（信息与通信工程专业论文）基于单片机控制的智能化音视频同步开关矩阵的设计.pdf

国防科技大学研究生院学位论文捅要开关矩阵是声音和图像传输系统中的枢纽。一般的开关矩阵容量都较小，更没有音频、视频同步切换的产品。本课题起因于我国载人航天发射场某图像中心的音视频矩阵切换系统的不足，论文详细研究了原有切换矩阵存在的问题，分析了这些问题之间的内在联系和关键之所在，提出了解决这些问题的思路和方法。课题目标是研制一台能够实现音频、视频同步切换的设备，论文研究了使用环境对该设备的功能与性能要求，设计了设备的内在功能与外部特性，并以合理的系统结构实现了这些外部特性。本文的中心内容是对该设备的设计，包括原始需求的分析、设备的功能论证、总体性能要求、系统结构设计、功能实现方法、各分系统功能设计、硬件与软件设计、电磁兼容和印刷电路板的设计等。论文较详细地叙述了各部分要解决的问题及相应的解决方案，阐述了设计思想和电路结构及工作原理。关键词：开关矩阵同步切换单片机控制通信模块式结构音频视频第1 页国防科技大学研究生院学位论文a b s t r a c ts w i t c ha r r a yi st h ec r o s s p o i n ti na u d i oa n dv i d e ot r a n s p o r t i n gs y s t e m s n o r m a ls w i t c ha r r a y sh a v et h es p e c i f i c a t i o no fl i m i t e di n o u tp o r t s ，a n dt h e r ei sn od e v i c eo ns a l ew h i c hc 锄c h a n g et h ea u d i oa n dv i d e oc r o s s p o i n t ss y n c h r o n i s t i c a l l y t h et o p i ci sd u et ot h el a c ko ft h ea u d i o & v i d e os w i t c ha w a ys y s t e mi nt h ev i d e oc e n t r eo fo n es p a e e e r a rl a u n c hc e n t r ei nc h i n a t h ep a p e rs t u d i e da l lt h ep r o b l e m si nt h eu s e ds y s t e m ，a n a l y s e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r o b l e m s ，a n dd i r e c to u tt h ew a yt os o l v et h ep r o b l e m s t h ea i mo ft h i sr e s e a r c hi st om a k ead e v i c ew h i c hc a nn o to n l yc h a n g et h ea u d i oa n dv i d e oc r o s s p o i n t ss y n c h r o n i s t i c a l l y , b u ta l s oh a ss o m ee x e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha se a s i l y - o p e r a t e d , e a s i l y - s e v i c e d , d u a ld a t a - i n p u tm o d e ，e t c t h em a i ns u b s t a n c eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h ed e s i g nf o rt h ed e v i c e ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i sf o ro r i g i n a ld e m a n d s , t h ed i s c u s so nt h ec a p a b i l i t yo ft h ed e v i c e ，t h ed e m a n d so nt h eg e n e r a lc h a r a c t e r i e s ，t h ed e s i g nf o rt h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h ew a y st or e a l i z i n gt h ef u n c t i o n s ，t h ed e s i g nf o re a c hs u b - s y s t e m ，t h ed e s i g nf o rh a r d w a r e& s o f t w a r e ，t h ed e s i g nf o re m ca n dp c bi nt h es y s t e m ，e t c t h et h e s i sd e s c r i b e st h ep r o b l e m sa n dt h es o l v i n gm e t h o d sf o re v e r ys e c t i o n , a n di ta l s oi l l u s t r a t e st h ed e s i g nt h o u g h t sa n dt h es t r u c t u r e sa n dp r i n c i p l e so ft h ec i r c u i t s k e yw o r d ss w i t c h - a r r a yt u r n - s y n c h r o n i s t i c a l l ym i e r o c o n t r o l l e rc o n t r o lc o m m u n i c a t i o nb l o c k i n g - s t r u c t u r ea u d i ov i d e o独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文题目：蕉主砷扣乡皋j 一蟹缈舌哪 够寸是托障“学位论文作者张丝垒基日期：1 年多月哪学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 友冷( 保密学位论文在解密后适用本授权书)学位论文题目：查茎丝巡丝l 兰塑堕丝查幽兰竖叠至薹兰! 垒兰堕叶学位论文作者签名：羔至叁一作者指导教师签名：跏婚日期：叩年占月f 口日日期胡年月，奄日国防科技大学研究生院学位论文第一章绪论1 1 课题研究的背景与意义在航天发射任务的实施过程中，对试验任务各现场的视频监控和调度指挥是非常重要的，这项工作离不开音频和视频传输系统，它们的技术现状与发展和现代通信技术的进展紧密相关。在早期的航天发射试验任务中，现场的实时调度与监控以语音通信为主，随着通信技术的进步，实时图像监控也己成为其基本组成部分。特别是随着我国航天事业的迅速发展，载人航天发射任务对发射场区、落区靶场等试验任务现场的实时监控与调度指挥提出了很高的要求，以声音和图像同步传输的监控调度指挥模式成为实时监控和调度指挥中的基本形式【l 】。其中，音视频同步切换开关矩阵是这个系统中通信终端间进行链接组合的枢纽。1 1 1 研究背景我国某航天发射场的监控调度指挥系统经历了从单纯的语音通信到语音和图像同时传输的过程，时期的语音通信系统发展比较完善，后来加入了图像通信，但是，语音和图像仍保持平行状态，它们实际上是独立传输的，严格地说，是两个分立的系统。然而，一般情况下，一个监控终端应同时得到同一被监控点的声音和图像，这就要求信号通道进行切换时，要把声音和图像信号同时进行切换。即要把声音和图像信号这两个本是独立传输的信号进行联动切换，这就是本论文所指的音视频同步切换的概念。但是，在某航天发射场，语音和图像独立传输的状态下j 切换的联动却是靠手动来完成的，不仅显得落后，而且存在一些问题，使用者对改造或更新设备的要求很强烈。为此，进行了调研，总结出原设备存在的问题主要有：系统终端数量增加了，原设备不易扩容随着时代的变化，图像传输系统中监控终端的数量和信号来源点的数量都增加了，原设备端口数量己满足不了新的要求，需要扩容，但原设备并没有直接扩容的余地。为了扩大切换矩阵的容量，曾使用矩阵级连外加分配器或选择器的方法，结果是连线越来越多，操作越来越复杂、设备的可靠性降低了，操作的出错率增加了。音、视频信号切换不同步在航天发射场的监控调度指挥系统中，音频和视频传输系统是在不同时期建立的，它们实际上是两个分立的系统，线路的链接是独立操作的，二者不可能达到同步。例如一个指挥位要监控到某个任务点的图像和声音，则要由操作员对图像和声音系统分别切换。就是说，要完成一次切换，就得对两个系统分别进行操作，如果先完成图像通道的切换，再去进行声音通道的切换，要完成这两个操作，手动输入数据总会有个过程，中间就会有一个声图“错位”期，即某监视位会得到a 点的图像和b 点的声音；如果实际操作中再发生忙中出错的现象，可能会出现a 点图像和c 点声音一起送给某监视点的情况。操作复杂，现场操作容易出错第1 页国防科技大学研究生院学位论文原有设备是按键式数据输入的控制方式，和输入端口的数据，而至少要输入5 个键值，完成一次切换，要从键盘分别键入输出端e l而完成次完整的音视频切换，要对设备键入两次数据。这样的操作是复杂的，操作手的熟练程度的不同，完成一次操作所用时间也不相同，时间范围可从几秒到几十秒。就是说，信号切换的速度和时间差以及准确性都对人的因素有很大的依赖。操作原设备时，键入的是端口的数字编号，而指令下达时往往要求的是某某站点的名称，这就要求操作员熟记端口编号与站点名称的对应关系，操作键入时，要求快而准。提高速度和准确性，是对操作手的训练内容。然而，实际工作中，切换操作并不频繁，训练多而“实战 少，真要现场切换时，操作手唯恐出错，心理压力大。对以上问题进行分析，可以得出以下结论：( 1 )原设备容量已不能满足新的需求，既然改造不易，那么淘汰就是必然的选择。( 2 )新的设备不仅是原设备的简单扩容，它必须在操作方式等方面有很大的变化，关键的地方有两个：一是操作输入方式要简单化，二是音视频信号切换要以一个操作动作完成两个切换，就是说，在保持语音和图像信号独立传输的状态不变的前提下，音视频信号的联动切换要改成机器自动完成，而不是由人来完成。如果从技术上实现了同步切换和操作简化，则容易出错和操作员心理压力大的问题就都应刃而解了。为了解决前述问题，经过论证，确立了研制新的满足航天发射场特殊需求的音视频同步切换的开关矩阵的课题。1 1 2 课题的意义课题目标是研制一套音视频同步切换的开关矩阵，以满足航天发射场试验任务现场对音视频信号同步传输与切换的要求，为各级首长和指挥员及时决策指挥提供有力的保障。此课题是为解决航天发射场监控调度指挥系统中的某个问题而提出，它的研制成功，将在航天发射场的声图传输系统中得到应用，解决航天发射场遇到的实际问题；此外，它所完成的产品完全可以用于其它需要音视频信号同步切换的场所。所以说，本课题研究的成果具有良好的应用前景。1 2 音视频同步切换矩阵概述音视频同步切换矩阵是近年才出现的，目前其产品和技术仍在不断变化和发展中。在音视频切换系统的发展过程中，也是经历了从独立传输独立切换到独立传输同步切换的过程，由于视频信号的带宽远大于音频信号，容易产生串扰等问题，所以视频矩阵在技术上更难一些，在视频矩阵出现并应用之后，音视频同步切换矩阵才成为可能。可以说，音视频同步矩阵的技术是建立在视频切换矩阵技术之上的。第2 页国防科技大学研究生院学位论文1 2 1 视频切换矩阵概述视频切换矩阵是监控系统中常用的设备，它可以从多路视频信号源中选出路或几路信号送往监视器显示或送往录像设备去记录。视频矩阵是从视频切换器发展而来的。视频切换器技术的发展大概经历了如下几个发展阶段：普通视频切换器、分组视频切换器、矩阵视频切换器【3 2 1 。( 1 )普通视频切换器普通视频切换器又称为顺序切换器或跳台器，它可以从输入的多路视频信号中任意取一路输出，也可以选择多路视频信号按一定顺序输出。就是说，它只有一路输出信号，可以切换到不同的输入信号。时期的普通视频切换器是简单的单刀n 掷机械开关，后来发展出继电器切换的开关，再发展到集成模拟切换器。集成模拟切换器有2 选l 、4 选1 、8 选1 、1 6 选1 等规格，常用的集成模拟切换器有m a x 4 5 3 、m a x 4 5 4 、c d 4 0 5 2 、c d 4 0 6 7 等，都是一路输出，多路输入的。( 2 )分组式视频切换器分组式视频切换器的本质上将多个集成模拟切换器并联使用，用同一个控制信号对多个视频信号进行同步切换，如c d 4 0 5 2 就是包含两组4 选1 的切换器，将两组的控制端口并联使用，就可实现同一控制信号完成不同通道的同步切换。( 3 )矩阵式视频切换器矩阵式视频切换器也称为视频矩阵。视频矩阵的最大特点是多路输入和多路输出，可以实现任一路输出与任一路输入的连接切换，同时保证一路输出在同一时刻只连接一路输入信号，反过来，一路输入却可以接到多路输出上。视频矩阵的出现，是视频切换技术的重大进步，它为切换技术的高集成化提供了先决条件。视频矩阵的主要技术参数有：切换比、隔离度、微分增益和微分相位、输入输出电平及阻抗等等。切换比：指视频最大输入通道数与最大输出通道数之比，如1 6 x 8 即代表最多可以有1 6 路输入和8 路输出。隔离度：指输入的各路信号之间、输入的各路信号与输出的各路信号之间的彼此隔离的程度，用分贝( d b ) 表示。隔离度超高，表示该切换矩阵的扰串扰能力超强。微分增益和微分相位：表示切换后信号的失真程度。微分增益是指切换后输出与输入的视频信号在幅度上的失真程度，它影响图像的色彩饱和度。微分相位是指输入与输出信号彩色副载波相位之差，它影响图像的颜色。输入输出电平及阻抗：指视频矩阵对输入输出信号的电平要求及矩阵的输入输出阻抗，要求设计矩阵必须满足设计规范。一般要求，在输入输出端阻抗为7 5 欧姆时，视频信号的幅度为0 8 v p p - d 2 v p p 。第3 页国防科技大学研究生院学位论文1 2 2 音视频同步矩阵的基本组成现在的音视频同步矩阵一般由视频切换矩阵、音频切换矩阵、切换控制系统、数据输入与显示系统、输入输出接口、机箱等组成。其中，音频切换矩阵和视频切换矩阵可以是相同的集成电路，因为有很多切换矩阵芯片都是音视频信号通用的。切换控制系统一般由微处理器来组成，输入输入与显示系统也可以由微处理器来管理，因此，现代的音视频同步切换矩阵系统离不开微处理器的控制与管理。在这样一个基本的组成框架下，不同厂家研制和生产的音视频同步切换矩阵有不同的特点和工作方式，其软硬件及其它性能方面可能会有较大差距。1 2 3 音视频同步矩阵的设计要点音视频同步切换矩阵的功能基本是一样的，设计中主要考虑的问题有以下几个；( 1 )系统容量一般厂家设计音视频同步切换矩阵，在输入输出通道数量的选择上，往往是系列型的，即用多规格的产品来满足市场的不同需要。如果是为特定的需要或场合设计，则输入输出通道的容量是必须考虑的重要参数，即要考虑现时的需求，也要考虑在今后一段时期内可能的容量增大，设计要有余量。另外，还要选择设备的容量是固定的，还是可扩的。( 2 )控制方式选用什么样的控制方式，是多种方式控制还是单一控制方式，设备的控制界面是否直观、操作方法是否简便，都是设备重要的性能特点，是设计的重要内容。( 3 )结构设计硬件的板块结构设计，直接影响设备的可靠性及维护维修的方便性，是现代设备设计必须重视的内容。目前，模块化设计，板插式结构，被越来越多的设计者所采用。( 4 )性能指标。性能指标是用来定量衡量设备性能的重要参数，性能指标的确定是设备设计的重要前提，性能指标的实现是设计工作的重要目标，性能指标的测定是设备制作后重要的测试内容。( 5 )器件选择器件的选择是设计工作中重要的内容，同一功能的器件，有不同的厂商的型号，选择哪些器件来组成系统，要考虑多方的因素，譬如器件性能、价格、兼容性等等。( 6 )电磁兼容电磁兼容设计是当今任何电磁设备必须重视的内容，音视频同步切换矩阵是应用于通信系统的设备，电磁兼容问题是非常重要的，不论是视频切换矩阵芯片还是切换矩阵设各，其性能指标中与电磁兼容相关的指标都是重要的内容，在进行设备设计时，必须在设计阶段解决可能出现的电磁兼容问题。第4 页国防科技大学研究生院学位论文1 2 4 音视频同步矩阵的主要技术指标作为设备的音视频同步切换矩阵，其性能指标主要有：视频输入指标：包括连接方式、阻抗、反射损耗、信号幅度等。视频输出指标：包括连接方式、阻抗、反射损耗、信号幅度等。视频特性：包括增益、频响、信噪比、微分增益与微分相位、串扰。路径差等。、音频输入指标：包括连接方式、阻抗、电平、共模拟制比等。音频输出指标：包括连接方式、阻抗、电平、输出直流等。音频特性：包括增益、频响、信噪比、串扰等。音视频同步切换矩阵作为一个信号切换设备，它的职能是尽量保持信号的原样，完整地将信号从输入端口切换到输出端口，因此，一般要求信号的增益为0 d b ，损耗、串扰及各种其它失真越小越好。1 2 5 音视频同步矩阵产品的现状音视频同步切换矩阵是近年才出现的产品，它是在视频切换矩阵的基础上发展起来的，但其发展迅速，在i n t n e t 上搜索，可以看到的产品广告很多，品牌多样，各种容量形成系列，控制方式、结构设计等依厂家不同而有所不同。对多家产品进行比对分析，可以略知音视频同步切换矩阵产品的现状，总结如下：( 1 )品牌较多，外观多样。在i n t n e t 上看到的产品介绍等信息中看出，目前在网上推销音视频同步切换矩阵产品的厂家至少有十几家，不同厂家的产品系列有不同的外观，其信号接口、控制面板等都各呈异彩。( 2 )容量形成系列。小规模、中规模、大规模的都有，容量的划分上，没有明确的界定，一般把8 x 8 以下的称为小规模( 小型) ，把8 x 8 到1 6 x 1 6 之间的称为中规模( 中型) ，把2 4 x 2 4 以上的称为大规模( 大型) 。( 3 )控制方式基本有三种：本机键盘键入方式、p c 机控制方式、遥控输入方式。有些设备提供一种控制方式，有些设备则提供两种甚至三种控制模式，有的设备上设置了两个r s 2 3 2 接1 2 1 ，可以接受两台p c 机的控制。( 4 )显示形式不一。有地低容量的音视频同步切换矩阵产品不带显示，有的用l e d显示，有的用l c d 显示。( 5 )设计结构各异。有些是封闭式结构，整机结构紧凑；有些是插拨式板块结构，维护维修方便。( 6 )可扩容性不同。大部分产品的容量是固定的，设计上没有留下扩容余地；有些则采用开放式结构，用板块结构，扩容容易。另外，i n t n e t 上相关的产品广告虽然较多，但相关的论文或技术文章却很少。纵观这些产品，可以发现，音视频同步切换矩阵仍处于发展阶段，尚未形成市场垄断，产品形式也第5 页国防科技大学研究生院学位论文没有形成标准。从技术设计的角度看，仍有很大的发展空间。1 3 课题研究的主要工作和论文结构安排1 3 1 课题的目标课题研究的直接目标是研制出一台设备，设备的基本功能是音视频同步切换的开关矩阵，同时设备应具有适合航天发射场特点使用场所需求的一些性能特点。1 3 2 课题要完成的主要工作课题研究要解决的问题和主要工作有以下几个方面：1 ) 研究该设备应用场合的特点和其它各种信息，对现实需求和未来一段时期内的需求进行分析，确定所研制的设备应具有的功能、操作方式、性能参数、外部特性等。由于此设备是单位自用的，它的应用，不但要解决现有的问题，还要有一定的前瞻性，希望它在一定的时期内仍能满足需求，具有较长的适应性，设备具有哪些功能，具备怎样的特点，都是需要认真研究的。这项工作是设备研制初期的必备内容，要进行多种形式的调查研究，征求多方面的意见和建议，并进行某些前瞻性的思考才能完成。2 ) 完成总体设计。确定了设备功能、操作方式、性能参数、外部特性等内容以后，要完成总体的设计。总体设计的内容包括：选择功能实现的技术方法、设计设备结构、划分设备内部的功能块，确定各功能块之间的关联关系，等等。总体设计的关键在于如何保证设计所采用的结构和电路及软、硬件设计在实现特定功能的同时，使设备具有指定的外部特性。完成各功能块的软硬件设计，实现各块的功能。各分系统的设计是设备设计的重要内容，它是最后实现设备制作的直接依据。4 ) 进行电磁兼容设计。电磁兼容设计是电子设备设计的重要内容，它应贯穿于系统设计的各个部分，从总体设计到各分系统设计，都要重视电磁兼容，否则，在制作和调试过程中甚至是在设备投入运行后再去发现和解决电磁兼容问题，是非常被动的。所以，在设计阶段就要充分地考虑电磁兼容的问题，要尽可能地在设计阶段解决电磁兼容问题。5 1 进行实际的制作与调试。将系统各部分设计完成后，要进行实际的制作与调试，对设计进行验证，发现设计中存在的各种问题，然后解决这些问题，到最后做出一个可以实用的完整的音视频同步切换的开关矩阵，它将成为航天发射场监控调度指挥系统中的一台设备。设备制作成功后，还要进行运行验证，对各种性能进行检验，根据实际出现的问题进行进一步的调整和实验，直到系统功能与性能达到预期的目标。第6 页国防科技大学研究生院学位论文本课题完成之后的直接结果是一台设备，目前此设备己投入使用。实践证明本文所述的设计实现了预期的目标，解决了实际问题，满足了实际需求。1 3 3 论文结构安排本论文共分四章。第一章是绪论，阐述课题研究的背景、意义和主要工作，并对音视频同步切换矩阵的技术进行综述。第二章是系统总体设计，完成系统功能、性能特点、外部特性、控制方式等方面的设计，并对系统进行结构设计，完成系统内部组成框图的设计。第三章是分系统设计，完成各分系统的软硬件设计。第四章为总结，对所设计的设备的性能进行较全面的总结，并对设计工作进行回顾和评价，以汲取经验和教训，为今后的科研实践提供经验。本章小结本章对航天发射场图像传输系统切换矩阵的现状进行了调查和研究，分析了存在的问题，阐述了课题研究的背景、意义和主要工作，说明了课题研究的意义和应用价值，并对音视频同步切换矩阵的技术进行了学习研究和综述，最后对论文结构安排做了说明。第7 页国防科技大学研究生院学位论文第二章总体设计2 1 设备功能与外部特性的设计此课题最终的成果将是一台实用的设备，它不但要能实现所要求的内在功能，还应具有一定的外部特性。这些功能与特性的总和，即是对设备的总体要求。本课题中，设备该具有哪些功能，具有怎样的外部特性，并不是已知的，也不是给定的，而是需要设计的。2 1 1 设备的功能设计设备的基本功能是实现音、视频信号通道的同步切换。就是说，在不改变原有的音、视频信号独立传输的状况下，将同一任务点传来的音、视频信号成对编组，输入本设备，本设备输出的信号不改变输入的编组状态，仍以独立传输但成对编组的形式送到指点的监视指挥支路。本设备的本质是一个成对切换音、视频信号的开关矩阵，它能将任一组输入端子与任一组输出端子相连。简单地说，它的功能相当于电话系统的交换机，只是它交换的是成对的音、视频信号。当然，与电话交换机相比，它的容量要求要低得多。2 1 2 设备的外部特性设计本设备是应工作需要而设计的，在系统设计中，首先要对设备的外部特性做一个全面的考虑，这些外部特性就是设备的总体性能。经过多方论证，要求本设备必须具备以下的外部特性。设备要便于扩容监控与调度管理系统中终端数量也是与时俱进的，终端数量增加到一定程度，原有的切换开关就不能满足容量要求了，扩容工作的难易就是决定新研制的设备使用寿命的重要因素。本系统中的原有设备需要被淘汰的直接原因就是容量不足又不易扩容。所以，便于扩容，就是对新设备的首要要求。首先，设计通道容量要有一定的余量。在满足近期通道容量的前提下，要保证在一定时期内不需要改造或升级设备就能直接增加用户数量。其次，当需要改造设备进行扩容升级时，改造升级工作要简单化。操作要简便这是现代设备的潮流，也是实际工作的需要。设备的操作越简单，临场出错的机会就越少，人机配合就越容易，从调度人员接到指令到操作完毕机器完成切换的时间就越短，即人机联合的响应时间就越短。允许带电拨插信号线该设备同时连接多路信号线，在工作中有时需要拨插某路信号线，这是在所难免的。国防科技大学研究生院学位论文在拨插某个信号线时，不应该影响到其它支路的正常工作，所以不能为拨插某个信号线而将整机电源关闭。这就要求设备允许带电拨插信号线，就是说，不能因为带电拨插信号端子而造成任何可能的故障。设备要易于维护和维修该设备本质是一个微型交换机，它上面连接着很多信号线，这些信号线的位置、布局、固定等都是比较细小而繁琐的工作，工作中要尽量减小线路的变动。当该设备出现故障时，如果维修工作需要把这些外连的线全拨下，所带来的麻烦是很大的。要避免这样的麻烦，就要求设备的维护与维修要简单易行，要在设备整体及外连线基本不动的情况下，现场维修，而且要求维修工作时间要短，基本不影响整个监控调度指挥系统的正常运行。设备要有双重控制数据输入方式首先，此设备功能要完整，它要带有本机键盘，可以通过本机键盘输入数据；其次，它要能进行某种方式的摇控数据输入，这是因为它本身连有很多的信号线，其放置的位置不应太靠近人员工作位，况且其内部的矩阵开关的切换并非经常性动作，人员也无必要一直守在它旁边，所以摇控功能是很有必要的。综合其它因素后，确定摇控方式为使用p c 机通过r s 2 3 2 串口进行通讯控制。2 1 3 技术指标综合考虑多种因素，参阅有关设计文献后，确定该音视频同步矩阵切换系统要满足以下指标【2 】。视频指标输入信号类型：2 5 6 路复合视频输出信号类型：4 8 路复合视频增益：0d b带宽：3 0 0 m h z 8 0 m h z ( - 3 d b ) ，满载亮色度干扰：- 5 5 d b 10 5m h z ，微分相位：o 0 5 0 ( i 也= 1 5 0q )微分增益：0 0 5 ( i u = 1 5 0q )切换速度：1 8 0 n s输入接口：b n c 接口最小电平：0 5v p p ：最大电平：1 0v p - p阻抗：7 5q回波损耗：3 0 0 b 5 m h z输出接口：b n c 接口第9 页国防科技大学研究生院学位论文输出电平：o 7 v p - p阻抗：7 5q音频指标输入信号类型单声道，非平衡输入接口b n c 接口输入阻抗 6 0 0 q额定输入电平+ 4d b u最大电平+ 4 d b u放大倍数o 1 d b输出信号类型单声道，非平衡输出接口b n c 接口输出阻抗 6 0 0 q音频视频切换时间差： 2 0 0 0 0 小时电源：输入：1 0 0 v a c 2 6 0 v a c ，5 0 6 0h z ；输出：根据实际电路需要选定机箱规格：1 9 ”6 u2 2 系统结构设计2 2 1 本系统结构设计的基本内容及论证结构设计的关键是，既要实现系统的内在功能，又要使设备具有特定的外部特性，设计方案必须综合多方面的因素来确定。设备内部采用模块式结构，各功能块完全独立，板块之间的联接全部使用插接方式。这是参照p c 机的组织方式而采用的结构，这样做可以满足几个方面的总体要求。首先，便于维护和维修，设备出现故障时仅仅通过拨插就能更换相应的电路板，维修速度快。第二，便于扩容，采用与p c 机相仿的插槽结构，插入新的输入和输出板，就能直接实现扩容。板块之间的通信全部采用总线结构，这样可以大大简化硬件电路，并使各模块之间第1 0 页国防科技大学研究生院学位论文的独立性更强。与机箱固定的电路板上不包含任何电子元器件，只提供总线和其它电路板接口。这样做，可以彻底使设备的维修快速化，因为所有有元器件的电路板都是可以快速拨插的，只要有备份件，就可在很短的时间内更换。综合考虑总体要求中的“操作简便 和“双重控制数据输入方式 的两个因素，结合现在调度工作人员更多地是眼观屏幕、手持鼠标的情况，加之w i n d o w s 平台下的鼠标操作确实比键盘操作要方便得多，决定将该设备的数据输入方式确定为以p c 机上的鼠标和键盘为基本方式，而将本机键盘输入数据做为补充方式。这样，把p c 机作为人机对话的基本界面，就可真正实现操作简便的要求。为此，就要求在p c 机上开发一套专门面对此设备的控制程序，这套程序将成为调度人员进行切换指令输入的基本平台。2 2 2 设备结构方框图综合各种因素，经过几次论证，确定该系统的结构如图2 1 所示。该系统由七大部分组成，下面分别说明各部分的功能及其与其它部分的关系。p 0 机p c 机是本系统的人机界面，通过专用的控制程序，工作人员利用p c 机的鼠标或键盘输入指令，以控制音、视频信号输入输出的切换。此p c 机是本系统的构成部分，它通过标准r s 2 3 2 串口与音视频切换开关矩阵设备中的图2 1 系统结构方框图i本机部分：；单片机进行通讯，从而控制该设备的工作，但它不是专用设备，它是一台普通的p c 机，在用于此系统的同时，还可以有其它的用途。在此音视频切换开关矩阵系统的开发工作中，不需要改造p c 机，只需要开发一套专用的控制程序。p c 机游离于主机之外，它与主设备的物理连接就是r s 2 3 2 串口通信线。图中的其它6 部分则构成此系统的主机。第1 1 页国防科技大学研究生院学位论文主控板主控板是本系统的“大脑”，它负责对外联络与对内控制。它与p c 机进行通信，以接收切换指令和其它命令，继而向其它模块发出指令，以实现控制功能。同时，它还随时监控本机键盘，并对本机显示电路进行控制等。输入与切换板输入与切换板电路包括输入端子、切换矩阵和单片机，共三大部分。输入与切换板的外端连接输入信号电缆，其输出端则将音、视频信号送入信号总线，介于输入和输出之间的是其核心电路一一音视频切换开关矩阵。为了实现总线结构和易扩展性，每个输入与切换板上都有独立的单片机，此单片机的作用是与主控板进行通信和控制所在输入与切换板中的开关矩阵的切换。由于空间的限制，每块输入与切换板只提供1 6 路音频b n c 输入接口或1 6 路视频b n c输入接口，音频板和视频板分立。增加输入接口数量的方法是使用多块输入与切换板，每插入一对输入与切换板，就增加1 6 对音、视频输入接口。输入与切换板的数量，决定该设备可以连接多少路输入和输出信号。设备配置多少个输入与切换板，则要根据实际需要来选择。本设备的设计要求最多可容纳2 5 6 对输入通道，即最多可插入1 6 对输入与切换板。为了实现“便于扩容”和“易于维护”的目标，输入与切换板要能够即插即用，插的板多，输入的信号通道数就多，而不需要将设备电路作其它改变。需要说明的是，硬件上音频和视频输入板是完全独立的，它们的切换配置也是各板独立完成，实现同一对音频和视频通道同步切换的功能，要由软件设计来完成。输出接口板输出接1 ：3 板分为音频输出接口板和视频输出接口板，它们的基本功能是提供音频与视频的信号输出端子。同样由于空间的限制，将音频输出板和视频输出板分立，每块音频输出接口板提供1 6路b n c 输出接口，每块视频输出接口板提供1 6 路b n c 输出接1 2 1 。输出接1 2 1 板同样做成即插即用的，根据实际需要来选择接口板的数量。本设备的设计要求是最多可容纳4 8 对输出通道，即最多可插入3 对输出接口板。这样的设计，就可使扩容工作很方便，而且设备的输入输出通道的容量也很灵活，通过调整输入与切换板和输出接口板和数量及板上的转换矩阵的数量，可以实现1 6 x 1 6 ，1 6 x 3 2 ，1 6 x 4 8 2 5 6 x 1 6 、2 5 6 x 3 2 、2 5 6 x 4 8 的任意容量组合。扩展接口板：机箱的体积总是有限的，选用的单个机箱最多只能构成4 8 输入4 8 输出，当输入信号大于4 8 时，必须增加一个扩展机箱，扩展接口板用于主控机箱与扩展机箱之间输出视频、音频总线以及通信总线和电源总线的连接。第1 2 页国防科技大学研究生院学位论文电源电源部分将市电2 2 0 v 交流电转换为多路直流电压，为机箱内各电路板提供工作电源。电源的输出电压将根据其它电路的工作要求来确定。本机键盘与显示用于在p c 机不使用时，输入和显示切换指令。2 3 设备中的总线设计使用总线结构是本设备实现模块化设计的基础，设备中各转换板的输出信号都要搭接在信号总线上，c p u 与电路和电路板之间的通信也要通过总线进行。为了确保设备各部分之间能够有效地传递数据，确保设备作为一个整体运行可靠且有效地工作，必须具有一组完善的设备总线协议【4 】，这组设备总线应该具有以下能力：( 1 ) 能够自动识别插槽的物理地址；( 2 ) 能够通过握手协议来判断需要进行的通信过程类型；( 3 ) 能够有效实现双向数据交换；( 4 ) 能够有效地进行数据容错处理；( 5 ) 考虑设备体积的限制，信号线的数目要少。2 3 1 本设备中需要的总线及其特点和选型本设备中的总线有以下几组：( 1 ) 信号输出总线。每块视频、音频输入转换板上有4 8 路输出端子，每块板上的输出端子都搭接在总线板上的信号总线上。总线板上共有4 8 根视频信号总线和4 8根音频信号总线。信号总线单向传递信号，使用时要求搭接在同一信号线上的各输出端口不能同时输出信号，即要求同一时刻搭接在同一信号线上的各端口只有一个输出信号，其它端口处于高阻态。不同的a d 8 11 3 之间并没有硬件上的联动机制，要保证搭接在同一信号总线上的多个输出端口中只有一个端口打开而其它端口都处于高阻态，必须在软件编程时通过一定的方法来进行联动。( 2 ) 输入与切换板中单片机与a d 8 1 1 3 的通信总线。每块输入与切换板上有三块a d 8 1 1 3 ，它们与板上c p u 的通信也通过总线来完成。这个通信总线比较简单，输入切换指令时，用片选信号来选择芯片，其它信号线共用。如果c p u 的i o 口够用，此处也可不用总线结构。( 3 ) 输入与切换板与主控板的通信总线。设备内有多块输入与切换板，它们与主控板的通信采用总线方式。就是说，主控板要与多个输入与切换板通信，是一点对多点的通信，主控板是中心，各输入与切换板是并列的，各输入与切换板之间没有通信。因此，输入与切换板与主控板的通信总线选用4 线制r s - 4 8 5 主从式结构。第1 3 页国防科技大学研究生院学位论文( 4 ) 主控板与p c 机之间的通信总线。这是点对点的通信，使用r s 2 3 2 接口。2 3 2 串行通信协议串行通信协议是为了提高通信可靠性及容错能力，以保证在部分总线信号出现故障时设备仍能有效地工作。串行通信采用异步通信模式，数据格式为1 位起始位，8 位数据，1 位停止位，无校验，波特率为9 6 0 0 。数据传输采用数据帧的形式f 1 8 】，收发双方都要具有传送超时机制，在规定时间内没有完成数据传输时，收发双方各自产生超时错误，恢复到空闲状态。容错采用错误重发机制，当出现数据传输错误时，发送方准备再次发送数据帧，接收方则做好接收数据的准备。如果连续三次以上出现相同的错误则认为是故障。数据帧格式如下：( 1 ) 帧头：数据包以7 e h 开始，以7 e h 结束。数据包内的7 e h 以7 f h 、0 0 h 两个字符代替，7 f h 以7 f h 、0 f f h 两个字符代替：( 3 ) 协议版本：l 字节，组合b c d 码，表示范围为1 o 到9 9 。如1 0 h ，表示版本为1 0 。为将来协议升级或变更做准备。( 4 ) 机箱号+ 槽位号：1 字节，机箱号为高4 位，槽位号为低四个字节。( 5 ) 命令字：l 字节，( 6 ) 长度：1 字节，表示后面的数据的字节数。( 7 ) 参数：传送的控制数据( 8 ) 累加和：2 字节，从协议版本号到所有字段的按字节代数和。任何一个数据包都必须返回确认包，包中的确认码指示数据接收的结果，定义如下：确认码含义o正确1参数错误2无效命令字3累加和错误4包长度错误5超时错误2 4 设备中的几个重要关系的设计第1 4 页国防科技大学研究生院学位论文2 4 1 音视频信号的独立传输与同步切换的关系在本系统设计中，不改变原有的系统中音频信号和视频信号独立传输的状态，但要实现它们的同步切换。具体做法是将同一点传来的音频和视频信号编为一组，分送到本系统的一对输入端口，然后从编成一组的一对输出端口输出。但系统内同一组音频信号和视频信号的传输通道完全独立，它们的同步切换由软件来实现。2 4 2 主控板与各输入切换板的主从控制与独立工作的关系各输入与切换板的切换指令和切换数据由主控板送来，在控制方式上，是主从式结构，但它们的工作又是独立的，当各输入与切换板进入正常的工作状态以后，即使是拨去主控板，输入与切换板的工作亦不受影响。在各分系统设计时，要充分考虑到这种关系是总体设计要求之一，在分系统设计时要能实现这样的目标。2 4 3 各输入切换板之间及其与输出接口板之间的独立关系各输入切换板之间是独立的，系统工作时，如果拨去一个输入切换板或一个输出板时，其它输入切换板和输出板不应该受到影响。这也是总体设计要求之一，各分系统设计时要考虑这个要求。2 4 4 本机键盘输入控制与p c 机界面输入控制的关系二者在结构上是平行的关系，但有优先级的差别，本系统中p c 机的输入控制为基本方式，本机键盘的输入为补充方式，一般情况下，使用p c 机进行操作，当p c 机操作无法实现时，可用本机键盘输入数据；当二者都不数据输入时，p c 机优先于本机键盘。本章小结本章研究了航天发射场图像传输系统中拟研制的音视频同步开关矩阵应具有的功能、操作方式、性能参数，进一步研究了使用环境对该设备的外在要求，设计了该设备应具有的外部特性。并以上述内容为指引，完成了设备的系统结构设计，论述了所采用的结构与外部特性之间的关联关系，设计了系统的内部组成方框图和总线协议。第1 5 页国防科技大学研究生院学位论文第三章分系统设计3 1 输入与切换板的设计输入与切换板是本设备的核心电路，它的作用是接入要控制的音频和视频信号，并将信号输入切换矩阵，经切换后输出。为了控制矩阵的切换，要用单片机来做控制单元，因此，输入与切换板电路包括输入端子、切换矩阵和单片机三大部分。其方框图如图3 1 所示。输入与切换板的核心电路是音视频切换开关矩阵。经对比分析，决定选用a n a l o g 公司的a d 8 1 1 3 集成电路作为此输入与切换板中的矩阵切换芯片。3 1 1a d 8 11 3 矩阵切换芯片介绍3 1 1 1a d 8 1 1 3 芯片功能介绍输出至4 8路信号总线圈线图3 1 输入接口板方框图a d 8 11 3 是1 6 x 1 6 高速不闭塞开关阵列【6 】( h i g hs p e e dn o n b l o c k i n gs w i t c ha r r a y ) ，可以用来制作模拟和数字的音频路由器( a n a l o g d i g i t a la u d i or o u t e r s ) 、视频路由器( v e d i or o u t e r s ) 。它的内部方框图如图3 2 所示。州州拉谯d 曩枞m o i ma d 8 11 3 主要具有如下特点：它是一个全缓冲交叉开关矩阵( am l l yb u f f e r e dc r o s s p o i n ts w i t c hm a t r i x ) ，音频应用时工作电压为士1 2 v ，视频应用时工作电压为+ 5 v 。既可采用串1 ：3 编程模式，也可采用并口编程模式。在采用并口编程模式时，既一茄可对1 6 个输出一起编程，也可以对某个输出单独编程。1 6 个独立的输出缓冲器可以置于高阻态，即当某输出端设定为禁止输出时，图3 2a d s l l 3 内部结构图它对外呈现高阻态，因而，多片a d 8 1 1 3 的输出端可直接用导线并接，这为以总线结构组成大容量切换矩阵的设计提供了极大的方便。输出级有补偿网络和射极跟随器构成的输出缓冲器，内部的电压负反馈电路口哿国防科技大学研究生院学位论文使其具有稳定的增益，g = + 2 ( v v )a d 8 1 1 3 的一3 d b 信号带宽大于6 0 m h z ，开关切换时间小于6 0 n s ，在2 0 k h z频率时，串扰( c r o s s t a l k ) 为8 3 d b ，隔离度( i s o l a t i o n ) 为9 0 d b 。差分增益和差分相位分别好于0 1 和o 1 0 。其工作温度为商业温度标准的0 c + 7 0 c 。上电复位时输出端全部被禁止，保证输出总线上不发生冲突。3 1 1 2a d 8 1 1 3 的操作真值表表3 1a d 8 1 1 3 操作真值表s e l 甜穗u p d a t ec l kd a t a i nd a l 7 ao u tr e s e l l ? a ro p e f 训o n 托：1 w 匿吼e n ilxxxxxxn od 域e i n l o g i c 0ifd 叠b jd a t a 诩lon 埒d a t ao nt h es c r i a ld a t anl i a e 扭l o a d e di n t os e r i a lr e g i s t e r t kf i r s tb i tc l o c k e di n t ot h e 瓣l 主曩lr e g i s t e ra p p e a r s 啦d a t ao u t d o c k sl a t e r olfd o d 4 ，n a i n p a l l i dilt h ed g t ao nt h ep 叠r a l i dd a t ai i n e s , 1 3 0 - 1 3 4 。埘a o a 3m o d et o a d e di i i t ot h e8 0 - b i ts e r i a ls h i f tr 嚎髓盯l o c a -t i o na d d r e s s e db va o a 3 ooxxxlxd a t ai nt h