CN204598150U

CN204598150U - 一种基于fpga的3×3高清视频矩阵切换装置

Info

Publication number: CN204598150U
Application number: CN201520236222.3U
Authority: CN
Inventors: 赖思烨
Original assignee: Shenzhen Babngyan Information Technology Co ltd
Current assignee: Bangyan Technology Co Ltd
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2025-04-17

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，包括有输入接口芯片、HDMI接收芯片、输出接口芯片、HDMI发射芯片、实现3输入3输出的FPGA矩阵切换电路和中央处理模块，所述中央处理模块还分别连接有IP网络通信模块、IP网络控制模块、Flash模块、内存模块、电源模块、时钟模块、系统复位模块和AMC管理单元。本实用新型通过FPGA完成3×3HDMI信号的直接切换，不仅避免HDMI信号经过两次色彩空间转换后影响图像质量，同时减小中央控制模块的工作量；而在需要中央控制模块处理时，利用矩阵切换控制电路完成信号的传输；同时还完成了通过IP实现与远端设备的音视频数据交互。本实用新型作为一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置可广泛应用于电路领域。

Description

一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置

技术领域

本实用新型涉及电路领域，尤其是一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置。

背景技术

目前市场上对于多路视频显示需求在增大，可能是一个视频源对应多个显示设备，也可能是多个视频源对多个显示设备，输入输出之间可以进行相互切换；同时目前市面上满足切换同时满足IP传输的很少，因此这就提出了视频矩阵切换的需求。

现在的视频传输逐步向高清发展，HDMI接口已逐渐成为高清视频传输的标准接口。HDMI是一种数字化视频/音频接口技术，可同时传输视频及音频信号，最高数据传输速度为5Gbps，同时无需在信号传输前后进行模/数及数/模转换。此外，HDMI可进行高宽带数码内容保护（HDCP），防止视频内容被非法复制。

目前，HDMI的最大传输距离约为15米左右，要实现更远距离的视频传输，必须对高清视频/音频数据进行转换、压缩，使之符合IP包传输各式，从而通过以太网络进行传输。现有技术的主要缺点在于：

1、支持矩阵切换的设备，不支持IP传输或者编解码处理；

2、市场上大多设备是具有固定模式电路，不能灵活切换；不能多路同时显示或者不能支持多路同时输入。

3、目前基于FPGA的视频切换会出现图像质量问题，在处理1080P等高清图像的时候效果不好。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是：提供一种实现灵活切换并同时具有IP传输功能的基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置。

本实用新型所采用的技术方案是：一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，包括有输入接口芯片、HDMI接收芯片、输出接口芯片、HDMI发射芯片、FPGA矩阵切换电路和中央处理模块，所述输入接口芯片的输出端通过HDMI接收芯片连接至FPGA矩阵切换电路的输入端，所述FPGA矩阵切换电路的输出端通过HDMI发射芯片连接至输出接口芯片的输入端，所述FPGA矩阵切换电路与中央处理模块连接，所述FPGA矩阵切换电路的输入端为3路HDMI数据输入端，所述FPGA矩阵切换电路的输出端为3路HDMI数据输出端，所述中央处理模块还分别连接有IP网络通信模块、IP网络控制模块、Flash模块、内存模块、电源模块、时钟模块、系统复位模块和AMC管理单元。

进一步，所述FPGA矩阵切换电路包括有矩阵控制电路和HDMI 3×3矩阵切换电路，所述HDMI 3×3矩阵切换电路的输入端与HDMI接收芯片的输出端连接，所述HDMI 3×3矩阵切换电路的输出端与HDMI发射芯片的输入端连接，所述HDMI 3×3矩阵切换电路的控制端与矩阵控制电路的第一控制端连接，所述矩阵控制电路与中央处理模块连接。

进一步，所述FPGA矩阵切换电路还包括有3输入2输出矩阵切换电路和2输入3输出矩阵切换电路，所述HDMI接收芯片的输出端与3输入2输出矩阵切换电路的输入端连接，所述3输入2输出矩阵切换电路的输出端连接至中央处理模块的HDMI信号输入端，所述中央处理模块的HDMI信号输出端连接至2输入3输出矩阵切换电路的输入端，所述2输入3输出矩阵切换电路的输出端与HDMI发射芯片的输入端连接，所述矩阵控制电路的第二控制端与3输入2输出矩阵切换电路的控制端连接，所述矩阵控制电路的第三控制端与2输入3输出矩阵切换电路的控制端连接。

进一步，所述FPGA矩阵切换电路采用的FPGA型号为XC6SLX150。

进一步，所述中央处理模块采用TMS320DM8168视频处理器。

进一步，所述IP网络通信模块和IP网络控制模块均采用88E6095交换芯片，所述IP网络通信模块连接至中央处理模块上的第一GMII接口，所述IP网络控制模块连接至中央处理模块上的第二GMII接口。

进一步，所述IP网络通信模块和IP网络控制模块均设置有用于与背板连接器连接的RJ45接口。

进一步，所述系统复位模块包括有上电复位子模块、手动复位子模块和看门狗复位子模块。

进一步，所述HDMI接收芯片采用ADV7611 HDMI接收器。

进一步，所述HDMI发射芯片采用ADV7511 HDMI发射器。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过FPGA完成3×3 HDMI信号的直接切换，不仅避免HDMI信号经过两次色彩空间转换后影响图像质量，同时减小中央控制模块的工作量；而在需要中央控制模块处理时，利用矩阵切换控制电路完成信号的传输；同时还完成了通过IP实现与远端设备的音视频数据交互。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构框图；

图2为本实用新型中FPGA实现的矩阵切换电路结构框图；

图3为本实用新型中复位模块的实现图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

参照图1，一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，包括有输入接口芯片、HDMI接收芯片、输出接口芯片、HDMI发射芯片、FPGA矩阵切换电路和中央处理模块，所述输入接口芯片的输出端通过HDMI接收芯片连接至FPGA矩阵切换电路的输入端，所述FPGA矩阵切换电路的输出端通过HDMI发射芯片连接至输出接口芯片的输入端，所述FPGA矩阵切换电路与中央处理模块连接，所述FPGA矩阵切换电路的输入端为3路HDMI数据输入端，所述FPGA矩阵切换电路的输出端为3路HDMI数据输出端，所述中央处理模块还分别连接有IP网络通信模块、IP网络控制模块、Flash模块、内存模块、电源模块、时钟模块、系统复位模块和AMC管理单元。

本实用新型中由FPGA实现了3路输入3路输出的矩阵切换电路，在需要进行HDMI信号直接切换的时候，可以避免HDMI信号经过两次色彩空间转换后影响图像质量，同时减小中央处理模块的工作量。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述FPGA矩阵切换电路包括有矩阵控制电路和HDMI 3×3矩阵切换电路，所述HDMI 3×3矩阵切换电路的输入端与HDMI接收芯片的输出端连接，所述HDMI 3×3矩阵切换电路的输出端与HDMI发射芯片的输入端连接，所述HDMI 3×3矩阵切换电路的控制端与矩阵控制电路的第一控制端连接，所述矩阵控制电路与中央处理模块连接。

本实用新型利用FPGA实现了单独的矩阵控制电路，从而能够灵活地实现中央处理模块对HDMI信号的控制，在无需利用中央处理模块对信号进行切换时，控制HDMI 3×3矩阵切换电路直接对HDMI接收芯片的输出信号进行处理并输出至HDMI发射芯片。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述FPGA矩阵切换电路还包括有3输入2输出矩阵切换电路和2输入3输出矩阵切换电路，所述HDMI接收芯片的输出端与3输入2输出矩阵切换电路的输入端连接，所述3输入2输出矩阵切换电路的输出端连接至中央处理模块的HDMI信号输入端，所述中央处理模块的HDMI信号输出端连接至2输入3输出矩阵切换电路的输入端，所述2输入3输出矩阵切换电路的输出端与HDMI发射芯片的输入端连接，所述矩阵控制电路的第二控制端与3输入2输出矩阵切换电路的控制端连接，所述矩阵控制电路的第三控制端与2输入3输出矩阵切换电路的控制端连接。

中央处理模块主要接收2输入3输出矩阵切换电路的两路HDMI音/视频信号的网络IP包，并处理后通过以太网传输到远端；其次是由IP网络通信模块、IP网络控制模块接收、控制，并由中央处理模块完成来自远端以太网的IP音视频信号的解压缩，并形成HDMI音视频信号，最后通过2输入3输出矩阵切换电路的两路HDMI接口输出。

本实用新型中选用的FPGA为Xilinx的Spartant6系列的XC6SLX150-2FGG900I，该芯片的IOB具有6个bank，共288对差分I/O端口（也可配置为576个通用单模I/O口），物理接口丰富。

FPGA主要功能实现HMDI3入3出之间的矩阵切换，3选2以及2选3之间的矩阵切换；FPGA的配置通过GPMC总线实现。在FPGA内部进行切换的音视频信号均为单模数字信号，视频数据格式为16为YCbCr数据编码格式，音频数据格式为I2S数据编码格式。

所述HDMI 3×3矩阵切换电路主要用于实现（经ADV7611接收转换后）3路音视频信号（共72条信号线）通过FPGA可以切换到任意3路输出音视频信号端口，然后经ADV7511转换发送到3个HDMI接口。

所述3输入2输出矩阵切换电路主要用于实现（经ADV7611接收转换后）3路音视频信号（共72条信号线）通过FPGA可以切换到任意2路输出音视频信号端口，然后送到主控CPU完成音视频打包压缩，通过IP网线或者PCIe总线传送至远端。

所述2输入3输出矩阵切换电路主要用于实现将来自远端IP网络或者PCIe的音视频信号（需经CPU进行数据解压操作）通过FPGA可以切换到任意3路输出音视频信号端口，然后经ADV7511转换发送到3个HDMI接口。

进一步作为优选的实施方式，所述FPGA矩阵切换电路采用的FPGA型号为XC6SLX150。

进一步作为优选的实施方式，所述中央处理模块采用TMS320DM8168视频处理器。

TI公司的TMS320DM8168达芬奇视频处理器，该处理器采用双核（ARM+DSP）架构，芯片主要功能和性能如下：

1) 双核架构，其中包括ARM? Cortex?-A8 RISC Processor内核，单核 1.2GHZ CPU；内置TMS320C674x Floating-Point VLIW DSP ，32KB L1缓存，256KB L2 缓存，64KB RAM，48KB BOOT ROOM；

2) 在视频处理方面，该器件的最关键之处在于拥有多达3 个高分辨率视频和成像协处理器(HDVICP2)，每个协处理器能够执行一个单个1080p60 H.264 编码或解码、或者多个较低分辨率或帧速率的编码和解码；此外，也可完成多通道HD至HD 或者HD 至SD 代码转换以及多重编码；

3) 支持SGX530 3D Graphics Engine；

4) 支持两个 165 MHz HD Video 输入通道（一个16/24bit，一个16bit）；

5) 支持两个 165 MHz HD Video 显示通道（一个16/24bit，一个16bit）；

6) 支持4路模拟标清SD输出，如AV，CVBS等；

7) 支持一路HDMI 1.3 发送通道（自带PHY，165MHZ）；

8) 支持双通道 32-bit,最高支持DDR2-800或者DDR3-1600，最多8片DDR颗粒，最大容量2GB；

9) 支持1路PCIE2.0,最大5.0 GT/s；

10) 支持1路SATA3.0，最大3.0 GT/s；

11) 支持2路10/100/1000 Mbps Ethernet；

12) 支持2路USB2.0接口（自带PHY）；

13) 支持1路8-/16-bit 混合数据地址GPMC总线，可接NOR、NAND Flash，FPGA，CPLD 等；

14) 支持3路可配置UART/IrDA/CIR接口；

15) 支持1路SPI接口，支持4个芯片选择；

16) 支持2路I2C总线；

17) 支持TDM，I2S音频总线；

18) 支持IEEE-1149.1 (JTAG) and IEEE-1149.7 (cJTAG)；

19) 支持32为定时器；

20) 1031-Pin Pb-Free BGA 封装，0.65mm球间距。

进一步作为优选的实施方式，所述IP网络通信模块和IP网络控制模块均采用88E6095交换芯片，所述IP网络通信模块连接至中央处理模块上的第一GMII接口，所述IP网络控制模块连接至中央处理模块上的第二GMII接口。两个交换芯片分别用作业务数据的传输和数据的控制。

进一步作为优选的实施方式，所述IP网络通信模块和IP网络控制模块均设置有用于与背板连接器连接的RJ45接口。

进一步作为优选的实施方式，所述系统复位模块包括有上电复位子模块、手动复位子模块和看门狗复位子模块。其电路的一种实现方式可参照图3。

进一步作为优选的实施方式，所述HDMI接收芯片采用ADV7611 HDMI接收器。

ADV7611是一款高质量、单输入HDMI接收器，内置HDMI兼容型接收器，支持HDMI 1.4a规定的所有强制性3D电视格式，和最高UXGA 60 Hz、8位的分辨率。它集成一个CEC控制器，支持CDC特性(CDC是专有名词)。ADV7611具有一个音频输出端口，用于输出从HDMI流提取的音频数据。该HDMI接收器具有高级静音控制器，可消除音频输出中的外来声频噪声。

ADV7611内置一个主分量处理器(CP)，用于处理来自HDMI接收器的视频信号。它提供的功能包括：对比度、亮度和饱和度调整；STDI检测模块；自由运行；以及同步对准控制等。

进一步作为优选的实施方式，所述HDMI发射芯片采用ADV7511 HDMI发射器。

ADV7511用于HDMI发射，其功能是完成通用数字音视频信号的转换及打包，以数字差分信号的形式，通过HDMI接口将音视频信号发射出去，其实现的功能正好和ADV7611相反。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，其特征在于：包括有输入接口芯片、HDMI接收芯片、输出接口芯片、HDMI发射芯片、FPGA矩阵切换电路和中央处理模块，所述输入接口芯片的输出端通过HDMI接收芯片连接至FPGA矩阵切换电路的输入端，所述FPGA矩阵切换电路的输出端通过HDMI发射芯片连接至输出接口芯片的输入端，所述FPGA矩阵切换电路与中央处理模块连接，所述FPGA矩阵切换电路的输入端为3路HDMI数据输入端，所述FPGA矩阵切换电路的输出端为3路HDMI数据输出端，所述中央处理模块还分别连接有IP网络通信模块、IP网络控制模块、Flash模块、内存模块、电源模块、时钟模块、系统复位模块和AMC管理单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，其特征在于：所述FPGA矩阵切换电路包括有矩阵控制电路和HDMI 3×3矩阵切换电路，所述HDMI 3×3矩阵切换电路的输入端与HDMI接收芯片的输出端连接，所述HDMI 3×3矩阵切换电路的输出端与HDMI发射芯片的输入端连接，所述HDMI 3×3矩阵切换电路的控制端与矩阵控制电路的第一控制端连接，所述矩阵控制电路与中央处理模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，其特征在于：所述FPGA矩阵切换电路还包括有3输入2输出矩阵切换电路和2输入3输出矩阵切换电路，所述HDMI接收芯片的输出端与3输入2输出矩阵切换电路的输入端连接，所述3输入2输出矩阵切换电路的输出端连接至中央处理模块的HDMI信号输入端，所述中央处理模块的HDMI信号输出端连接至2输入3输出矩阵切换电路的输入端，所述2输入3输出矩阵切换电路的输出端与HDMI发射芯片的输入端连接，所述矩阵控制电路的第二控制端与3输入2输出矩阵切换电路的控制端连接，所述矩阵控制电路的第三控制端与2输入3输出矩阵切换电路的控制端连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，其特征在于：所述FPGA矩阵切换电路采用的FPGA型号为XC6SLX150。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，其特征在于：所述中央处理模块采用TMS320DM8168视频处理器。

6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，其特征在于：所述IP网络通信模块和IP网络控制模块均采用88E6095交换芯片，所述IP网络通信模块连接至中央处理模块上的第一GMII接口，所述IP网络控制模块连接至中央处理模块上的第二GMII接口。

7.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，其特征在于：所述IP网络通信模块和IP网络控制模块均设置有用于与背板连接器连接的RJ45接口。

8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，其特征在于：所述系统复位模块包括有上电复位子模块、手动复位子模块和看门狗复位子模块。

9.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，其特征在于：所述HDMI接收芯片采用ADV7611 HDMI接收器。

10.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的3×3高清视频矩阵切换装置，其特征在于：所述HDMI发射芯片采用ADV7511 HDMI发射器。