说，会议室中一般的输入设备很多：摄像头、DVD、VCR、实物展台、台式电脑以及很多的笔记本信号等等。而显示终端很少：投影机、等离子、大屏幕显示等。矩阵的作用就表现出来了，可以把提供信号源的设备的任意一路的信号送到任意一路的显示终端上，可以做到音频和视频同步或者不同步，随心所欲，方便，节约成本。常见的类型是根据接口类型划分（VGA、AV、RGB），当然还有混合矩阵，就是设备中不同的接口类型，还根据接口数量来划分，如8系列的有8进2出，8进4出，8进8出等

　　目前，国内使用的视频矩阵切换系统一般规模较小，并且大多数通过RS232串口连接的键盘来控制切换，实施远程操控很繁琐。为此，本设计采用恩智浦公司（NXP）基于ARM7的微控制器LPC2378与美信公司（MAXIM）视频矩阵切换芯片MAX4357构成嵌入式系统，在μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的支持下，实现了具有以太网接口的128路视频输入、16路视频输出的视频矩阵。这样，操作人员可以很直观地使用可视化的上位机，通过以太网对视频进行切换。在上位应用软件的支持下，该系统具有自动，循环切换视频的功能，并且可以通过网络通信的方式，在远端对各摄像机的云台实施操作。

　　LPC2378的特性

　　ARM7Kit（LPC2378）标配采用PHILIPS的LPC2378芯片，是一款性价比高的ARM7入门学习板。双串口，一个USB2.0接口，可接MMC卡（作U盘），作USB声卡（音质不错），LCD12232液晶接口，CAN总线CJA1050,100MRJ45网络接口。EEPROM存贮器AT24C16.MiniBus总线实验（IS63LV1024）。可以直接ISP在线（一键自动完成），这个是此学习板的一大特点，此实验板提供了丰富的LPC2378相关例程，无一遗漏。让你快速上手，缩短学习时间加速项目的开发进度，省下你更多的宝贵时间。

　　LPC2378包含了10/100 Ethernet MAC、USB 2.0全速接口、4个UART、2路CAN通道、1个SPI接口、2个同步串行端口（SSP）、3个I2C接口、1个I2S接口、MiniBus、4个通用定时器、10位A/D转换器、RTC、看门狗和104个通用I/O管脚。 LPC2378的特性如下：

　　32位ARM7TDMI-S内核结构；

　　72MHz操作频率（64MIPs）

　　多可达512kB片内Flash和58kB SRAM;

　　带DMA的10/100M 以太网 MAC接口；

　　接PHY芯片DM9161,经过隔离变压器YL18-2050S至rj45

　　带PHY和DMA的USB 2.0 full-speed器件接口；

　　两个CAN 2.0B通道；

　　通用DMA控制器；

　　I2S、3个I2C、3个SPI/SSP以及4个UARTs;

　　4MHz 内部RC （IRC）振荡器，可以调节到1%

　　LPC2378内部集成的Ethernet控制器使用RMII接口与外围电路PHY芯片（如DM9161A）进行通信，从而易于实现以太网通信功能。

　　MAX4357的功能特点

　　MAX4357其结构框图如图1所示。

 

图1  MAX4357结构框图

　　MAX4357是一款高度集成、带有输入/输出缓冲的32 x 16视频开关矩阵。该器件可以工作在±3V至±5V双电源或+5V单电源下。数字逻辑由独立的+2.7V至+5.5V电源供电。所有输入/输出都经过缓冲，所有输出都能驱动标准的75Ω反向端接的视频负载。

　　开关矩阵的配置和输出缓冲器的增益通过一个SPI?/QSPI?兼容的3线串行接口编程设置，并利用单一更新信号实现初始化。串行接口独特的两种工作模式方便了器件的快速更新与初始化。上电时所有输出均初始化为禁用状态，以避免在大阵列设置中出现输出冲突。

　　高度的柔性、高集成度和节省空间的封装使这种无阻塞矩阵开关特别适用于安全与视频点播系统中的视频信号路由选择。MAX4357采用128引脚TQFP封装，额定温度范围是-40°C至+85°C.

　　MAX4357数据和控制时序图如图2所示。

 

图2  MAX4357数据和控制时序图

　　MAX4357提供了2种编程模式：独立地址输出模式和完整矩阵模式。由MODE引脚的高低电平进行选择。

　　当MODE=0时，DOUT与DIN直接连接，16位控制系列字同时发送给所有芯片，只有A3~A0和此16位系列控制字中D14~D11被编程。16位控制字的组成如图3所示。

 

 图3 模式0的16位控制字

　　当MODE=1时，由16个7位组成的112位的控制字用来控制所有的输出。112位控制字的组成如图4所示。112位的控制字的个7位控制字对应输出15的编程，的7位控制字对应输出0的编程。当UPDATE的下降沿时，串行输入的112位控制字放入112位完整矩阵模式存储器中，所有的输出被更新。对于一个由n块MAX4357组成的大型矩阵，这些芯片可以被一串Nx112位的串行数据流编程。

 

图4 模式1的112位控制字

　　128X16视频矩阵的组成

　　本设计采用了4片MAX4357组成一个视频切换矩阵，从而完成128路视频输入、16路视频输出的视频切换。其连接方式如图5所示。

图5 4片MAX4357组成32X16视频矩阵的连接

　　将各MAX4357输出的对应引脚并联连接，当其中一块MAX4357某一编号的引脚被使能时候，其他芯片的对应引脚将被设置为不使能状态，以确保视频切换时输出不发生冲突。

　　在刚上电的时候，所有的输出引脚都初始化成禁止状态，防止发生输出冲突。

　　本视频矩阵MAX4357与LPC2378的连接如图6所示。每块MAX4357的DOUT与相邻芯片的DIN相连接，而块MAX4357的DIN引脚连接LPC2378上的P2.0端口，获得控制命令，控制字能够通过串行移位的方式发送到4片MAX4357.LPC2378上的P2.1?P2.4引脚分别连接每一块矩阵芯片的SCLK、CE、MODE、UPDATE,给每片MAX4357提供控制时钟信号、片选信号、模式选择信号、复位信号，从而实现对于视频矩阵切换阵列的片选、视频切换模式、复位和矩阵切换等控制。

 

图6 视频矩阵MAX4357与LPC2378的连接图

　　视频矩阵总体设计

　　视频矩阵总体框图如图7所示。

 

图7 视频矩阵总体框图

　　静态随机存储器SRAM和闪存FLASH采用总线连接方式与LPC2378相连。

　　LPC2300系列ARM7微控制器芯片内部集成一个功能齐全的10Mb/100Mb以太网MAC控制器，这个以太网MAC通过使用加速的DMA硬件来提供优化的性能。以太网模块与使用RMIII的片外以太网PHY通过MIIM（媒体独立接口管理）串行总线进行连接，因此只需接一个以太网PHY（物理层）接口芯片DM9161A和状态指示灯、网络变压器、匹配电阻、高压电容和RJ45插座等相关电路即能实现以太网通信功能。

　　摄像机云台通过RS-485通信来实施控制，RS-485总线通信可使用LPC2378的UART3来实现；RS-485收发器选用RSM485系列隔离收发器模块，该模块集成电源隔离、电气隔离、RS-485 接口芯片，总线保护器件于一身，具有很好的隔离特性。

　　由于篇幅限制，有关电源电路、复位系统、调试端口等不一一赘述。

　　视频矩阵控制字发送软件设计

 

图8  控制字发送处理软件流程图

　　该视频矩阵控制字发送软件流程如图8所示。视频矩阵将通过以太网传输来的控制字存储在控制命令数据缓存区，根据控制模式的要求，选择模式0或模式1发送。