256%26#215;32大容量中文矩阵系统的设计

摘要：介绍了基于模块式结构的256%26;#215;32大容量中文矩阵系统的设计方法，叙述了系统的主要功能，讨论了MAX4358的性能特点及使用方法，同时概括了软、硬件设计时应注意的几个问题。 关键词：矩阵系统 模块式结构 汉字叠加 MAX4358 近年来，视频监控系统已广泛应用于工业、商业、金融、交通这、公安、军事及住宅小区等社会生活的各个方面，矩阵系统作为视频监控系统的核心正发挥着越来越重要的应用。通常一个矩阵系统应包括以下基本功能：视频信号切换、字符信号叠加、解码器接口以控制云台和摄像机镜头的动作、报警器接口对预设的报警点进行报警、通过RS-232与PC机串行通信以及控制音频箱进行视音频监控等功能。对国内用户来说，字符叠加应为全中文，以方便不懂英文的操作人员。矩阵系统的发展方向应是多功能、大容量、可联网以及可进行远程切换。对目前国内用户来说，容量为256%26;#215;32的矩阵系统已基本满足需要，即使将来个别用户需要更大容量的矩阵系统，也可以通过将两台或多台256%26;#215;32的矩阵系统级联来实现。另外，为了适应不同的用户对矩阵系统容量的要求，所设计的矩阵系统应是模块化和即插即用（PnP）型的，即所设计的256%26;#215;32矩阵系统应可方便地变为256%26;#215;16、128%26;#215;32、128%26;#215;16等不同容量的组合。一般而言矩阵系统的容量达到64%26;#215;16即为大容量矩阵。矩阵容量越大，所需技术水平越高，设计难度也越大。 1 系统组成及主要功能 1.1 系统组成 系统组成方框图如图1所示。 1.2 主要功能 （1）输入视频信号是多可达256路，输出视频信号为32路。任一路视频输出信号可叠加汉字字符、时间日期、设备符等提示符，系统运行状态一目了然。系统可与音频扩展箱相连，以满足视音频监控的需要。 （2）系统最多可接16个键盘；通过解码器，系统可控制云台、摄像机等的动作，最多可接256个解码器。采用RS-485双绞线串行通信方式，通信距离长达几公里。 （3）报警探头通过报警器与系统连接。系统最多可接16台报警器，每台报警器控制16个报警控探头，因而系统最多可控制256个报警探头，最多可存储512个报警记录。 （4）可通过RS-232与PC机中行通讯，PC机可采集报警记录及传送系统所需的相关资料。 （5）多台矩阵系统之间可级连，实现联网功能，并可实行远程切换。 2 各部分的硬件结构 2.1 主板 主板方框图如图2所示。 （1）由于该系统功能很多，程序超过32K，因而选用内部FLASH ROM为64KB的8位单片机MSU2964。该单片机的主要特点为：内部RAM为256字节，工作电压为4.5V～5.5V，具有空闲和掉电两种工作模式；可在16/25/40MHz三种时钟频率下工作，有8位无符号乘法和除法指令，其余与80C51系列单片机兼容。MSU2964具有乘除法指令，给软件编程带来了很大的方便；另外64KB的FLASH ROM也为以后的软件升级留下了余地。 （2）由于MSU2964无看门狗功能， 为了防止系统死机，需要外加看门狗电路。 另外，为了避免电源电压降低时，CPU错误地执行指令导致系统参数被非法修改等情况，需要给系统增加电源监控电路，使CPU在电源电压低于某一值时停止工作，处于复位状态，待电压恢复正常后，CPU再脱离复位状态，进入正常工作状态；在系统上电时，还需给CPU提供可靠的复位信号，这些功能均由MAX813来完成。MAX813的主要功能如下：①系统上电、掉电以及供电电压降低时，第7脚产生复位输出，高电平有效；②看门狗电路输出，如果在1.6秒内没有触发该电路（即第6脚无脉冲输入）则第8脚输出一个低电平；③手动复位输入，低有效，即第1脚输入一个低电平，则第7脚产生复位输出。 实际应用时，将第7脚接CPU的复位脚，第1脚与第8脚相连，第6脚与CPU的P1.0相连。在软件设计中，P1.0不断输出脉冲信号。如系统死机导致P1.0无脉冲信号输出，则1.6秒后在MAX813的第8脚输出低电平。该低电平加到第1脚，使MAX813产生复位输出，使CPU有效复位，摆脱死循环的困境。另外当电源电压低于门限值4.65V时，MAX813也产生复位输出，使CPU不执行任何直至电源电压恢复正常。 （3）由于视频信号要叠加时间、日期信息，报警记录也需要系统能提供时间、日期，因而系统必须有时钟芯片。另外系统要存储128张切换表（每张约占0.5K字节的存储空间）及监视器、报警记录等各种资料。因而，系统需要至少64K字节的存储器。为此，选用DS1248作为时钟及存储器。DS1248是一具有灵式（Phantom）时钟的128K%26;#215;8 NV SRAM。它提供嵌入式RTC和全静态非挥发性RAM。NV SRAM的操作和原来的SRAM一样。时钟操作方法如下：通过D0脚连续串行输入预设的8字节（64bits），再串行写入或读出时间、日期信息（8个字节）。编程时，可将NVSRAM的最后一个字节地址（1FFFF）定义为时钟地址，这样读写时钟跟读写SRAM一样可使用并行数据传送指令。此时NVSRAM的最后一个字节空间（1FFFF）不能作RAM用。 （4）接口电路1主要由MAX483、MAX3082、MAX232及P89C2051等芯片组成，完成CPU对键盘、报警器、解码器、PC机及打印机的控制。 （5）接口电路2主要由8155接口芯片及74LS138译码器组成，用来实现对视频矩阵切换芯片及音频矩阵切换芯片的控制。 （6）主板上有12个插槽，每个插槽可插一块视频输入插板或输出插板。其中8个插槽用于视频信号的输入及切换，每块视频输入插板可输入32路视频信号；另外4个插槽用于汉字叠加及输出视频信号，每块4个插槽用于汉字叠加及输出视频信号，每块视频输出插板可输出8路已叠加好时间日期及其它中文信息的视频信号。 （7）由于开关电源不需要沉重的电源变压器，具体体积小、重量轻、效率高的优点，因而主板上的电源采用开关电源。在设计时要注意开关电源的抗干扰性能，尽量减少开关电源产生的干扰。 2.2 视频切换模块 视频切换方框图如图3所示。选用MAXIM公司最新推出的MAX4358做为视频矩阵切换芯片。16片MAX4358完成256%26;#215;32视频矩阵切换。2片MAX4358组成一块视频输入插板，其中第1片和第9片组成第一块视频输入插板，第2片第第10片组成第二块视频输入插板，依此类推，第8片和第16片组成第八块视频输入插板。每块视频输入插板完成32路视频信号输入、16或32路视频信号切换输出。如果系统只需16路视频输出，则每块视频输入插板只需一片MAX4358。MAX4358的主要特点如下：①其输出均带缓冲放大，工作电压可选择%26;#177;3V、%26;#177;5V或+5V；既可对16个输出一起编程，也可以对某个输出单独编程。②其输出缓冲器的增益可编程设定为Av=+1V/V或+2V/V；当某输出端设定为禁止输出时，对外呈现高阻态，因而，多片MAX4358的输出端可直接用导线并接以组成大容量切换矩阵。③它的最小串扰为-62dB，6MHz时的隔离度为-110dB，微分增益为0.05%，微分相位为0.1度，功率消耗为195mW，工作温度为-40℃～+85℃，它可直接驱动75Ω视频负载。显然，该芯片的性能要优于目前常用的矩阵切换芯片如MT8816或MAX4456。④上电复位后，所有的输出均初始化成禁止状态，以避免大容量系统中MAX4358的输出互相干扰。 MAX4358有两种矩阵开关编程模式，分别称为模式0和模式1。模式0可对单个输出通道编程，模式1可一次性对16个输出通道编程。本设计选模式1，该模式的编程数据包含112位，每个输出通道占7位。软件编程时应特别注意：编程数据串行输入时，第15输出通道的数据先输入，然后是第14输出通道，最后是第0输出通道的数据，且高位在前，低位在后。 2.3 汉字叠加、缓冲放大模块 由视频切换模块输出的32位视频信号分别加到4块视频输出插板上。每块视频输出插板将8路视频信号叠加上汉字、时间日期信息， 然后经缓冲放大后输出到8个监视器。每路视频信号的叠加及缓冲放大电路均是一样的，图4为第一路视频汉字叠加缓冲放大原理图。 （1）图4中同步分离由LM1881完成，分离出复合同步信号送到字符叠加芯片供字符叠加使用。 （2）汉字叠加由MB90092芯片来完成。该芯片可外接2M字节的ROM，支持24%26;#215;32点阵显示方式，可在屏幕上叠加12%26;#215;24个汉字。它有视频信号输入脚，在其内部可完成视频信号与汉字信号的叠加，直接输出复合视频信号。MB90092内部可自行产生同步信号，无需外加视频信号和同步信号，可直接输出汉字信号至监视器，在监视器上显示不同背景颜色、不同汉字颜色的文本，可利用此特点来设计系统的设置菜单。字库芯片采用AT27C080，该芯片的存储容量为1M字节，可存储8K汉字。国标所规定的1、2级汉字均可包含，每个字占用128字节。汉字占阵为24%26;#215;24。为适应MB90092，每个汉字的24～31字节、56～63字节、88～127字节应为空白。 （3）输出缓冲放大采用MAX470，该芯片内容4个相同的视频放大器。各输入端之间、各输出端之前均采用地线或电源线隔开，每块视频输出插板需要2片MAX470。该芯片的主要特点是：带宽为90MHz，增益为2V/V；微分增益为0.01%，微分相位0.03度；转换速率为300/μs，切换时间为20ns；5pF输入电容，输出可设定为高阻态以减少功率消耗。 3 系统软件设计 在系统软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于今后系统功能的升级。系统软件的主要流程如图5所示。其中初始化模块包括对矩阵切换芯片、8155接口芯片、字符叠加芯片等硬件的初始化；另外将断电前保存好的数据读入CPU的RAM中，以便系统复位后回到断电前的状态。视频切换处理模块是指按照预定的方式（如手动、自动、暂停等）对视频信号进行各种切换处理；资料设置模块由以下几个字设置模块组成：时间日期及密码、切换表、监视器、摄像机、报警器、键盘及音频；报警处理模块包含报警队列、报警记录的存储及报警声音的产生等。除了流程图中的各模块外，还有几个中断服务子程序，分别接收键盘输入、报警输入、串行通信及产生0.25秒时间间隔。 4 硬、软件设计应注意的几个问题 （1）使用DS1248应注意的问题 对DS1248进行时钟操作的方法是：先通过D0脚连续输入8个字节的命令，然后再连续定改或读出8个字节的时钟信息。在写入或读出过程中，不能再对存储器进行读写操作，否则会出现时钟存储器内容被非法修改的现象。基于此，时钟的复位脚（RST）不要与Vcc相连接，它应与CPU的I/O脚连接，每次上电复位后，由CPU给出一低电平，使DS1248复位。如果复位脚与Vcc相连，当系统热复位（此复位可由手动或看门狗电路产生）时，如果此时CPU对时钟的写入或读出仍未完成，那么复位后，任何对存储器的操作都将变为对时钟的操作（因为此时DS1248并未复位），导致意想不到的错误。 （2）使用MB90092应注意的问题 %26;#183;如果选择外同步方式，只有当外同步信号存在时，MB90092才能接受控制命令。为了防止当视频信号由“无”切换到“有”，监视器上产生字符丢失的情况，屏幕上叠加的所有字符每隔0.2秒更新一次。这样就不会发生字符丢失的现象。 %26;#183;上电复位后，为了有效设置屏幕及字体的各种属性、行距、显示位置等，先选择内同步方式，待设置完成后，再设定为外同步方式；否则，设置时如无外同步信号，所有的设置均为无效设置。 （3）由于视频信号频率较高、频带较宽，因而当两路视频信号相距较近时，容易产生串扰。为了尽量减少串扰，制板时做到了以下几点： %26;#183;各种视频信号间用较粗的地线隔开，视频走线尽量短而粗； %26;#183;模拟地和数字地分开，只在电源处相连； %26;#183;设计开关电源时，交流电与直流低压之间相距较远，且用地线隔开；直流低压与开关管的调整电路之间用光耦隔开。 该矩阵系统的主要特点是不仅系统本身可以级连，而且可以与电脑进行通信。在电脑上加一块视频卡，将矩阵系统的某一路输出连至视频卡，这样就可以在电脑显示屏上看到256路输入中的任一路图像。此时，可用电脑键盘代替矩阵系统键盘对系统进行各种操作（如控制云台及视频信号切换等），并且可通过Internet实行远程切换。另一方面，编写相应的电脑软件，可在电脑显示屏上画一电子地图，将各监控点及报警点标注在图上。这样一来，监控目标一目了然，可随时点击某监控点，调出该处的画面。如某报警点有报警发生，电子地图上相应的位置会闪烁，且可将报警信息及对应画面存入电脑硬盘（即硬盘录像）。 本系统采用了电源监控、看门狗芯片MAX813，基本上杜绝了系统在工作过程中的死机现象。另外，由于采用了最新的矩阵切换芯片MAX4358和带“幽灵”时钟的存储器芯片DS1248，节省了线路板的空间。简化了系统的硬件和软件设计、降低了成本、提高了系统的可靠性。