本设计研制一种基于CPLD的多功能数字光端机，可在一根光纤中同时传输4路视频、1路以太网和2个功能扩展接口，其中单个扩展接口可扩展功能包括8路单向音频、4路双向音频、8路单向开关量、4路双向开关量和8路RS232/RS485数据。扩展模块可以任意选择两种直接插在主板的扩展接口上实现功能扩展，使该设计提高了产品的灵活性和方便性。
【关键词】多功能 光端机 光纤 CPLD
1 引言
在当今多功能光端机市场中，公知的多功能光端机的功能相对比较固定，除了传输视频信号之外，同一型号的多功能光端机只能传输音频、数据、以太网、开关量等其中的一个或多个，并且传输同一信号的数量也是固定的，比如只能传输1路或多路音频，这就给用户的使用和企业的生产带来不便 。
为了使用户的便利，本文设计了一种新的多功能光端机。该多功能光端机采用模块化方案，将整个系统分为主板和功能扩展板两部分，将常用且固定的功能做到主板上，而其它功能靠扩展模块实现。各个功能模块与主板采用统一的通信协议，实现了各个功能模块任意组合、即插即用。
2 多功能光端机硬件设计与实现
2.1 光纤通信系统结构
光端机通信系统由发送端、光纤和接收端构成，如图2.1所示。发送端将视频、语音、以太网、数据、开关量等信号经过主控芯片处理后，再通过电光转换模块将电信号转换为光信号发送至光纤；光接收端的主要任务是将光信号转变成电信号后，再从电信号中分接出各路原始视频、以太网和扩展板信号。
2.2 系统基本结构
为了实现功能多样化，本设计发送端和接收端均采用主板和副板搭配使用的结构。在主板上集成了4路视频、1路以太网和2个扩展功能接口（扩展接口用于插接副板，副板包括8路单向音频副板、4路双向音频副板、8路单向开关量副板、4路双向开关量副板和8路RS232/RS485数据）。主板集成的功能框图如图2.2所示。为了节省CPLD引脚资源，本设计中主板和副板的通信接口采用4根线进行通信。其中包括1根发送时钟线、1根发送数据线、1根接收时钟线和1根接收数据线。主板与副板的通信示意图如图2.3所示。
2.3 系统总体原理框图设计与分析
数据正向传输时，在发送端，来自监控摄像头的4路模拟视频信号首先经过放大、滤波；然后依据主控芯片CPLD给出的AD转换时钟将放大滤波后的4路模拟视频信号转换成4路8bit数字视频信号；来自以太网的数据通过网络驱动模块再送入以太网交换芯片将变换后的有用信号通过MII接口传给CPLD；扩展功能模块将需要传输的有，完成数据的一次复接，此过程是由主控CPLD芯片控制实现的。再者，把在CPLD内部一次复接产生的10bit信号送往并串转换模块完成数据的第二次复接。最后把并串转换后的高速串行数据经光模块进行电光转换成光信号通过光纤发送到远端。
在接收端，光电转换收发一体模块把接收到的光信号转变成电信号后，首先需要经过串并转换模块进行一次数据分接得到10bit并行数字信号，然后通过8B/10B解码、分路单元进行二次数据分接分离出各路数字视频数据、以太网数据、扩展功能数据，发送到各自处理单元进行处理。
3 多功能光端机软件部分设计与实现
3.1 发送板主板程序的设计
3.1.1 发送板正向传输数据程序的设计
发送板正向传输数据的顶层模块如图3.1所示。
CPLD复接模块的功能：将4路视频信号、2路扩展接口信号、一路以太网数据分时复用复接成8bit位宽数据，然后经过8B/10B编码编成10位并行数据发给串化器，8B/10B编码可实现光纤远距离输时的DC平衡。
分时复用过程中共分为6个时隙，第一个时隙采集第一路视频的8bit数据，第二个时隙采集第二路视频的8bit数据，第三个时隙采集第三路视频的8bit数据，第四个时隙采集第四路视频的8bit数据，第五个时隙采集5bit以太网数据和2bit扩展板的数据，第六个时隙发送K28.5标志码，此标志码用来使对端光端机在分接数据时进行数据同步，以识别出视频、数据、以太网、扩展板的信号。
3.1.2 发送板反向接收数据程序的设计
发送板CPLD分接模块的功能：CPLD将接收到的10bit数据经过8B/10B解码，得到8bit数据，根据接收板反向数据复接方式，低5位是以太网数据，第6位和第7位是两个扩展功能模块的数据，反向分接即可得到以太网和两扩展模块对应的数据。分接完成后再依据另一时钟将数据发送给以太网芯片和扩展模块。
3.2 接收板主板程序的设计
3.2.1 接收板正向接收数据程序的设计
接收板CPLD分接模块的功能：将输入的10bit数据经过8B/10B解码成8bit原始数据，当检测到K28.5时，紧接着的第一个时隙是第一路视频信号的8bit数据，第二个时隙是第二个视频信号的8bit数据，第三个时隙是第三个视频信号的8bit数据，第四个时隙是第四个视频信号的8bit数据，第五个时隙是以太网数据和两个扩展板的数据，根据这个顺序即可完成数据的准确分接。
3.2.2 接收板反向发送数据代码的设计
接收板CPLD复接模块的功能：CPLD将低5位配置为发送以太网数据，将第6、7位配置为发送扩展功能模块的数据。然后将复接后的8bit数据经过8B/10B编码编成10bit数据传给串化器，经光纤向发送板传送以太网和扩展板产生的数据。
3.3 副板代码的设计
副板代码的功能主要是将副板的音频/开关量/数据的有效数据经过采样后经过封装成标准帧发送给主板；接收主板数据时，当检测到起始帧时，则开始存储数据并进行识别分离数据，将分离出的数据送个各个芯片来完成相应的功能。限于篇幅，这里以双向音频副板代码设计为例讲解副板代码设计。
4路双向音频AD/DA芯片选用的是AKM4554，每次采样16比特的音频数据。音频副板上有2个AKM4554实现4路音频信号的传输。
对于发送板，CPLD每次采样后，将4路音频数据共64位存到寄存器，bit0到bit15存的是第一路音频的数据，bit16到bit31存的是第二路音频的数据，bit32到bit47存的是第三路音频的数据，bit48到bit63存的是第四路音频的数据。然后先发送起始帧，后接64bit的
有效数据，先发第一路数据，最后发第四路数据。
对于接收板，CPLD时刻检测起始帧，当检测到起始帧后，开始存储起始帧后的64bit数据，识别出bit0到bit15是第一路音频的数据，bit16到bit31是第二路音频的数据，bit32到bit47是第三路音频的数据，bit48到bit63是第四路音频的数据。然后将这些数据在相应的时钟沿发送给AKM4554。
4 结束语
本文介绍了一种全新多功能光端机设计方案，采用主板和扩展板搭配使用的设计思路，做到了产品开发最大程度的灵活性。通过实际制作，多功能光端机最终调试成功，可以正常传输视频、音频、以太网、开关量、RS232/RS485数据。在实际使用中，扩展功能副板不止局限于文中提到的这些副板，在扩展接口传输速率满足速率要求的情况下，可以通过扩展接口扩展任何新的功能。该设计从产品角度出发，既方便了用户，又减少了企业的生产成本，同时还具有较大的价格优势，具有较高的实用价值。
参考文献
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作者单位
河南省射击运动管理中心 河南省郑州市 450000
