早期的數(shù)字電路過于偏重硬件的實現(xiàn),。其主要缺點是工作量大、調試困難,、靈活性較差,。而采用CPLD（復雜可編程邏輯器件）器件設計電路時，設計方法靈活,，設計思想清晰,，而且時序可仿真，保證了其正確性,，使整個硬件電路具有易于編程實現(xiàn)的優(yōu)點[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,、各種控制信號和視頻信號,。因此，采用雙絞線(多芯電纜中的2芯雙絞線纜)傳輸視頻基帶信號的技術越來越受到重視。在CCTV(Closed Circuit Tetevision)系統(tǒng)中,，采用有源差分信號發(fā)送放大器和接收器搭建的雙絞線傳輸視頻基帶信號方案(平衡傳輸方式)可將圖像傳輸至1-2 km,，圖像質量接近光纖傳輸?shù)男ЧＭ瑫r,，采用CPLD器件開發(fā)的視頻切換設備具有集成度高,、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強,、后期的維護和升級更便捷的特點,。
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-平衡轉換和驅動,，視頻接收包括接收匹配補償及平衡-非平衡轉換。視頻設備包括信號源和顯示設備,，其接口通常為標準單端視頻信號（非平衡信號）,。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,，必須在發(fā)送端將非平衡信號轉換為平衡信號,，以便驅動雙絞線。相應地,，在接收端需要再將平衡信號轉換為非平衡信號,，與顯示設備連接。
    視頻切換模塊是整個電路的核心,，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，并根據(jù)按鍵選擇電路的指令,，實現(xiàn)視頻切換,、LED指示等功能。由于前端有多臺攝像機,，而終端控制臺上往往只有一臺監(jiān)視器,，故當需要查看某一路圖像時，需要進行視頻切換操作,。
2 系統(tǒng)的硬件設計
2.1 視頻傳輸模塊的電路設計
    視頻信號在雙絞線中傳輸時,，最基本的技術問題就是頻率失真。電纜頻率失真的特點是：(1)低頻衰減最小,，頻率越高衰減越嚴重,；(2)電纜越長,，頻率失真越嚴重，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備的基本作用是提供一定的放大增益,，補償電纜的傳輸衰減,。顯然，要補償頻率失真,，傳輸設備的補償特性應該與電纜的頻率失真特性相反,、互補，即補償特性應該是：傳輸設備的增益必須具有頻率越高增益越大的基本特點,。只有這樣,，才能實現(xiàn)視頻信號特性的真正恢復。
    基于此,，選用EL5171[2]和EL5172[3]來搭建雙絞線視頻傳輸系統(tǒng),。EL5171是差分信號發(fā)送放大器，在本系統(tǒng)中主要完成非平衡信號到平衡信號的轉換,。EL5172是差分信號接收放大器,，主要完成平衡信號到非平衡信號的轉換。另外,，它們的增益均由外接電阻設定,，因此可根據(jù)不同的現(xiàn)場應用環(huán)境靈活地調整視頻信號的電壓增益。
    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計
    綜合考慮系統(tǒng)的硬件設計要求和經(jīng)濟性,，采用Altera公司MAX7000S[4]系列中的EPM7064S芯片來構建視頻切換模塊。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進行硬件消抖。無需外部元件,，MAX6818[5]即可提供8路“干凈的”開關信號給EPM7064S。
    切換器電路接收來自前端的多路視頻信號（經(jīng)由雙絞線傳輸）,，并根據(jù)按鍵選擇電路的指令,，選通對應通道的視頻，并輸出至終端控制臺的監(jiān)視器,。同時點亮對應視頻通道的LED指示燈,。因此，該電路主要實現(xiàn)多路視頻復用及視頻信號的匹配,、補償和驅動,。當然，視頻選通與否及通道的選擇均要由EPM7064S來支配?；谙到y(tǒng)硬件性能的設計要求,，采用AD8184[6]和AD8009[7]來構建切換器電路。
    AD8184是一款高速多路視頻復用器,，-3 dB信號的帶寬為700 MHz,，壓擺率為750 V/μs。串擾性能為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)視頻多路復用的理想之選,。開關時間為5 ns，極其適合像素切換（畫中畫）應用,。AD8009是一款超高速電流反饋型放大器,，壓擺率高達5 500 V/μs，上升時間僅為545 ps,。高壓擺率可降低壓擺率限幅效應,，使大信號帶寬達到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以上的負載電流,，可驅動4個視頻負載，同時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 硬件設計中其他需要注意的問題
    根據(jù)船用環(huán)境的實際安裝、操控等需求,，在硬件設計時必須特別注重可靠性設計,，同時在接口設計上，其物理特性和電氣特性應能滿足船用環(huán)境的實際需求,。同時,，在設計中應嚴格執(zhí)行相關的技術標準、規(guī)范以及與標準化有關的規(guī)定,，還要充分考慮到該設備安裝,、調試和使用時操作人員的安全性和設備的操作安全，制訂相應的操作規(guī)程和使用方法,。最后,，在整個系統(tǒng)的設計過程中，要充分考慮降低對使用者的能力要求,，使設備的操作方便,、簡單,、直觀。
3 系統(tǒng)的軟件設計
    本設計中的軟件環(huán)境為Altera Quartus4.2,。EPM7064S在其上完成編程（邏輯設計）,，然后進行仿真。當完全達到設計要求后,，將最后的邏輯設計通過ByteBlaster II下載電纜傳輸?shù)叫酒屑纯伞?br/>3.1 電路的VHDL程序設計
    本電路的VHDL設計采用分層設計方法,。頂層文件采用原理圖設計輸入方式，而在底層文件設計中,，采用混合的設計輸入方式,。整個設計文件包括邏輯選擇模塊、鎖存模塊,、復用及通道選擇模塊,。其中，邏輯選擇模塊主要完成按鍵選擇信號識別,；鎖存模塊在時鐘信號(即按鍵選擇信號的一個組合邏輯輸出)的作用下鎖存按鍵選擇信號,；復用及通道選擇模塊根據(jù)輸入的按鍵選擇信號，使能視頻選通功能且選通對應的輸入視頻,，同時給出對應的LED指示信號,。考慮到具體的船用環(huán)境及使用者的能力要求,，在進行電路的VHDL編程時,，必須充分考慮程序的“冗余”設計，如多個按鍵被同時按下時的誤操作,、船用環(huán)境對本電路中各種信號的不同干擾等,。本電路的VHDL頂層程序設計如圖4所示。

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

    從仿真結果可看到，當按鍵KEY_CH1被按下后（產生一個高-低電平躍變信號）,，EN_1變?yōu)榈碗娖剑‥N_1仍維持高電平）,，使能EN_1對應的AD8184。同時,，地址線A1A0為00,，表明此時選通第1路視頻輸入。
3.3 實驗結果
    將源程序編譯后下載到EPM7064S芯片中,，對實際電路進行測量，得到了與仿真結果完全相同的波形,。表明了EPM7064S完全可以實現(xiàn)視頻切換電路的功能,。同時,，該VHDL“冗余”設計程序也已在實際電路中得到驗證，時序及時延參數(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,，同時還具有集成度高、安裝方便,、操控簡單,、抗干擾能力強的特點。同時,，使用 CPLD 器件設計的視頻切換電路后期的維護和升級更便捷,，通過更改CPLD器件中的程序，即可擴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
[1] 彭曉鈞，何平安,，袁炳夏．基于CPLD的線陣CCD驅動電路設計與實現(xiàn)[J]．光電子.激光,，2007，18（7）：803-807．
[2] Intersil.EL5171,，EL5371 data sheet[Z].FN7307.5．2005.
[3] Intersil.EL5172,，EL5372 data sheet[Z].August 3，F(xiàn)N7311.6,，2005.
[4] Altera.MAX7000 programmable logic device family data sheet[Z].ver.6.6.2003.
[5] MAXIM.±15 kV ESD-protected,，single/dual/octal，CMOS switch debouncers MAX681X data sheet[Z].1999.
[6] Analog Devices.700 MHz,，5 mA,，4-to1 video multiplexer AD8184 data sheet[Z].REV.0，1997.
[7] Analog Devices.1 GHz,，5 500 V/μs low distortion amplifier AD8009 data sheet[Z].REV.0,，1996.