1、VGA 矩阵切换器简介VGA 矩阵切换器英文名 VGA Matrix，矩阵用来表示统计数据等方面的各种有关联的数据。VGA 矩阵切换器又称 VGA 矩阵矩阵切换器在广电行业与显控等行业中，矩阵切换器的应用日益普及，本文主要针对模拟信号(视频、音频、VGA 信号) 矩阵切换器的一些问题进行研讨，因为模拟信号的信号格式、电路形式，主要指标及主要问题基本相同，当然针对不同的带宽、阻抗等会有些差异，但可归为一类问题，而数字矩阵在电路形式等方面与模拟方式差别较大，故另外讨论。矩阵切换的概念及功能 矩阵切换器的概念引用高数中的线性代数的概念，一般指在多路输入的情况下有多路的输出选择，形成下图的矩阵结构，既
2、每一路输出都可与不同的输入信号“短接”，每路输出只能接通某一路输入，但某一路输入都可(同时) 接通不同的输出，如：输出 1=输入 1，输出 2=输入 2，而输出 3=输出 4=输入 3，或者说，每一路输出可“独立”地在输入中进行选择，而不必关心其它通道的输出情况，即可以与其它输出不同，也可以相同。举例说，8 选 4 是指有 4 个独立的输出，每个输出可在 8 个输入中任选，或者说有 4 个独立的 8 选 1，只是 8 个输入是相同的。经常与此混淆的是分配的概念，比如 8 选1 分 4，是指在 8 个输入中选择出 1 个输出，并将其分配成 4 个相同的输出，虽然外观上看有 4 个输出，但这 4
3、个输出是相同的，而不是独立的。一般习惯中，将形成 MN 的结构称为矩阵，而将 M1 的结构称为切换器或选择器，其实不过 N=1 而已，我们在讨论时都当作矩阵对待。矩阵切换器的功能是在多路信号输入的情况下，可独立地根据需要选择多路(包括 1 路)信号进行输出，完成信号的选择。矩阵切换的原理与技术指标电路原理切换原理选择的方式有很多种，最简单的就是将信号线直接接在一起，比如接线板，利用人工将输出信号线跳接在输入信号线上，也可完成选择，或利用琴键开关完成接通与断开，当然这是人工操作的，机械的，不存在指标等技术问题，故不作为矩阵切换讨论。第二种方式，利用继电器也可完成选择，利用电平控制继电器的通断，可
4、完成输出线与输入信号之间的断开与联接，也可完成信号的选择，第三种方式是根据电路原理，利用芯片内部电路的导通与关闭进行接通与关断，并可通过电平进行控制完成信号的选择。继电器方式与芯片方式各有优缺点。继电器方式：如果不考虑输入匹配与输出驱动的电路部分的话，它与联线方式一致，是靠物理接触进行接通与断开，从这个角度上讲，是没有什么指标概念的(最多有接触电阻和反应时间)，因此技术指标好且价格低廉，其缺点在于稳定性较差，毕竟是靠物理接触，继电器有一定寿命，原则上讲，有 8 万次平均无故障操作且操作时有声响，由于线路板走线原因，不能做的规模较大，显得不够高档。芯片方式：由于靠电路进行接通与关断，芯片本身存在
5、技术指标(在输入匹配与输出驱动一样的情况下)，因此要保障技术指标，就要选择专用的切换芯片，因此价格较高，但稳定性好，可形成的矩阵规模较大。矩阵切换应保证的技术指标矩阵切换器根据不同的应用领域，所要求的技术指标也不同。以广电行业为例，为保证终端的显示质量，广电行业将整个信号传输过程，从摄像头开始到电视机为止，都进行了技术指标分配，对模拟矩阵切换和分配，所定的技术指标如表：GB/T14236-93 与本公司 MCON-128*32 实例指标：国标中日常用到最主要的指标如下1) 随机信噪比：信号通过任何设备，都会因为引入“噪声” 而使质量变差，信噪比就是指信号与所产生的噪声的比，该值越大，表示引入噪
6、声越小，在视频信号时，(6MHZ 以内) 信噪比要求至少达到 65dB。2) 幅频特性：信号通过设备时，各种频率的信号会有不同的衰减，一般是频率越高，衰减越大，对视频信号而言，一般不用带宽的概念(衰减 3dB 时的频率)，而是采用在6MHZ 的频谱内(视频信号的频谱都在 6MHZ 以内) 最大的衰减量，标准要求不超过0.2dB，如果考虑到音频的调制，在 8MHZ 内不超过 0.5dB。3) 路间串扰：多路信号在同一设备中，由于空间的辐射与电源的波动，彼此之间会形成干扰，称为串扰。串扰不能大于-55dB。根据不同的应用，对指标的要求1) 监控行业：监控行业中，由于信号只经过摄像，传输(一般是基带
7、传输) ，控制与显示，且显示时对图象的质量要求相对较低，只要能看清，并不作转播等工作，因此监控行业对矩阵的要求是功能多(能带云台控制、报警等 )、指标低，此行业对矩阵的指标无明确的强制要求。2) 广电和视频会议，广电不必多言，肯定是服从国标，按广播级标准要求，值得一提的是视频会议领域，视频信号要经传输，记录和转播，且受众对图象质量也有较高要求，故应选择广播级指标，而不能简单地采用监控类产品。3) VGA 信号应用，由于 VGA 信号带宽较宽，而且是有五路信号(R 、G、B 、H、V)同时传输，因此要求各通道的指标尽可能高(在 6MHZ 之内应满足广电的要求 )，且必须保持一致，应该按照广播级对
8、分量设备的技术要求。但由于 VGA 信号切换不象广电中应用得广，牵扯到广大的用户，故现在也没有强制的指标标准。VGA 矩阵开发设计VGA 矩阵的 RGB 交叉矩阵主要采用美国模拟器件公司生产的 AD8108/AD8109，不仅集成了许多分立元件实现的功能，而且使用寿命长、电磁兼容性好、扩展性好；VGA 矩阵的行场交叉属于数字信号，大部分厂家使用 CPLD 可编程逻辑器件。1）AD8108/AD8109 工作原理AD8108(G=1)和 AD8109(G=2)具有相同的内核。其容量都是 88。主要由 32bit 移位寄存器、并行锁存器、解码器、64 点的切换矩阵和输出缓冲器等部分组成，AD810
9、8/AD8109 有两种控制方式，它们均通过芯片内的 32bit移位寄存器对 8 路输入和 8 路输出进行切换控制。当为低电平时，选择串行模式。在该模式下，以默认的顺序确定输出端口，而不用输入地址。AD8108/AD8109 有 8 个输出端口，分别对应 4bit 数据，即 D3DO。其中 D3用来阻断或使能该输出端口，当 D3 为 0 时，D2 DO 无效，相应的输出端口阻断。D2 DO 用来确定与某个输出端口相连接的输入端口。DATAIN 通过 CLK 信号的下降沿驱动，依次传输 OUT7D3、OUT7D2、OUT7D1、OUT7D0、OUT0D3 、OUT0D2、OUT0Dl、OUT0D
10、0数据到芯片内的 32bit 移位寄存器中，并由移位寄存器控制输入信号和输出信号的对应切换关系。当 32bit 数据全部输入完毕时，停止 CLK 信号，变为低电平，同时根据刚输入的 32bit 数据来切换矩阵的输入和输出。若 CLK 信号没有停止，则切换矩阵数据动态更改。当变为高电平时，32bit 数据锁存完毕。采用串行模式的特点是使用的控制信号少，但速度慢：同时每次更改输入输出配置时，必须提供 32bit 的串行数据，这样才能将整个矩阵数据更改：此外，串行数据输出端也可为构建大容量的矩阵切换器提供方便，此时，只需将一个芯片的 DATAOUT 端连接到另一个芯片的 DATAIN，而其它( 如
11、CLK、)则应该并行连接。当为高电平时。选择并行模式。在该模式下，当为低电平，设置为高电平且在 CLK 下降沿时，包括、A2A0 、D3 DO 在内的引脚上的逻辑值都将进入带有 4 位并行加载功能的 32 位移位寄存器中。至于 4 位数据 D3D0 装入到 32 位移位寄存器的哪一个 4 位单元，则由 A2A0 决定。 A2A0 将 32 位移位寄存器分成 8 个 4 位单元段，每一个 4 位单元段对应一个输出缓冲器。当为低电平时，上述移位寄存器的内容进入并行锁存模块，然后经8x4：8 解码后，即可对开关矩阵进行控制，以实现由 D3、D2D0、A2A0 决定 8 路输入中的任一路输入向 8 路
12、输出中的任一路输出。并行模式的特点：一是使用的控制信号多，但速度快；二是在改变单个输出通道的工作方式时，不需要重新编程设置整个切换矩阵。2）时序及控制逻辑编程AD8108/AD8109 的信号通道带宽不低于 250MHz(-3dB)，高于计算机视频信号和许多雷达视频脉冲的带宽，因而可用于复合视频、分量视频、压缩视频等许多宽频带信号的切换；该芯片将输出缓冲器集成在芯片内，减少了寄生电容，且使它的抗干扰能力较强；这种高密度集成模块更便于集成更大规模的视频矩阵切换电路；器件有串行或并行两种控制方式，其控制都比较简单，而且驱动能力强，能驱动 150负载。此外，该芯片功耗低，工作电流仅 45mA，并有输
13、出禁止功能，可允许多个芯片的输出直接连接。3）控制逻辑的编程串行工作模式通常使用引脚、CLK、DATAIN 、和。第一步，应在低电平有效的情况下，设为低电平，使其工作在串行模式；第二步，串行输入 32bit 的数据以完成一次输入输出配置的更改。每个输出端口对应 4bit 位(D3DO，D3 先输入，如 D3 为低电平，则相应的输出阻断，紧跟的 D2D0 则没意义) ，共 8 个输出端口，第 8 个输出端口的数据最先输入；第三步，在 32bit 的数据全部输入完毕时，停止 CLK 信号，变为低电平，并根据刚输入的 32bit 数据来切换矩阵的输入输出配置。如果在为低电平期间，CLK 信号没有停止
14、。则切换矩阵数据动态更改；第四步，变为高电平，32bit 数据锁存完毕。需要注意的是：如果多个 AD8108/AD8109 器件级联，则一次更改所需 bit 数是 32 与器件数的乘积。串行数据首先输入第一个芯片的 DATAIN，然后依次进入其它芯片，直至最后的芯片。因此，给最后一个芯片的数据是程控序列的前端。并行工作模式一次只允许更改一个输出端口的配置。由于一次更改只花费一个 CLK 和周期，因而极大地提高了更改速度。并行工作模式需用到引脚、CLK、D3-D0、A2A0和。第一步，首先是在低电平有效的情况下，设置为高电平，使其工作在并行模式；第二步则设置为高电平，同时设置输出地址 A2A0，
15、和输入地址 D2DO，以及输出使能端D3，以使 4 位数据 D3D0 装入由 A2A0 决定的 32 位移位寄存器中的某个 4 位单元段。第三步，端置低电平。32 位移位寄存器中的数据被锁存到并行寄存器中，再经 8x4：8 解码后控制矩阵完成切换。必须重点考虑的是：复位信号不能复位 AD8108/AD8109 中的所有寄存器，只是将切换矩阵的所有输出通道设为禁止状态，而寄存器中切换逻辑仍置于一个随机的排列中。因此，不管是串行模式还是并行模式，初始上电后，都必须将所有的移位寄存器编程为期望的状态。矩阵切换器选择 种类选择，广电和视讯会议应用，应选用广播级产品，监控应用可采用监控类产品，VGA信号
16、(有些人也将其视为视频) 要采用 VGA 信号矩阵。大小选择在一个工程中，应将音频信号和视频信号和 VGA 信号看成三种不同的媒体。音频信号一般情况下输入数量较多，如话筒和 CD 以及碟机的音频等，但考虑到功放和音响一般只有一套，最多在功放之前加一级调音台进行混音，有可能需要几路信号，因此音频矩阵的输出不会很大，比如可以 328 或 648，但没必要选择 3232 或 6464，除非是广电和视讯会议传输，每路视频一定会有音频同步传送。在设计方案时，信号源的数量比较容易确定，看看有多少个信号源，矩阵的输入数量就定下来了，但要考虑好独立的输出通道个数，这是根据系统的操作模式而定，有时可能有几台显示
17、设备之间仅有分配关系(彼此永远一致，不独立 )那么就可考虑占用一个输出口再加分配器，如果这些设备有可能是独立的，那么还是各占一个独立的输出口好一些。矩阵切换器做为传输系统的一部分，所出现的主要问题请见拙作“工程中常见的问题与解决” ，原理是相同的，不外乎是几种产生的机理，只要能将现象分清，解决的方向应该没有大问题。比较特殊一点的是利用小规模矩阵组成大规模的问题，例：在用 6432 组成12832 时，不能用二台 6432 组成 12864，这还是分组使用的概念，而应用三台6432 组成 12832，如下图，这是全矩阵的概念，因此组合使用时应分清分组使用和全矩阵的区别(全矩阵是指每一输出口都可在
18、所有输入中全选，而且彼此独立) 。厂家的选择生产矩阵的厂家很多，标称指标各不相同，由于这类设备不是实验室的样机，而是工程应用产品，因此工程中的适用性问题和可靠性问题非常重要。工程现场情况各有不同，在产品的成熟过程中需要经过不断的工程检验，发现问题需要及时改进，因此产品的成熟过程比较长，常见到的情况是：在现场，利用某些品牌的产品，工程中会出现一些技术问题，而用其它品牌的产品后，问题便可解决，并非前一品牌产品有多大错误，只是它的适用性不及后一种品牌产品，通俗地讲，是学费没有交够，遇到的问题没有足够多，产品设计上有考虑不周之处，因此选择专业生产公司的产品，因为它的产品已经相对成熟一些了。厂家的标称指
19、标，尤其是 VGA 信号产品，矩阵设备是显示的核心设备，如果出问题会是全局性的问题，会使整个系统瘫痪，因此稳定性、可靠性是压倒一切的，情愿价格高一点，甚至是指标低一点，也要保证稳定、可靠。技术支持方面，在工程现场中遇到的问题千奇百怪，厂家的技术支持能力是很重要的指标，有独立的研发能力，对问题产生的机理有正确认识，产品适用性强，稳定可靠，有较强现场解决能力的厂家合作，如：成都讯维信息技术有限公司。特性 实现自动增益技术 VGA 矩阵切换器带有断电现场保护功能；能够自动保存设备上次关机时的状态；部分允许对 HV 信号和 RGB 信号进行延迟切换；调整延迟时间；采用新型的 LED 面板显示和轻触式按
20、键；状态显示直观合理，设备操作更加简便；LCD 屏显示输入输出的控制状态；具有断电现场保护功能；简捷的前面板操作，后面板上有一个能与控制系统联机使用的 RS-232C 通讯端口；安装快捷，操作简单。主要技术参数VGA 通道带宽:500MHz 亮度色度干扰 ：-50dB10MHz 信号类型：数字 VGA，数字 TMDS 微分相位 I/0S：1.28 度，3.58MHz 微分增益误差 ：0.1%, 3.58-4.43MHz隔离度(串扰) ： -85db(10MHz) 输入信号电平：1.2 伏 pp ，5 伏 pp （TTL ） 非线性失真 ： 0.02%/0.02 (RL=150) 支持分辨率：高
21、清 480i1080p/640X4801600X1200（60Hz） 输入输出接口：HD15PIN（ VGA） 控制方式：RS-232 、红外、键盘面板 控制协议：9600 波特， 8 位， 1 个停止位，无奇偶校验 输入电平: 0.7Vp-p 输入助抗: 75 输出助抗: 75 同步通道输入电平: TTL 输出电平: TTL 输入阻抗: 10K 输出阻抗 : 33 同步极性: 跟随输入 产品规格：电源 AC：110V - 240V , 50 / 60 Hz 功率： 50W 尺寸：482mm （长）x 280mm（宽） x 90mm（高） 重量：5.0kg 机架安装：19 英寸标准 2U 高度
22、 平均故障间隔时间 MTBF：42000 小时选择1) 种类选择，广电和视讯会议应用，应选用广播级产品，监控应用可采用监控类产品，VGA 信号( 有些人也将其视为视频)要采用 VGA 矩阵切换器。2) 大小选择：在一个工程中，应将音频信号和视频信号和 VGA 信号看成三种不同的媒体。音频信号一般情况下输入数量较多，如话筒和 CD 以及碟机的音频等，但考虑到功放和音响一般只有一套，最多在功放之前加一级调音台进行混音，有可能需要几路信号，因此音频矩阵的输出不会很大，比如可以 328 或 648，但没必要选择 3232 或6464，除非是广电和视讯会议传输，每路视频一定会有音频同步传送。在设计方案时
23、，信号源的数量比较容易确定，看看有多少个信号源，矩阵的输入数量就定下来了，但要考虑好独立的输出通道个数，这是根据系统的操作模式而定，有时可能有几台显示设备之间仅有分配关系(彼此永远一致，不独立 )那么就可考虑占用一个输出口再加分配器，如果这些设备有可能是独立的，那么还是各占一个独立的输出口好一些。在很多情况下，输入和输出数量很大，如果采用大型 VGA 矩阵切换器，造价会较高(矩阵是越大越难作、成本也越高) 可以考虑是否能够分组使用，例如在监控时，可以让显示墙中某些显示设备只显示某一区域的信号，而其它设备各自显示其它特定区域的信号，那么就可将大规模矩阵折分成小规模的矩阵(如将 12864 折分成
24、 4 台 3216)如果各区之间有可能需要互传信号。VGA 矩阵切换器做为传输系统的一部分，不外乎是几种产生的机理，只要能将现象分清，解决的方向应该没有大问题。比较特殊一点的是利用小规模矩阵组成大规模的问题，例：在用 6432 组成 12832 时，不能用二台 6432 组成 12864，这还是分组使用的概念，而应用三台 6432 组成 12832，这是全矩阵的概念，因此组合使用时应分清分组使用和全矩阵的区别(全矩阵是指每一输出口都可在所有输入中全选，而且彼此独立) 。功能单元设计 实现 VGA 矩阵切换器显示，除了实现时序控制，还必须有其他功能单元的支持才能实现完整的图像显示。1 控制器VG
25、A 显示有多种模式，需要通过控制器实现模式间切换，还需要对显示的内容进行接收、处理和显示。所以控制器的性能越高，数据更新和显示效果就越好。2 显示数据缓存区VGA 显示要求显存速度快、容量大。读速度要达到 65MHz 以上，存储容量至少要2MB。可采用高速 SRAM 或 SDRAM 作为显示数据缓存。3 数模转换器 DACVGA 显示对数模转换 DAC 有如下要求：一是高速转换，转换的速度应该在 80MHz或以上；二是同步性好，能保证 R、G、B 三路信号的同步性；三是有相应的精度。可选择一种包括 3 路 8 位高速 D/A 的专用视频芯片。4 数据源及其接口要提高 VGA 显示的效率，就要不
26、断更新数据，同时还要保证实时性，因此需要非常高的接口速度。VGA 显示卡虽可达到 100Mbps 的数据更新速度，但是一般设备、特别是嵌入式设备达不到这么高的速度，而且大多数情况下也不需要这么高的数据更新率。目前常用接口为 EPP 接口、USB 接口、 TCP/IP、RS232C/485 等。其中 TCP/IP、EPP 接口和 USB 接口是基于计算机的，速度较快；TCP/IP、RS232C/485 是基于网络通信的接口，其中 RS485 速度虽慢，但应用广泛且容易实现远程控制。在数据源为低速接口时，可以考虑采用 Flash 或者 SM 存储卡等预先存储一些常用的图像显示数据和字库文件，在更新
27、数据时直接应用这些数据，从而加快显示缓存的更新速度。这样既能满足高分辨率图像的显示，又能满足文字信息数据的快速更新。刚时为了存储更多的图像，可以先存储 JPEG格式图像，再由控制器解码成 BMP 位图图像后送到显示缓存显示，这样就相对扩展了Flash 的存储空间。同时，由于图像的解码速度要大大快于数据源接口的速度，也就相应提高了显示缓存的数据更新速度。显存数据更新与显示的同步实现在 VGA 显示时，要考虑如何实现显存数据更新与显示的同步进行。解决的方案有以下几种：(1) 采用具有缓存作用的双口 RAM，这种方法使用的器件数量多、功耗大、成本高，基本不可取。(2) 采用两组 SRAM 进行乒乓工
28、作模式，一组 SRAM 用于显示的同时，另一组SRAM 用于图像数据的更新，然后在两组 SRAM 之间切换。这样做会提高一些成本，而且需要更复杂的总线控制。(3) 利用 FPAG/CPLD 和 SDRAM 构造双口 SRAM。这种方法实时性好，成本较低，时序控制比较复杂，它是 实现高性能低成本要求的最佳方案。(4) 采用一组 SRAM 作为显存，可以简化系统设计、降低成本。这时可以考虑利用行时序和帧时序中 SRAM 总线空闲的时序段，在不关闭图像显示的情况下实现显存 SRAM的数据更新。该方法的更新率与数据写速度密切相关，显存的写数据速度越快，该方法的更新率就越高。假设 CPU 的工作时钟最大
29、为 60MHz，并采用 JPEG 解码更新方式。这时如果将解码缓存区分配在 CPU 片内内存，则更新数据时直接由内存向 SRAM 写数据，一次需要 0.17s；如果将解码缓存区分配在片外空间，则更新数据时 CPU 要先从片外读数据，再向 SRAM 写数据，这样写一次需要 0.25s。在相邻显示的两帧图像只存在局部差别或更新文本显示信息时，可使用局部数据更新方法，以提高更新率。嵌入式 VGA 显示系统基于以上方案设计的嵌入式 VGA 显示系统在只有系统控制板和 CRT 显示器的情况下实现了嵌入式高分辨率 VGA 显示。通过对嵌入式 VGA 显示系统的设计分析和实际使用，得到如下结论：(1) 由于
30、 VGA 显示是一个高速过程，所以选择器件时要选择高速器件。(2) VGA 显示时序要求较严格，时序中的前后沿及同步脉冲宽度都要依照严格的参考数据设置。(3) 在一般情况下，由于数据接口的限制，数据更新率不能达到计算机的水平。通过一些特殊设计，还是能够满足大多数嵌入式 VGA 的需求。(4) 性能、成本和复杂度要综合考虑，要以系统的实际需求为目标，采用合理而实用的设计方案。VGA 信号 在显卡上所有处理信息最终都会输出显示到显示器上，因此显卡的输出接口就是电脑与显示器之间的媒介,负责输出相应的图像信号。 CRT 显示器因为设计制造上的原因，只能接受模拟信号输入，这就需要显卡能输入模拟信号。VG
31、A 接口就是显卡上输出模拟信号的接口。市面上许多显示器产品为了与 VGA 接口相匹配，所有常采用 VGA 接口。VGA接口是一种 D 型接口，共有 15 针孔，五个一排。VGA 接口是显卡上广为使用的接口类型，绝大多数的显卡都支持该种接口。在目前，计算机与外部显示设备之间的连接都是通过模拟 VGA 接口完成。计算机本身已数字方式生成显示信息，然后显卡中的转换器将其转变为 RGB 三原色信号输入显示器，完成信号同步，信号通过电缆传输到显示设备中。对于显示设备，如模拟 CRT 显示器，信号被直接送到相应的处理元器件上进行驱动控制显像管，最终形成生成图像。对于DLP 投影等数字显示设备，显示设备中需配置相应的模拟/ 数字转换器将模拟信号转变成数字信号。在经过 D/A 与 A/D 转换后，通常会造成图像不可避免地细节损失。因此 VGA 接口常应用于 CRT 显示器液晶之类的显示设备，但是转换过程中显示效果略微下降。VGA矩阵实现的是多路 VGA 信号输入，多路信号输出。本文出自 http:/www.xunwei.org/。
