早期的数字电路过于偏重硬件的实现。其主要缺点是工作量大、调试困难、灵活性较差。而采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）器件设计电路时，设计方法灵活，设计思想清晰，而且时序可仿真，保证了其正确性，使整个硬件电路具有易于编程实现的优点[1]。

    在船用视频监控系统中，考虑到船用环境空间狭小、布线不便、维护困难等因素，往往采用一根多芯电缆来传输不同电压等级的电源信号、各种控制信号和视频信号。因此，采用双绞线(多芯电缆中的2芯双绞线缆)传输视频基带信号的技术越来越受到重视。在CCTV(Closed Circuit Tetevision)系统中，采用有源差分信号发送放大器和接收器搭建的双绞线传输视频基带信号方案(平衡传输方式)可将图像传输至1-2 km，图像质量接近光纤传输的效果。同时，采用CPLD器件开发的视频切换设备具有集成度高、稳定性好、抗干扰能力强、后期的维护和升级更便捷的特点。
1 系统的硬件组成、接口及主要功能
1.1 系统组成
    视频切换及双绞线视频基带传输系统组成框图如图1所示。主要包括视频切换电路和视频转换电路。

1.2 各模块的功能与特性
    视频传输模块由视频发送和视频接收组成。其中，视频发送包括非平衡-平衡转换和驱动，视频接收包括接收匹配补偿及平衡-非平衡转换。视频设备包括信号源和显示设备，其接口通常为标准单端视频信号（非平衡信号）。因此可直接与同轴电缆匹配连接。要用双绞线传输视频信号，必须在发送端将非平衡信号转换为平衡信号，以便驱动双绞线。相应地，在接收端需要再将平衡信号转换为非平衡信号，与显示设备连接。
    视频切换模块是整个电路的核心，其包括按键选择电路和切换器电路。切换器电路接收来自前端的多路视频信号，并根据按键选择电路的指令，实现视频切换、LED指示等功能。由于前端有多台摄像机，而终端控制台上往往只有一台监视器，故当需要查看某一路图像时，需要进行视频切换操作。
2 系统的硬件设计
2.1 视频传输模块的电路设计
    视频信号在双绞线中传输时，最基本的技术问题就是频率失真。电缆频率失真的特点是：(1)低频衰减最小，频率越高衰减越严重；(2)电缆越长，频率失真越严重，电缆长度加倍，衰减的dB数加倍。因此，双绞线视频基带传输设备的基本作用是提供一定的放大增益，补偿电缆的传输衰减。显然，要补偿频率失真，传输设备的补偿特性应该与电缆的频率失真特性相反、互补，即补偿特性应该是：传输设备的增益必须具有频率越高增益越大的基本特点。只有这样，才能实现视频信号特性的真正恢复。
    基于此，选用EL5171[2]和EL5172[3]来搭建双绞线视频传输系统。EL5171是差分信号发送放大器，在本系统中主要完成非平衡信号到平衡信号的转换。EL5172是差分信号接收放大器，主要完成平衡信号到非平衡信号的转换。另外，它们的增益均由外接电阻设定，因此可根据不同的现场应用环境灵活地调整视频信号的电压增益。
    基于EL5171和EL5172的双绞线视频传输系统如图2所示。
  
2.2 视频切换模块的电路设计
    综合考虑系统的硬件设计要求和经济性，采用Altera公司MAX7000S[4]系列中的EPM7064S芯片来构建视频切换模块。按键选择电路和切换器电路均要在EPM7064S的指令下工作。
    在按键选择电路中，采用MAX6818进行硬件消抖。无需外部元件，MAX6818[5]即可提供8路“干净的”开关信号给EPM7064S。
    切换器电路接收来自前端的多路视频信号（经由双绞线传输），并根据按键选择电路的指令，选通对应通道的视频，并输出至终端控制台的监视器。同时点亮对应视频通道的LED指示灯。因此，该电路主要实现多路视频复用及视频信号的匹配、补偿和驱动。当然，视频选通与否及通道的选择均要由EPM7064S来支配。基于系统硬件性能的设计要求，采用AD8184[6]和AD8009[7]来构建切换器电路。
    AD8184是一款高速多路视频复用器，-3 dB信号的带宽为700 MHz，压摆率为750 V/μs。串扰性能为95 dB，隔离性能为115 dB，差分增益和差分相位误差分别为0.01%和0.01°，0.1 dB平坦度为75 MHz，堪称专业视频多路复用的理想之选。开关时间为5 ns，极其适合像素切换（画中画）应用。AD8009是一款超高速电流反馈型放大器，压摆率高达5 500 V/μs，上升时间仅为545 ps。高压摆率可降低压摆率限幅效应，使大信号带宽达到440 MHz，从而满足高分辨率视频图形系统的需要。AD8009能够提供175 mA以上的负载电流，可驱动4个视频负载，同时保持低差分增益和相位误差(分别为0.02%和0.04°)。视频切换模块的主要电路如图3所示。

2.3 硬件设计中其他需要注意的问题
    根据船用环境的实际安装、操控等需求，在硬件设计时必须特别注重可靠性设计，同时在接口设计上，其物理特性和电气特性应能满足船用环境的实际需求。同时，在设计中应严格执行相关的技术标准、规范以及与标准化有关的规定，还要充分考虑到该设备安装、调试和使用时操作人员的安全性和设备的操作安全，制订相应的操作规程和使用方法。最后，在整个系统的设计过程中，要充分考虑降低对使用者的能力要求，使设备的操作方便、简单、直观。
3 系统的软件设计
    本设计中的软件环境为Altera Quartus4.2。EPM7064S在其上完成编程（逻辑设计），然后进行仿真。当完全达到设计要求后，将最后的逻辑设计通过ByteBlaster II下载电缆传输到芯片中即可。
3.1 电路的VHDL程序设计
    本电路的VHDL设计采用分层设计方法。顶层文件采用原理图设计输入方式，而在底层文件设计中，采用混合的设计输入方式。整个设计文件包括逻辑选择模块、锁存模块、复用及通道选择模块。其中，逻辑选择模块主要完成按键选择信号识别；锁存模块在时钟信号(即按键选择信号的一个组合逻辑输出)的作用下锁存按键选择信号；复用及通道选择模块根据输入的按键选择信号，使能视频选通功能且选通对应的输入视频，同时给出对应的LED指示信号。考虑到具体的船用环境及使用者的能力要求，在进行电路的VHDL编程时，必须充分考虑程序的“冗余”设计，如多个按键被同时按下时的误操作、船用环境对本电路中各种信号的不同干扰等。本电路的VHDL顶层程序设计如图4所示。

3.2 程序仿真结果与测试
    使用Altera公司的Quartus 4.2 软件进行仿真，其仿真波形图如图5所示。

    从仿真结果可看到，当按键KEY_CH1被按下后（产生一个高-低电平跃变信号），EN_1变为低电平（EN_1仍维持高电平），使能EN_1对应的AD8184。同时，地址线A1A0为00，表明此时选通第1路视频输入。
3.3 实验结果
    将源程序编译后下载到EPM7064S芯片中，对实际电路进行测量，得到了与仿真结果完全相同的波形。表明了EPM7064S完全可以实现视频切换电路的功能。同时，该VHDL“冗余”设计程序也已在实际电路中得到验证，时序及时延参数均满足工程要求，工作稳定可靠。
    船用环境下的测试结果表明，本系统工作稳定可靠，完全满足具体的船用环境需求，同时还具有集成度高、安装方便、操控简单、抗干扰能力强的特点。同时，使用 CPLD 器件设计的视频切换电路后期的维护和升级更便捷，通过更改CPLD器件中的程序，即可扩展待切换的输入视频通道数量，具有良好的通用性。
参考文献
[1] 彭晓钧，何平安，袁炳夏．基于CPLD的线阵CCD驱动电路设计与实现[J]．光电子.激光，2007，18（7）：803-807．
[2] Intersil.EL5171，EL5371 data sheet[Z].FN7307.5．2005.
[3] Intersil.EL5172，EL5372 data sheet[Z].August 3，FN7311.6，2005.
[4] Altera.MAX7000 programmable logic device family data sheet[Z].ver.6.6.2003.
[5] MAXIM.±15 kV ESD-protected，single/dual/octal，CMOS switch debouncers MAX681X data sheet[Z].1999.
[6] Analog Devices.700 MHz，5 mA，4-to1 video multiplexer AD8184 data sheet[Z].REV.0，1997.
[7] Analog Devices.1 GHz，5 500 V/μs low distortion amplifier AD8009 data sheet[Z].REV.0，1996.