1、毕业设计报告 视频矩阵切换装置题目：视频矩阵切换器姓名：王卿系别：电气系99级通信工程1班指导老师：一、 摘要、关键字.1二、 引言.2三、 硬件部分.71、 MAX4358.82、 MAX202153、 8032AH.174、 外部地址锁存器74LS373215、 27256.226、 2816A.247、 62256.278、 HD6120230四、 软件部分.35五、 结束语.37六、 参考文献.371、MAX4358随着视频监控系统的广泛应用，视频矩阵系统正发挥着越来越重要的作用。目前，视频矩阵系统正朝着大容量，多功能，可联网等方面发展。绝大多数的视频矩阵系统是采用MITEL公司的MT
2、8816矩阵切换芯片或MAXIM公司的MAX456矩阵切换芯片来实现视频切换。MT8816的容量为16 *8，而MAX456的容量为8*8。显然，用它们来设计容量不大的视频矩阵系统是比较理想的，但如果用来设计大容量视频矩阵系统，则会因为所用的矩阵切换芯片的不断增多，而导致越来越多的硬件和软件设计。如设计容量为256*32的视频矩阵系统，则需要64片MT8816或128片MAX456，要使这么多矩阵切换芯片协调一致的工作，而且串扰失真等指标又要符合要求，这无疑将对硬件及软件提出更高的要求。最近MAXIM公司推出的容量为32*16的矩阵切换芯片MAX4358简化了这些问题。如用它来设计256*32
3、视频矩阵系统，只需16片即可。这样，无论是硬件还是软件均比用MT8816或MAX456要简单得多。下面就介绍一下4358及其应用。 图5 MAX4358管脚图 MAX4358的功能特性及引脚MAX4358的输入，输出均带缓冲放大，工作电压可选择正负3V，正负5V或正5V。它既可对16个输出一起编程，也可对某个输出单独编程。输出缓冲器的增益可编程设定为AV=+1V/V或+2V/V，当某个输出端设定为禁止输出时，其对外呈现高阻态，因而多片MAX4358的输出端,可直接用导线并接。MAX4358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
4、耗为195mW,工作温度范围为-40+85，它可直接驱动75视频负载。当系统上电复位后，所有的输出均初始化成禁止状态，这样可以避免大容量系统中MAX4358的输出互相干扰问题。另外，该芯片还具有在屏显示（OSD）插入功能，并可在视频信号上叠加其它模拟信号（如字符信号等）。MAX4358采用TQFP144脚封装形式。表1所列是其各引脚的功能说明。 工作原理1. 模拟输入和输出MAX4358提供有32个模拟输入，所有的输入信号在到达矩阵交叉点开关之前均经过缓冲放大，该缓冲放大器是一个输入阻抗高、输入偏置电流小的电压负反馈放大器，任意输入均可连接到16路输出的任一输出。MAX4358的输出是一个能直
5、接驱动75终端的高速放大器，可通过串行控制字的第5位来选择放大器的增益（Av=+1v/v或+2v/v）。而通过串行控制字的第6位可将输出端设定为允许或禁止状态。当输出端设为禁止状态时，对外呈现高阻态，并允许多个MAX4358级联在一起组成大容量的矩阵系统。在系统上电复位后，所有的输出均设定为禁止状态，以防止各片之间的输出互相干扰。2. OSDFILL和OSDKEY输出MAX4358有在屏显示（On-Screen Display）插入功能。能通过对OSDKEY的控制，16路OSDFILL模拟信号通过缓冲放大后可叠加到对应某一路的输出信号上，利用此功能可在视频信号上叠加字符信息。3. 数字接口MA
6、X4358的数字接口包括以下引脚：DIN、DOUT、SCLK、AOUT、UPDATE、CE、A3-A0、MODE和RESET。其中DIN为串行数据输入脚，DOUT为串行数据输出脚，SCLK为时钟输入脚，在SCLK的下降沿，DIN数据输入至内部的寄存器，而在UPDATE的下降沿，MAX4358将锁存所输入的数据并对矩阵开关进行编程，CE为片选端，为低电平有效。MODE为编程模式选择脚，高电平时，选择模式1编程模式，低电平时，选择模式0编程模式。A3-A0为芯片地址输入脚。对于模式0来说，在大容量矩阵系统中，每片MAX4358必须有一个特定地址。而在模式1中，则无需芯片地址A3-A0。RESET为
7、复位脚，低电平有效。当该脚为低电平时所有的模拟输出缓冲都为高阻态。当芯片复位完成后，输出仍然保持高阻态，并可通过输入控制命令将输出缓冲变为允许状态。4. 两种编程模式a. 模式0 当MODE引脚为低电平时，为模式0编程模式。此时，可对单个输出通道进行单独编程，编程数据包含16位。各位的含义如下：1- 4位：输入通道选择，可选择32个输入通道中的任意一个。5位：输出缓冲器增益选择。该位为0时，Av=1v/v；该位为1时Av=2v/v6位：输出使能控制，该位为0时，禁止输出；为1时，允许输出。7-10位：输出通道选择。11-14位：芯片地址，在大容量矩阵系统中，每一片MAX4358均有一个地址。1
8、5位：无关项。编程数据串行输入时，应特别注意高位在前、低位在后。b. 模式1当MODE引脚为高电平时，即为模式1。此时可以一次性对16个输出通道进行编程，编程数据包含112位，每个输出通道占7位。各位的含义如下：0- 4：输出通道选择，含义同模式0。5位：输出缓冲器增益选择，含义同模式0。6位：输出使能控制，含义同模式0。数据串行输入时，第15个输出通道的数据先输入，然后是第14个输出通道，最后是第0个输出通道的数据，且高位在前，低位在后。引 脚 号 名称功能1，3，5，7，9，11，13，15，17，19，21，23，25，27，29，31，33，35，37，39，41，43，45，127，
9、129，131，133，135，137，139，141，143IN0-IN31模拟输入2，4，6，8，10，12，14，16，18，20，22，24，26，28，30，32，34，72，73，107，108，109，126，128，130，132，134，136，138，140，142AGND模拟地38，40，42，44A3-A0芯片地址编程输入脚，在模拟0时，可将其与DGND或VDD相连以决定芯片地址36，74，78，82，86，90，94，98，102，106Vcc模拟正电源输入脚，各引脚接0.1F 电容旁路到地，其中一个引脚接10F电容旁路到地46DGND数字地47AOUT地址确认输出，
10、芯片地址被成功确认后，该脚输出低电平48MODE串行接口模式选择，该脚为低时选模式0，该脚为高时选模式149DIN串行数据输入，SCLK的下降沿串行输入数据50SCLK串行时钟输入51UPDATE刷新输入，该脚为低电平时，将模式寄存器中的数据传送给矩阵开关52RESET异步复位输入，该脚为低时复位该芯片，所有的模拟输出均被禁止53CE芯片使能输入，低电平时允许串行数据输入54DOUT串行数据输出5570OSDKEY0OSDKEY15数字控制输出入，高电平时模拟输入与输出缓冲器相连，低电平时OSDFILL输入与对应的输出缓冲器相连71VDD数字电源，接0.1F电容旁路到地75，77，79，81，
11、83，85，87，89，91，93，95，97，99，101，103，105OUT0OUT15模拟输出，上电后，所有输出均处于禁止状态76，80，84，88，92，96，100，104，144VEE模拟负电源输入脚，各引脚接0.1F 电容旁路到地，其中一个引脚接10F电容旁路到地110，111，112，113，114，115，116，117，118，119，120，121，122，123，124，125OSDFILL0OSDFILL15OSD模拟信号输入脚 表1 MAX4358的引脚功能 MAX4358的应用MAX4358易于构建大规模的开关阵列，所需芯片取决于输入通道数和输出通道数。可参照图
12、6构建大规模视频切换系统。由于芯片输出缓冲器可被设置成“禁止”状态，“禁止”时输出为高阻态，因此，视频矩阵的输出端允许线或连接。32 MAX 16In 4358 Out32 MAX 16In 4358 OutInputs(0-31)32 MAX 16In 4358 Out32 MAX 16In 4358 OutInputs(32-63)32 MAX 16In 4358 Out32 MAX 16In 4358 OutInputs(64-95)32 MAX 16In 4358 Out32 MAX 16In 4358 OutInputs(96-127) Outputs(0-15) Outputs(1
13、6-31) 图6 128路输入，32路输出视频矩阵开关1. 容性负载由图6可以看出，在实际电路中需要将许多个输出端连接在一起，每路输出阻抗不仅包括缓冲器的标准负载阻抗，还包括与相关节点连接的其他处于“禁止”状态缓冲器的输出阻抗，该阻抗包括阻性和容性元件，阻性元件降低了输出驱动电路的有效负载，对输出性能影响不大。对线或连接影响较大的是容性负载，所有处于“禁止”状态的输出电容相加，等效电容的大小与视频阵列的尺寸有关，另外，较大规模的视频阵列通常存在较长的PC板引线，这也导致容性负载的增大。为克服容性负载的影响，MAX4358系列产品的输出级采用独特的设计，使其在驱动30PF电容时仍能保持较好的交流
14、响应特征（在20MHz频带内保持0.1dB的增益平坦度），如果视频阵列开关数量过多导致容性负载过大，使系统性能降低时，可采取以下措施改善系统性能：首先，通过添加矩阵开关器件减少输出端的连接数（图7）。另一种解决方案是在输出端串联一个小电阻（5至30）将负载与输出隔离开，该电阻使输出级能够驱动不受限制的容性负载，同时他将与寄生电容共同构成一阶RC低通滤波器，单阶RC网络对视频信号的性能没有影响，但大规模视频阵列中会包括多个RC网络串联，其累计效应将导致幅频特性在高频32 MAX 16In 4358 OutInputs(0-31)32 MAX 16In 4358 OutInputs(32-63)3
15、2 MAX 16In 4358 Out32 MAX 16In 4358 Out Inputs(64-95)32 MAX 16In 4358 OutInputs(96-127) Outputs(0-15) 图7 12816矩阵开关可降低容性负载端出现跌落，使图像出现“软化”现象。这种现象对于安防系统还可以接受，但在一些高清晰度系统中需采取一些措施抑制这种效应，如：设计输出端的引线使其产生一定的电感量，电感使幅频特性在高频端出现峰值，与寄生电容的效应相互抵消。当然，也可直接在电路中接入一个小的电感达到同样的效果。2. 串扰与线路板布局在大规模视频切换系统中，不良的信号布线会导致诸多的负面影响，最主
16、要的是与串扰相关的引线，与大多数芯片一样，MAX4358系列产品具有内在的抑制串扰特性，其串扰抑制最小值为65dB典型值大于70dB。但不良的线路板布局可能导致串扰抑制比降低20dB，因此，设计中必须重视线路板的合理布局。具体设计时注意以下事项：信号线之间采用地线隔离，所添加的地线如同屏蔽线一样可避免信号间的干扰。注意：信号线平行排列或仅利用线路板层面隔离都会导致串扰增大。线路板层面之间的潜在耦合与线路板厚度及所用的板材的电介质有关。保证引线阻抗可控制，将PC板引线设计成阻抗为75的传输线能够大大减小串扰，为整体平衡系统设计，许多元件都需要匹配电阻，大多数电源也都采用缓冲输出以驱动更低的阻抗。
17、除串扰外，另一设计关键是隔离问题指出被禁止时从输入端到输出端的不良信号。为达到理想的隔离，芯片引脚按照输入和输出分别排在两侧，这种排列能够在6MHz时达到80dB以上的隔离度。对用户而言，只需考虑外部元器件的排列，如：PC板引线间的耦合、电源耦合（这主要取决于旁路电容的质量和安装位置），低阻元件应尽量靠近IC安装，应尽量避免输入信号靠近输出信号，注意适当的线路隔离。3. 功耗问题在多媒体及大型安防系统中常常需要解决开关阵列的热耗散问题，这些系统一般安装在非常不理想的环境中，设备产生的热量会使环境温度提升许多，为解决这一问题，Maxim设计的矩阵开关具有极低的功耗，可工作于正负5V，也可工作于低
18、电压正负3V，或单电源正5V。4. 负载驱动为适应不同的负载驱动环境，Maxim的视频矩阵开关可通过串行接口设置增益（1V/V或2V/V），增益为1V/V时可用于驱动近距离（3cm）、PC板上负载；当驱动75传输线时可将增益设置为2V/V，并在输出端串联一个75电阻（这是视频系统中的一种常见配置）。增益设置为2V/V时，串联电阻和75负载电阻分压使信号减半，为负载提供标准的1V视频信号。串联75电阻为潜在的反射信号提供匹配阻抗，大大抑制或减少了信号反射。5. 随屏显示插入视频切换系统中通常需要在每个通路中插入一些有关视频信号源的信息，如摄像机、日期、时间等信息，称其为随屏显示功能（OSD）。M
19、AX4358/MAX 4356具有OSD功能，内部相应于每个输出通路内置2：1模拟复用开关，开关时间典型值为30ns。利用这些高速复用器切换16路OSD模拟输入信号和16OSD控制线。需要插入的图像或字符信号加载到OSD模拟输出端；另外，还需要在OSD控制端提供适当的时序信号。由于OSD信号在矩阵开关之前被插入，省去了连接在OSD器件后面的输出缓冲器，降低了成本。6. 独特的控制结构Maxim的视频矩阵开关可以通过标准的SPI串行接口与主机通信，具有两种通信方式：独立地址模式和交替工作模式，独立地址模式下，芯片地址由外部引脚设置，主机发送包括片选、控制指令的16位字节给视频开关，11位控制字中
20、有4位表示所选输出通路，5位表示所要接通的输入道路，1位用于设置输出缓冲器的增益，另一位用于设置是否“禁止”输出。交替工作模式下，许多视频矩阵开关串行连接，前级芯片的数据输出与后级芯片的数据输入相连，多个芯片通过一个较长的数据字节编程。两种编程模式通过一条控制线选择，两种模式下线路连接完全相同，因此，可以在系统启动时采用菊花链编程模式，发送一个长数据字配置视频开关的各个通道，而后，按照独立地址模式具体配置需要切换的矩阵开关的状态。在无需改变引脚和线路连接的条件下，能够采用两种编程模式设置开关状态。2、MAX2021、RS一232C标准接口RS一232C标准规定了双极性电平值数据“0”和“l”的
21、含义由电压幅值和电压极性共同表示。在任何情况下，电路的最大允许值为正负15V，RS232C标准定义了4个逻辑电平，对于输入端而言，数据“0”及控制线接通状态电平值规定为+3V至15V，而数据“l”及控制线断开状态电平值则规定为3V至15V，电平绝对值在3V以内为不确定状态。对于输出端而言，数据“0”及控制线接通状态电平值规定为+5V至+15V，数据“l”及控制线断开状态电平值规定为5V至15V，电平绝对值在5V以内为不确定状态。RS232C接口的允许的通信速率在020000bps之内变动，一般应用的最高上限为19200bps。由于采用了不平衡电器特性，所使用的电缆长度，即直接通信的最大距离，不
22、应超过15m，影响传输距离的主要原因是电缆的分布电容，若能保证总的有效电容小于2500pF，电缆线则可适当延长。 计算机串口使用的是RS232C电平，转换板处理器AT89C51使用的是TTLCOMS电平，需进行电平转换。转换的芯片选用MAXIM公司生产的MAX202。2、MAX202Maxim公司的MAX202芯片是标准的RS232电平转换器，是符合RS232通信标准的接口芯片；在RS-232通信接口中日益得到广泛应用，具有功耗低、工作电源有单电源、外接电容从0.110F可选、集成度高，只用单5V电源，每片有2个驱动器和2个接收器，具有2组接收和发送通道；全部接口电路简单，可靠性高，可实现TT
23、L电平和RS232电平的直接转换。MAX202芯片是为在缺少正负12V电源的情况下进行RS232C与TTLCOMS电平转换而设计的双向转换芯片，MAX202的供电电源是+5V，输出的 图8 MAX202引脚图TTLCOMS电平的电压最大为0.4V，输出的TTLCOMS电平的电压最小为3.5V，电平转换的速度的最大值不小于120kbps。MAX202芯片的外围器件很少，只需用4个0.1uF的电容，其应用电路见下图。图9 MAX202的典型应用电路图10 MAX202片内结构与接线原理图3、8032AH8032AH的硬件资源和特性如下：1 3个16位定时/计数器；2 可扩展至128K的外部存储器；
24、3 与MCS80和MCS85的外围兼容；4 布尔处理机；5 大部分指令执行时间为1s；6 乘法和除法为4s；7 111条指令（64条单字节指令）；8 可编程全双工串行口；9 二级中断优先级结构，6个中断源。Intel8032是自成系统的高级单片计算机。采用高度可靠的Intel +5V电源，低压负载，N沟道硅栅HMOS技术制成。8032的引脚图如图11所示，结构方框图如图12所示。 图11 8032的引脚图8032产品最适合控制方面的应用，可用于复杂的实时操作：如测试设备、时钟基准 计数器 中断128RAM4096ROM晶振时钟双16位定时/计数器8位CPU串行口可编程I/O64位总线扩展控制
25、中断 控制线 地址/数据总线和I/引脚 数据入 数据出 图12 8032内部结构方框图工业控制和智能计算机外围设备。为了达到64K字节的程序储存和64K字节的数据储存，使用了高性能的硬件，改进的体系结构和新的指令，这些指令能使其成为效率高，成本低的控制器。8032内有2568字节的RAM，4个I/O线，3个16位定时/计数器，一个全双工的串行口，振荡器和时钟电路。8032引脚功能如下：Vcc：引脚40，芯片的主电源，接+5V。Vss：引脚20，电源地线。XTAL1：引脚18，内部振荡器外接晶振的一个输入端。HMOS芯片使用外部振荡器时，此端必须接地。XTAL2：引脚19，内部振荡器外接晶振的另
26、一个输入端。HMOS芯片使用外部振荡器时，此端用于输入外部振荡信号。ALE/PROG：引脚30，上有地址锁存有效信号。其主要作用是提供一个适当的定时信号，它的下降沿用于锁存外部存储器的低8位地址，使P0口分时用作地址总线低8位和数据总线。此信号每个机器周期出现2次，只是在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。所以，在任何不使用外部数据存储器的系统中，ALE以1/6振荡频率的固定速率输出，因而它能用作外部时钟或定时。PSEN：引脚29，上有程序选通有效信号，当从外部程序存储器读取指令时信号产生，其为低电平时，指令内容读到数据总线上。当执行外部程序存储器中的程序时PSEN持续二个机器周期；在访问外
27、部数据空间时，跳过二个PSEN脉冲信号。RST/VPD：引脚9，上有复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2个机器周期的高电平可实现复位操作，在掉电情况下（Vcc降到操作允许限度以下），后备电源加到此引脚，将只给片内RAM供电。EA /VPP：引脚31，访问外部程序存储器控制信号输入端，当为低电平时，单片机到外部程序存储器取指。当为高电平时，程序存储器由内外二部分构成，内部ROM/EPROM编址为0000H1FFFH，外部EPROM/ROM从2000H开始编址。8032 EA /VPP端只能接地，外部EPROM从0开始编址，CPU只能从外部程序存储器中取指令。P0（BUS）：引脚3239，单片机
28、的双向数据总线和低8位地址总线。分时操作，先用作地址总线，在ALE信号的下降沿，地址被锁存，然后用作数据总线；也可以用作双向输入/输出口。并且是8位漏极开路的I/O口。P1：引脚18，准双向输入/输出口。带有内部上拉负载电阻，P1的输出缓冲器中能吸收/驱动4个LSTTL的输入。P1引脚写入“1”，由于内部上拉电阻将它们拉高，在这个状态中能被用作输入。由于内部上拉电阻拉高的缘故只能作为输入，否则在外部输出驱动电流将输出电平拉低，产生的是内部正脉冲。在EPROM编程和ROM/EPROM中的程序校验时，P1口可接收低位地址字节。P1.0和P1.1还有另外一种功能：P1.0：T2，定时/计数器2的外部
29、事件脉冲输入端。P1.1：T2EX，定时/计数器2的捕捉/重新装入触发脉冲输入端。P2：引脚2128，准双向输入/输出口。在访问外部存储器时，用作高8位地址总线。P3：引脚号1017，准双向输入/输出口。P3口的每一根线还有另一种功能：P3.0：RXD，串行输入口，接收数据端。P3.1：TXD，串行输出口，发送数据端。P3.2：INT0，外部中断0输入口。P3.3：INT1，外部中断1输入口。P3.4：T0，定时/计数器0外部事件脉冲输入端。P3.5：T1，定时/计数器1外部事件脉冲输入端。P3.6：WR：外部数据存储器写脉冲。P3.7：RD：外部数据存储器读脉冲。 4、外部地址锁存器74LS
30、373 在MS51单片机中的16位地址，分为高8位（A15A8）和低8位（A7A0）。高8位由P2口输出，低8位由P0口输出。而P0口同时又是数据输入/输出接口，故在传送时采用分时方式，先输出低8位地址，然后在传送数据。但是，在对外部存储器进行读/写操作时，地址必须保持不变，这就需要选用适当的寄存器存放低8位地址，这个外接的寄存器就称为地址锁存器。本设计选用带三态缓冲输出的地址锁存器芯片74LS373。图13表示这种锁存器的引脚图。 图13 74LS373的引脚图74LS373可简化成图十所示的结构，涉及的引脚符号功能如下： D7D0 三态门输入端； Q7Q0 三态门输出端；GND 接地端；Vcc 电源端；OE 三态门使能端。OE=0，三态门输出为标准TTL电平；OE=1，三态门输出高阻态;G(STB) 8D锁存器控制端。若G(STB)=1，则输出跟随输入（即锁
