早期的數(shù)字電路過于偏重硬件的實(shí)現(xiàn),。其主要缺點(diǎn)是工作量大,、調(diào)試?yán)щy、靈活性較差,。而采用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）器件設(shè)計(jì)電路時(shí),，設(shè)計(jì)方法靈活，設(shè)計(jì)思想清晰,，而且時(shí)序可仿真,，保證了其正確性，使整個(gè)硬件電路具有易于編程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)[1],。

    在船用視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,，考慮到船用環(huán)境空間狹小、布線不便,、維護(hù)困難等因素,，往往采用一根多芯電纜來傳輸不同電壓等級的電源信號(hào)、各種控制信號(hào)和視頻信號(hào),。因此,，采用雙絞線(多芯電纜中的2芯雙絞線纜)傳輸視頻基帶信號(hào)的技術(shù)越來越受到重視。在CCTV(Closed Circuit Tetevision)系統(tǒng)中,，采用有源差分信號(hào)發(fā)送放大器和接收器搭建的雙絞線傳輸視頻基帶信號(hào)方案(平衡傳輸方式)可將圖像傳輸至1-2 km,，圖像質(zhì)量接近光纖傳輸?shù)男ЧＭ瑫r(shí),，采用CPLD器件開發(fā)的視頻切換設(shè)備具有集成度高,、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng),、后期的維護(hù)和升級更便捷的特點(diǎn),。
1 系統(tǒng)的硬件組成、接口及主要功能
1.1 系統(tǒng)組成
    視頻切換及雙絞線視頻基帶傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖1所示,。主要包括視頻切換電路和視頻轉(zhuǎn)換電路,。

1.2 各模塊的功能與特性
    視頻傳輸模塊由視頻發(fā)送和視頻接收組成。其中,，視頻發(fā)送包括非平衡-平衡轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng),，視頻接收包括接收匹配補(bǔ)償及平衡-非平衡轉(zhuǎn)換。視頻設(shè)備包括信號(hào)源和顯示設(shè)備,，其接口通常為標(biāo)準(zhǔn)單端視頻信號(hào)（非平衡信號(hào)）,。因此可直接與同軸電纜匹配連接。要用雙絞線傳輸視頻信號(hào),，必須在發(fā)送端將非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡信號(hào),，以便驅(qū)動(dòng)雙絞線,。相應(yīng)地，在接收端需要再將平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為非平衡信號(hào),，與顯示設(shè)備連接,。
    視頻切換模塊是整個(gè)電路的核心，其包括按鍵選擇電路和切換器電路,。切換器電路接收來自前端的多路視頻信號(hào),，并根據(jù)按鍵選擇電路的指令，實(shí)現(xiàn)視頻切換,、LED指示等功能,。由于前端有多臺(tái)攝像機(jī)，而終端控制臺(tái)上往往只有一臺(tái)監(jiān)視器,，故當(dāng)需要查看某一路圖像時(shí),，需要進(jìn)行視頻切換操作。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 視頻傳輸模塊的電路設(shè)計(jì)
    視頻信號(hào)在雙絞線中傳輸時(shí),，最基本的技術(shù)問題就是頻率失真,。電纜頻率失真的特點(diǎn)是：(1)低頻衰減最小，頻率越高衰減越嚴(yán)重,；(2)電纜越長,，頻率失真越嚴(yán)重，電纜長度加倍,，衰減的dB數(shù)加倍。因此,，雙絞線視頻基帶傳輸設(shè)備的基本作用是提供一定的放大增益,，補(bǔ)償電纜的傳輸衰減。顯然,，要補(bǔ)償頻率失真,，傳輸設(shè)備的補(bǔ)償特性應(yīng)該與電纜的頻率失真特性相反、互補(bǔ),，即補(bǔ)償特性應(yīng)該是：傳輸設(shè)備的增益必須具有頻率越高增益越大的基本特點(diǎn),。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)特性的真正恢復(fù),。
    基于此,，選用EL5171[2]和EL5172[3]來搭建雙絞線視頻傳輸系統(tǒng)。EL5171是差分信號(hào)發(fā)送放大器,，在本系統(tǒng)中主要完成非平衡信號(hào)到平衡信號(hào)的轉(zhuǎn)換,。EL5172是差分信號(hào)接收放大器，主要完成平衡信號(hào)到非平衡信號(hào)的轉(zhuǎn)換,。另外,，它們的增益均由外接電阻設(shè)定,，因此可根據(jù)不同的現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境靈活地調(diào)整視頻信號(hào)的電壓增益。
    基于EL5171和EL5172的雙絞線視頻傳輸系統(tǒng)如圖2所示,。
  
2.2 視頻切換模塊的電路設(shè)計(jì)
    綜合考慮系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求和經(jīng)濟(jì)性,，采用Altera公司MAX7000S[4]系列中的EPM7064S芯片來構(gòu)建視頻切換模塊。按鍵選擇電路和切換器電路均要在EPM7064S的指令下工作,。
    在按鍵選擇電路中,，采用MAX6818進(jìn)行硬件消抖。無需外部元件,，MAX6818[5]即可提供8路“干凈的”開關(guān)信號(hào)給EPM7064S,。
    切換器電路接收來自前端的多路視頻信號(hào)（經(jīng)由雙絞線傳輸），并根據(jù)按鍵選擇電路的指令,，選通對應(yīng)通道的視頻,，并輸出至終端控制臺(tái)的監(jiān)視器。同時(shí)點(diǎn)亮對應(yīng)視頻通道的LED指示燈,。因此,，該電路主要實(shí)現(xiàn)多路視頻復(fù)用及視頻信號(hào)的匹配、補(bǔ)償和驅(qū)動(dòng),。當(dāng)然,，視頻選通與否及通道的選擇均要由EPM7064S來支配?；谙到y(tǒng)硬件性能的設(shè)計(jì)要求,，采用AD8184[6]和AD8009[7]來構(gòu)建切換器電路。
    AD8184是一款高速多路視頻復(fù)用器,，-3 dB信號(hào)的帶寬為700 MHz,，壓擺率為750 V/μs。串?dāng)_性能為95 dB,，隔離性能為115 dB,，差分增益和差分相位誤差分別為0.01%和0.01°，0.1 dB平坦度為75 MHz,，堪稱專業(yè)視頻多路復(fù)用的理想之選,。開關(guān)時(shí)間為5 ns，極其適合像素切換（畫中畫）應(yīng)用,。AD8009是一款超高速電流反饋型放大器,，壓擺率高達(dá)5 500 V/μs，上升時(shí)間僅為545 ps,。高壓擺率可降低壓擺率限幅效應(yīng),，使大信號(hào)帶寬達(dá)到440 MHz，從而滿足高分辨率視頻圖形系統(tǒng)的需要,。AD8009能夠提供175 mA以上的負(fù)載電流,，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)視頻負(fù)載,，同時(shí)保持低差分增益和相位誤差(分別為0.02%和0.04°)。視頻切換模塊的主要電路如圖3所示,。

2.3 硬件設(shè)計(jì)中其他需要注意的問題
    根據(jù)船用環(huán)境的實(shí)際安裝,、操控等需求，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須特別注重可靠性設(shè)計(jì),，同時(shí)在接口設(shè)計(jì)上,，其物理特性和電氣特性應(yīng)能滿足船用環(huán)境的實(shí)際需求。同時(shí),，在設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),、規(guī)范以及與標(biāo)準(zhǔn)化有關(guān)的規(guī)定，還要充分考慮到該設(shè)備安裝,、調(diào)試和使用時(shí)操作人員的安全性和設(shè)備的操作安全,，制訂相應(yīng)的操作規(guī)程和使用方法。最后,，在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,，要充分考慮降低對使用者的能力要求，使設(shè)備的操作方便,、簡單,、直觀。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中的軟件環(huán)境為Altera Quartus4.2,。EPM7064S在其上完成編程（邏輯設(shè)計(jì)）,，然后進(jìn)行仿真。當(dāng)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,，將最后的邏輯設(shè)計(jì)通過ByteBlaster II下載電纜傳輸?shù)叫酒屑纯伞?br/>3.1 電路的VHDL程序設(shè)計(jì)
    本電路的VHDL設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)方法,。頂層文件采用原理圖設(shè)計(jì)輸入方式，而在底層文件設(shè)計(jì)中,，采用混合的設(shè)計(jì)輸入方式。整個(gè)設(shè)計(jì)文件包括邏輯選擇模塊,、鎖存模塊,、復(fù)用及通道選擇模塊。其中,，邏輯選擇模塊主要完成按鍵選擇信號(hào)識(shí)別,；鎖存模塊在時(shí)鐘信號(hào)(即按鍵選擇信號(hào)的一個(gè)組合邏輯輸出)的作用下鎖存按鍵選擇信號(hào)；復(fù)用及通道選擇模塊根據(jù)輸入的按鍵選擇信號(hào),，使能視頻選通功能且選通對應(yīng)的輸入視頻,，同時(shí)給出對應(yīng)的LED指示信號(hào)?？紤]到具體的船用環(huán)境及使用者的能力要求,，在進(jìn)行電路的VHDL編程時(shí),，必須充分考慮程序的“冗余”設(shè)計(jì)，如多個(gè)按鍵被同時(shí)按下時(shí)的誤操作,、船用環(huán)境對本電路中各種信號(hào)的不同干擾等,。本電路的VHDL頂層程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.2 程序仿真結(jié)果與測試
    使用Altera公司的Quartus 4.2 軟件進(jìn)行仿真,，其仿真波形圖如圖5所示,。

    從仿真結(jié)果可看到，當(dāng)按鍵KEY_CH1被按下后（產(chǎn)生一個(gè)高-低電平躍變信號(hào)）,，EN_1變?yōu)榈碗娖剑‥N_1仍維持高電平）,，使能EN_1對應(yīng)的AD8184。同時(shí),，地址線A1A0為00,，表明此時(shí)選通第1路視頻輸入。
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    將源程序編譯后下載到EPM7064S芯片中,，對實(shí)際電路進(jìn)行測量,，得到了與仿真結(jié)果完全相同的波形。表明了EPM7064S完全可以實(shí)現(xiàn)視頻切換電路的功能,。同時(shí),，該VHDL“冗余”設(shè)計(jì)程序也已在實(shí)際電路中得到驗(yàn)證，時(shí)序及時(shí)延參數(shù)均滿足工程要求,，工作穩(wěn)定可靠,。
    船用環(huán)境下的測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,，完全滿足具體的船用環(huán)境需求,，同時(shí)還具有集成度高、安裝方便,、操控簡單,、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí),，使用 CPLD 器件設(shè)計(jì)的視頻切換電路后期的維護(hù)和升級更便捷,，通過更改CPLD器件中的程序，即可擴(kuò)展待切換的輸入視頻通道數(shù)量,，具有良好的通用性,。
參考文獻(xiàn)
[1] 彭曉鈞，何平安,，袁炳夏．基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．光電子.激光,，2007，18（7）：803-807．
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