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256×32大容量中文矩陣系統(tǒng)的設計
摘要：介紹了基于模塊式結構的256×32大容量中文矩陣系統(tǒng)的設計方法，敘述了系統(tǒng)的主要功能，討論了MAX4358的性能特點及使用方法，同時概括了軟、硬件設計時應注意的幾個問題。關鍵詞：矩陣系統(tǒng) 模塊式結構 漢字疊加 MAX4358
近年來，視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(qū)等社會生活的各個方面，矩陣系統(tǒng)作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心正發(fā)揮著越來越重要的應用。通常一個矩陣系統(tǒng)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作、報警器接口對預設的報警點進行報警、通過RS-232與PC機串行通信以及控制音頻箱進行視音頻監(jiān)控等功能。對國內(nèi)用戶來說，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(tǒng)的發(fā)展方向應是多功能、大容量、可聯(lián)網(wǎng)以及可進行遠程切換。對目前國內(nèi)用戶來說，容量為256×32的矩陣系統(tǒng)已基本滿足需要，即使將來個別用戶需要更大容量的矩陣系統(tǒng)，也可以通過將兩臺或多臺256×32的矩陣系統(tǒng)級聯(lián)來實現(xiàn)。另外，為了適應不同的用戶對矩陣系統(tǒng)容量的要求，所設計的矩陣系統(tǒng)應是模塊化和即插即用（PnP）型的，即所設計的256×32矩陣系統(tǒng)應可方便地變?yōu)?56×16、128×32、128×16等不同容量的組合。一般而言矩陣系統(tǒng)的容量達到64×16即為大容量矩陣。矩陣容量越大，所需技術水平越高，設計難度也越大。
1 系統(tǒng)組成及主要功能
1.1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。
(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)
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、時間日期、設備符等提示符，系統(tǒng)運行狀態(tài)一目了然。系統(tǒng)可與音頻擴展箱相連，以滿足視音頻監(jiān)控的需要。
（2）系統(tǒng)最多可接16個鍵盤；通過解碼器，系統(tǒng)可控制云臺、攝像機等的動作，最多可接256個解碼器。采用RS-485雙絞線串行通信方式，通信距離長達幾公里。
（3）報警探頭通過報警器與系統(tǒng)連接。系統(tǒng)最多可接16臺報警器，每臺報警器控制16個報警控探頭，因而系統(tǒng)最多可控制256個報警探頭，最多可存儲512個報警記錄。
（4）可通過RS-232與PC機中行通訊，PC機可采集報警記錄及傳送系統(tǒng)所需的相關資料。
（5）多臺矩陣系統(tǒng)之間可級連，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，并可實行遠程切換。
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(tǒng)功能很多，程序超過32K，因而選用內(nèi)部FLASH ROM為64KB的8位單片機MSU2964。該單片機的主要特點為：內(nèi)部RAM為256字節(jié)，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三種時鐘頻率下工作，有8位無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無看門狗功能，為了防止系統(tǒng)死機，需要外加看門狗電路。
另外，為了避免電源電壓降低時，CPU錯誤地執(zhí)行指令導致系統(tǒng)參數(shù)被非法修改等情況，需要給系統(tǒng)增加電源監(jiān)控電路，使CPU在電源電壓低于某一值時停止工作，處于復位狀態(tài)，待電壓恢復正常后，CPU再脫離復位狀態(tài)，進入正常工作狀態(tài)；在系統(tǒng)上電時，還需給CPU提供可靠的復位信號，這些功能均由MAX813來完成。MAX813的主要功能如下：①系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時，第7腳產(chǎn)生復位輸出，高電平有效；②看門狗電路輸出，如果在1.6秒內(nèi)沒有觸發(fā)該電路（即第6腳無脈沖輸入）則第8腳輸出一個低電平；③手動復位輸入，低有效，即第1腳輸入一個低電平，則第7腳產(chǎn)生復位輸出。
實際應用時，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(tǒng)死機導致P1.0無脈沖信號輸出，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限值4.65V時，MAX813也產(chǎn)生復位輸出，使CPU不執(zhí)行任何直至電源電壓恢復正常。
（3）由于視頻信號要疊加時間、日期
信息，報警記錄也需要系統(tǒng)能提供時間、日期，因而系統(tǒng)必須有時鐘芯片。另外系統(tǒng)要存儲128張切換表（每張約占0.5K字節(jié)的存儲空間）及監(jiān)視器、報警記錄等各種資料。因而，系統(tǒng)需要至少64K字節(jié)的存儲器。為此，選用DS1248作為時鐘及存儲器。DS1248是一具有靈式（Phantom）時鐘的128K×8 NV SRAM。它提供嵌入式RTC和全靜態(tài)非揮發(fā)性RAM。NV SRAM的操作和原來的SRAM一樣。時鐘操作方法如下：通過D0腳連續(xù)串行輸入預設的8字節(jié)（64bits），再串行寫入或讀出時間、日期信息（8個字節(jié)）。編程時，可將NVSRAM的最后一個字節(jié)地址（1FFFF）定義為時鐘地址，這樣讀寫時鐘跟讀寫SRAM一樣可使用并行數(shù)據(jù)傳送指令。此時NVSRAM的最后一個字節(jié)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、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，用來實現(xiàn)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個插槽，每個插槽可插一塊視頻輸入插板或輸出插板。其中8個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個插槽用于漢字疊加及輸出視頻信號，每塊4個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路已疊加好時間日期及其它中文信息的視頻信號。
（7）由于開關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，因而主板上的電源采用開關電源。在設計時要注意開關電源的抗干擾性能，盡量減少開關電源產(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256×32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(tǒng)只需16路視頻輸出，則每塊視頻輸入插板只需一片MAX4358。MAX4358的主要特點如下：①其輸出均帶緩沖放大，工作電壓可選擇±3V、±5V或+5V；既可對16個輸出一起編程，也可以對某個輸出單獨編程。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，對外呈現(xiàn)高阻態(tài)，因而，多片MAX4358的輸出端可直接用導線并接以組成大容量切換矩陣。③它的最小串擾為-62dB，6MHz時的隔離度為-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(tǒng)中MAX4358的輸出互相干擾。
MAX4358有兩種矩陣開關編程模式，分別稱為模式0和模式1。模式0可對單個輸出通道編程，模式1可一次性對16個輸出通道編程。本設計選模式1，該模式的編程數(shù)據(jù)包含112位，每個輸出通道占7位。軟件編程時應特別注意：編程數(shù)據(jù)串行輸入時，第15輸出通道的數(shù)據(jù)先輸入，然后是第14輸出通道，最后是第0輸出通道的數(shù)據(jù)，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、時間日期信息，然后經(jīng)緩沖放大后輸出到8個監(jiān)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芯片來完成。該芯片可外接2M字節(jié)的ROM，支持24×32點陣顯示方式，可在屏幕上疊加12×24個漢字。它有視頻信號輸入腳，在其內(nèi)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(nèi)部可自行產(chǎn)生同步信號，無需外加視頻信號和同步信號，可直接輸出漢字信號至監(jiān)視器，在監(jiān)視器上顯示不同背景顏色、不同漢字顏色的文本，可利用此特點來設計系統(tǒng)的設置菜單。字庫芯片采用AT27C080，該芯片的存儲容量為1M字節(jié)，可存儲8K漢字。國標所規(guī)定的1、2級漢字均可包含，每個字占用128字節(jié)。漢字占陣為24×24。為適應MB90092，每個漢字的24～31字節(jié)、56～63字節(jié)、88～127字節(jié)應為空白。
（3）輸出緩沖放大采用MAX470，該芯片內(nèi)容4個相同的視頻放大器。各輸入端之間、各輸出端之前均采用地線或電源線隔開，每塊視頻輸出插板需要2片MAX470。該芯片的主要特點是：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(tǒng)軟件設計
在系統(tǒng)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(tǒng)功能的升級。系統(tǒng)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(shù)據(jù)讀入CPU的RAM中，以便系統(tǒng)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、自動、暫停等）對視頻信號進行各種切換處理；資料設置模塊由以下幾個字設置模塊組成：時間日期及密碼、切換表、監(jiān)視器、攝像機、報警器、鍵盤及音頻；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，還有幾個中斷服務子程序，分別接收鍵盤輸入、報警輸入、串行通信及產(chǎn)生0.25秒時間間隔。
4 硬、軟件設計應注意的幾個問題
（1）使用DS1248應注意的問題
對DS1248進行時鐘操作的方法是：先通過D0腳連續(xù)輸入8個字節(jié)的命令，然后再連續(xù)定改或讀出8個字節(jié)的時鐘信息。在寫入或讀出過程中，不能再對存儲器進行讀寫操作，否則會出現(xiàn)時鐘存儲器內(nèi)容被非法修改的現(xiàn)象。基于此，時鐘的復位腳（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(tǒng)熱復位（此復位可由手動或看門狗電路產(chǎn)生）時，如果此時CPU對時鐘的寫入或讀出仍未完成，那么復位后，任何對存儲器的操作都將變?yōu)閷r鐘的操作（因為此時DS1248并未復位），導致意想不到的錯誤。
（2）使用MB90092應注意的問題
·如果選擇外同步方式，只有當外同步信號存在時，MB90092才能接受控制命令。為了防止當視頻信號由“無”切換到“有”，監(jiān)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。這樣就不會發(fā)生字符丟失的現(xiàn)象。
·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(nèi)同步方式，待設置完成后，再設定為外同步方式；否則，設置時如無外同步信號，所有的設置均為無效設置。
（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，容易產(chǎn)生串擾。為了盡量減少串擾，制板時做到了以下幾點：
·各種視頻信號間用較粗的地線隔開，視頻走線盡量短而粗；
·模擬地和數(shù)字地分開，只在電源處相連；
·設計開關電源時，交流電與直流低壓之間相距較遠，且用地線隔開；直流低壓與開關管的調(diào)整電路之間用光耦隔開。
該矩陣系統(tǒng)的主要特點是不僅系統(tǒng)本身可以級連，而且可以與電腦進行通信。在電腦上加一塊視頻卡，將矩陣系統(tǒng)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，可用電腦鍵盤代替矩陣系統(tǒng)鍵盤對系統(tǒng)進行各種操作（如控制云臺及視頻信號切換等），并且可通過Internet實行遠程切換。另一方面，編寫相應的電腦軟件，可在電腦顯示屏上畫一電子地圖，將各監(jiān)控點及報警點標注在圖上。這樣一來，監(jiān)控目標一目了然，可隨時點擊某監(jiān)控點，調(diào)出該處的畫面。如某報警點有報警發(fā)生，電子地圖上相應的位置會閃爍，且可將報警信息及對應畫面存入電腦硬盤（即硬盤錄像）。
本系統(tǒng)采用了電源監(jiān)控、看門狗芯片MAX813，基本上杜絕了系統(tǒng)在工作過程中的死機現(xiàn)象。另外，由于采用了最新的矩陣切換芯片MAX4358和帶“幽靈”時鐘的存儲器芯片DS1248，節(jié)省了線路板的空間。簡化了系統(tǒng)的硬件和軟件設計、降低了成本、提高了系統(tǒng)的可靠性。
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