‌VGA矩阵切换器‌是一种信号管理设备，主要用于对计算机显示器信号进行切换和分配。它可以将多路输入信号中的任意一个显示到任意一个指定的显示器上，并且输出通道间彼此独立。简单来说，VGA矩阵切换器就是将一路或多路音视频信号分别传输给一个或者多个显示设备‌。

带宽:500MHz 亮度色度干扰 ：-50dB@10MHz 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p－p ，5伏p－p（TTL） 非线性失真 ： ＜0.02%/0.02º (RL=150Ω) 支持分辨率：高清480i～1080p/640X480～1600X1200（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: 75Ω 输出助抗: 75Ω同步通道

输入电平: TTL输出电平: TTL 输入阻抗: 10KΩ 输出阻抗: 33Ω 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 平均故障间隔时间MTBF：42000 小时

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，形成图1的矩阵结构，既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，如图1。

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个输出是相同的，而不是独立的。一般习惯中，将形成M×N的结构称为矩阵，而将M×1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。

切换原理上就是选择，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，故也没有强制的指标标准。

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信号矩阵。

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32×8或64×8，但没必要选择32×32或64×64，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，如果采用大型矩阵，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128×64折分成4台32×16)如果各区之间有可能需要互传信号，也可采用如图2中的结构：

样可使矩阵2的输出中包含矩阵1的部分输入信号，效果虽没有全矩阵结构好，但成本会下降这。

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64×32组成128×32时，不能用二台64×32组成128×64，这还是分组使用的概念，而应用三台64×32组成128×32，如图3，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)。

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：讯维。

·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。

VGA矩阵切换器类产品作为专业、多元化的信号管理设备，在信号系统中起到了信号调度作用，并作为系统中的核心设备。该类产品广泛用于广播电台，电视台，有线网络，电视会议，交通管理，军事指挥，平安城市，武警消防等需要进行信号管理和调度的领域，完成信号切换，管理、调度等功能。为视/音频信号的灵活运用，提供了经济实用的解决方案。随着多媒体技术的大量普及，在矩阵切换器类产品中也融入了多媒体元素，这类矩阵切换器广泛应用于教育，多媒体会议，多功能厅，大型展厅，娱乐场所，舞台演出，计算机应用等行业。

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

VGA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DAC

VGA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。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0.17μs；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 0.25μs。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。表2给出了显示每

帧图像包含的总线空闲时间，以及在不同解码缓存区分配方式下图像全部更新和10%局部更新的帧率。这

里提到的帧率是指对显存数据的更新速度，而不是指图像的屏幕刷新率，它对刷新率没有影响。

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。