本文主要介紹了基于FPGA的視頻監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的多路視頻采集電路、USB接口電路、串口轉(zhuǎn)換及通信電路等電路的設(shè)計(jì)，單片機(jī)和FPGA的并行使用可以使數(shù)據(jù)傳輸更加協(xié)調(diào)，提高系統(tǒng)可靠性。該硬件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視頻信息的存儲(chǔ)及傳輸，報(bào)警信息自動(dòng)存儲(chǔ)，USB信息拷貝，允許多路同時(shí)報(bào)警及遠(yuǎn)距離控制云臺(tái)等功能，使得監(jiān)控控制系統(tǒng)工作效率有了進(jìn)一步的提高。

視頻信號(hào)選擇電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)外部前端設(shè)備攝像機(jī)錄入各個(gè)門禁場所視頻，通過視頻傳輸線路傳到主機(jī)控制系統(tǒng)的視頻信號(hào)選擇電路視頻信號(hào)。選擇電路具有四路視頻輸入、四路視頻輸出，一個(gè)公共視頻端輸出。一方面視頻信號(hào)經(jīng)過MAX4090進(jìn)行阻抗匹配后從四路視頻輸出，供管理人員查看門禁的現(xiàn)場活動(dòng)情況，同時(shí)在公共視頻端不僅可以輸出一路視頻，而且可以通過視頻處理板對(duì)視頻信息進(jìn)行存儲(chǔ)并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻信息;輸出的視頻信號(hào)通過FPGA的控制轉(zhuǎn)換為可視信號(hào)并存儲(chǔ)到PC 中，同時(shí)FPGA可以不斷檢測(cè)視頻警報(bào)信號(hào)量來觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。

如圖2所示為只有1路輸入，1路輸出并帶有一路公共視頻的電路圖作為視頻選擇電路系統(tǒng)的講解示意，J1為視頻信號(hào)輸入端，J5，J9為視頻信號(hào)輸出端.CON2為短路跳線對(duì)相應(yīng)的通道進(jìn)行連通與斷開。當(dāng)CON2斷開時(shí)，相應(yīng)的通道連通，視頻信號(hào)從左邊輸入，經(jīng)過匹配后從右邊輸出;當(dāng)CON2連通 時(shí)，則視頻信號(hào)輸入后不能經(jīng)過匹配處理而直接輸出。然后利MAX4090用進(jìn)行阻抗匹配進(jìn)行多路視頻的選擇輸出。該電路使用了交流耦合輸出方式。從技術(shù)特征出發(fā)，將視頻信號(hào)輸出到媒體顯示設(shè)備的最普遍方法是交流耦合，這使得接收電路可以在自己的輸入端建立共模電平，該電平獨(dú)立于輸入視頻信號(hào)的直流電平。一 個(gè)75歐的串聯(lián)電阻應(yīng)該盡可能近地放在靠近輸出端的位置，這有助于隔離從輸出端產(chǎn)生的下行寄生干擾，并提供最佳的信號(hào)條件。

USB接口電路的設(shè)計(jì)

為了方便的使用USB攝像頭及USB的數(shù)據(jù)下載通道，系統(tǒng)總需要設(shè)計(jì)USB接口電路。

USB電路如圖3所示，USB功能采用常見的CH375芯片作為USB借口控制芯片。CH375是一個(gè)USB總線的通用借口芯片，支持USB- HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式。 在本地端，CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。在 USB主機(jī)方式下，CH375 還提供了串行通訊方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機(jī)/DSP/MCU/MPU等相連接。CH375有串口和并口兩種與單片機(jī)的連接方式，在本系統(tǒng)中，CH375 芯片是通過并行方式連接到副控制芯片的，CH375的 TXD引腳通過1千歐左右的下拉電阻接地或者直接接地，從而使CH375工作于并口方式。這種并行連接方式極大的提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。

FPGA的EPROM及單片機(jī)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中使用了AT24C512EEPROM器件作為主要存儲(chǔ)芯片，它的存儲(chǔ)容量為512K及單片機(jī)對(duì)AT24C51系列E2PROM的讀寫操作 完全遵守12C總線的主收從發(fā)和主發(fā)從收的規(guī)則。數(shù)據(jù)的傳送由四部分組成：起始(START)條件、從機(jī)地址的發(fā)送、數(shù)據(jù)的傳送和停止(STOP)條件。 每一個(gè)時(shí)鐘高電平中期間傳送一位數(shù)據(jù)，而且在SCL線為高電平時(shí)SDA線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，否則將認(rèn)為是一個(gè)控制信號(hào)。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在其簡單性 和有效性上?！　?/p>

如圖4所示電路，一般A0、A1、WP接VCC或GND，SCL、SDA接上拉電阻(上拉電阻的阻值可參考有關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇，通?？蛇x5K到 10K的電阻，本設(shè)計(jì)中選用的電阻阻值為10K)后再接單片機(jī)的普通I/O口，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)AT24C512的操作。在對(duì)AT24C512開始操作 前，需要先發(fā)一個(gè)8位的地址字來選擇芯片以進(jìn)行讀寫。其中要注意“10100”為AT24C512固定的前5位二進(jìn)制;A0、A1 用于對(duì)多個(gè)AT24C512加以區(qū)分;R/W為讀寫操作位，為1時(shí)表示讀操作，為0時(shí)表示寫操作。AT24C512內(nèi)部有512頁，每一頁為128字節(jié)，任一單元的地址為16位，地址范圍為0000—0FFFFH。雖然FPGA芯片和單片機(jī)都有EEPROM讀寫的功能，但并不是說它們擁有各自獨(dú)立的EEPROM 芯片，而是兩片單片機(jī)共同復(fù)用EEPROM芯片。如果兩個(gè)芯片同時(shí)讀寫EEPROM芯片，則單片機(jī)肯定會(huì)產(chǎn)生死機(jī)現(xiàn)象，因此需要一個(gè)嚴(yán)格的機(jī)制保證不會(huì)出 現(xiàn)兩片單片機(jī)同時(shí)讀或者寫EPROM芯片的現(xiàn)象。該機(jī)制稱為EPROM復(fù)用關(guān)系，即采用一個(gè)握手信號(hào)協(xié)調(diào)兩者的使用?！　?/p>

在視頻選擇電路中采用了交流耦合技術(shù)，這樣設(shè)計(jì)有利于保持高清晰視頻信號(hào)的傳輸。同時(shí)利用FPGA作為中央控制部分的，采用了并行的兩塊單片機(jī) 做為副控芯片，一塊用于USB接口的數(shù)據(jù)控制與傳輸，另外一塊用于其它接口操作和外部存儲(chǔ)控制，既了協(xié)調(diào)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與傳輸，又能夠保證FPGA的 處理不受到外部電路的影響，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。