本文主要介紹了基于fpga的視頻監(jiān)控主機系統(tǒng)硬件設(shè)計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，單片機和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)視頻信息的存儲及傳輸，報警信息自動存儲，usb信息拷貝，允許多路同時報警及遠距離控制云臺等功能，使得監(jiān)控控制系統(tǒng)工作效率有了進一步的提高。
1、視頻信號選擇電路的設(shè)計
系統(tǒng)外部前端設(shè)備攝像機錄入各個門禁場所視頻，通過視頻傳輸線路傳到主機控制系統(tǒng)的視頻信號選擇電路視頻信號。選擇電路具有四路視頻輸入、四路視頻輸出，一個公共視頻端輸出。一方面視頻信號經(jīng)過max4090進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)場活動情況，同時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視頻信息進行存儲并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻信息;輸出的視頻信號通過fpga的控制轉(zhuǎn)換為可視信號并存儲到pc中，同時fpga可以不斷檢測視頻警報信號量來觸發(fā)報警信號。
如圖所示為只有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為視頻信號輸入端，j5，j9為視頻信號輸出端.con2為短路跳線對相應(yīng)的通道進行連通與斷開。當(dāng)con2斷開時，相應(yīng)的通道連通，視頻信號從左邊輸入，經(jīng)過匹配后從右邊輸出;當(dāng)con2連通時，則視頻信號輸入后不能經(jīng)過匹配處理而直接輸出。然后利max4090用進行阻抗匹配進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，該電平獨立于輸入視頻信號的直流電平。一個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，并提供最佳的信號條件。
2、usb接口電路的設(shè)計
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usb接口電路。
usb電路如圖所示，usb功能采用常見的ch375芯片作為usb借口控制芯片。ch375是一個usb總線的通用借口芯片，支持usb-host主機方式和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/dsp/mcu/mpu等控制器的系統(tǒng)總線上。在usb主機方式下，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/dsp/mcu/mpu等相連接。ch375有串口和并口兩種與單片機的連接方式，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。
3、fpga的eprom及單片機存儲電路設(shè)計
系統(tǒng)中使用了at24c512eeprom器件作為主要存儲芯片，它的存儲容量為512k及單片機對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、從機地址的發(fā)送、數(shù)據(jù)的傳送和停止(stop)條件。每一個時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sda線上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，否則將認為是一個控制信號。這樣設(shè)計的優(yōu)點體現(xiàn)在其簡單性和有效性上。
如圖所示電路，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)手冊選擇，通?？蛇x5k到10k的電阻，本設(shè)計中選用的電阻阻值為10k)后再接單片機的普通i/o口，即可實現(xiàn)單片機對at24c512的操作。在對at24c512開始操作前，需要先發(fā)一個8位的地址字來選擇芯片以進行讀寫。其中要注意“10100”為at24c512固定的前5位二進制;a0、a1 用于對多個at24c512加以區(qū)分;r/w為讀寫操作位，為1時表示讀操作，為0時表示寫操作。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芯片和單片機都有eeprom讀寫的功能，但并不是說它們擁有各自獨立的eeprom 芯片，而是兩片單片機共同復(fù)用eeprom芯片。如果兩個芯片同時讀寫eeprom芯片，則單片機肯定會產(chǎn)生死機現(xiàn)象，因此需要一個嚴格的機制保證不會出 現(xiàn)兩片單片機同時讀或者寫eprom芯片的現(xiàn)象。該機制稱為eprom復(fù)用關(guān)系，即采用一個握手信號協(xié)調(diào)兩者的使用。
在視頻選擇電路中采用了交流耦合技術(shù)，這樣設(shè)計有利于保持高清晰視頻信號的傳輸。同時利用fpga作為中央控制部分的，采用了并行的兩塊單片機 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控制，既了協(xié)調(diào)視頻信號的實時監(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。