《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MAX7456的字符疊加系統(tǒng)設(shè)計(jì)
汪 輝 王昌明 宋高順 潘文松
摘要: 介紹了基于字符疊加器件MAX7456的字符疊加系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),給出了該字符疊加系統(tǒng)的詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程,并對(duì)顯示字符的創(chuàng)建方法進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)可以為手持設(shè)備提供必要的提示信息,作為數(shù)據(jù)解算的依據(jù);并且可以有效地防止高科技人員在視頻監(jiān)視端對(duì)監(jiān)控頭及線路的造假行為,保證遠(yuǎn)程監(jiān)控的真實(shí)性和可靠性。系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,成本較低等優(yōu)點(diǎn)。
Abstract:
Key words :

在監(jiān)視系統(tǒng)或視頻提示系統(tǒng)中有一項(xiàng)重要的技術(shù)就是在視頻信號(hào)中混入字符,從而在屏幕的特定位置上實(shí)現(xiàn)與圖像信號(hào)的同時(shí)顯示。這樣既可以為測(cè)量設(shè)備提供必要的提示信息,作為數(shù)據(jù)分析與解算的依據(jù);也可以在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中加上日期、時(shí)間等,有效地防止在監(jiān)控端高科技人員的故意造假行為,保證遠(yuǎn)程監(jiān)控的真實(shí)性與可靠性。
    字符疊加系統(tǒng)有兩種實(shí)現(xiàn)方案,一種是搭建視頻疊加的主要電路,如場(chǎng)分離電路,顯示內(nèi)存,時(shí)鐘振蕩電路等,這種方法在實(shí)現(xiàn)上比較繁瑣,又因分立元件較多而降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;另一種是使用專用的字符疊加器件實(shí)現(xiàn),這種方案元件數(shù)量少、電路簡單容易實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)穩(wěn)定性好。
    目前視頻字符疊加器件主要有日本NEC公司生產(chǎn)的μPD6453,該器件成本較低,但控制字符內(nèi)容和位置的靈活性較差;韓國三星公司生產(chǎn)的KS5514B-XX系列的字符疊加器件,可方便顯示日文,韓文,英文,但使用復(fù)雜、不支持中文的顯示;日本FUJITSU公司的MB90092字符疊加器件,使用方便、靈活性好,但需外接視頻分離電路,字符存儲(chǔ)器等;美國美信公司推出的MAX7456字符疊加器件,內(nèi)部集成視頻分離電路,字符存儲(chǔ)器,而且可方便以任意字符、尺寸顯示所需信息,硬件設(shè)計(jì)更簡單,成本更低,易于滿足實(shí)際需要。因此這里給出一種基于MAX7456的字符疊加系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 MAX7456簡介

    MAX7456視頻疊加器件是單通道、單色隨屏顯示(OSD)發(fā)生器,內(nèi)部集成了視頻驅(qū)動(dòng)、同步分離器、視頻開關(guān)以及EEPROM,采用符合NTSC和PAL制式的256個(gè)用戶可編程字符,能夠方便地以任意字符、尺寸顯示各種信息,預(yù)先裝載了256個(gè)字符和圖形,并可通過SPI接口進(jìn)行在線編程。器件內(nèi)部包含36個(gè)寄存器,通過對(duì)寄存器的讀寫可以對(duì)屏幕像素,各行字符的亮度,字符的閃爍、反色等進(jìn)行有效的控制??蓱?yīng)用于安全監(jiān)視系統(tǒng),安全監(jiān)控?cái)z像機(jī),室內(nèi)娛樂系統(tǒng),手持測(cè)量儀器等領(lǐng)域。MAX7456主要具有特性:1)256個(gè)用戶字符或圖形存儲(chǔ)于EEPROM;2)字符大小為12x18像素;3)閃爍、反色和背景控制字符;4)可逐行設(shè)置亮度;5)最多可顯示16行x30列字符;6)視頻驅(qū)動(dòng)器輸出帶有衰減補(bǔ)償;7)內(nèi)置同步發(fā)生器;8)SPI兼容串行接口。
    MAX7456的主要引腳如下::輸入片選信號(hào),低電平有效;SDIN:串行數(shù)據(jù)輸入,數(shù)據(jù)在SCLK上升沿移入;SCLK:串行時(shí)鐘輸入,占空比必須在40%到60%之間;SDOUT:串行數(shù)據(jù)輸出,數(shù)據(jù)在SCLK下降沿輸出,當(dāng)變?yōu)楦唠娖綍r(shí),變?yōu)楦咦杩?;PGND:驅(qū)動(dòng)器地;PVDD:驅(qū)動(dòng)器電源輸入;VIN:PAL或者NTSC,CVBS視頻輸入;VOUT:視頻輸出;SAG:電壓衰減修正輸入,不使用時(shí)連接至VOUT。
1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該字符疊加系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括4個(gè)主要模塊電路:AT89C2051單片機(jī)、MAX7456專用字符疊加電路、攝像頭CCD輸入電路、顯示屏。其中AT89C2 051單片機(jī)作為控制電路,MAX7456對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行字符及圖形疊加產(chǎn)生混合信號(hào),采用顯示屏進(jìn)行顯示。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示.
系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件電路如圖2所示。


    選擇27 MHz的晶振G1與MAX7456并聯(lián),由于器件內(nèi)部包含振蕩器所需要的電容,所以不需要外部負(fù)載電容。視頻信號(hào)輸入通過一個(gè)RC濾波電路接MAX7456的VIN引腳,視頻輸出信號(hào)由VOUT引腳輸出。MAX7456的,SDIN,SCLK,SDOUT引腳分別與單片機(jī)的P1.5,P1.4,P1.3,P1.2引腳相連。
    在電路設(shè)計(jì)中,為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和抗干擾性,不僅要考慮電路本身以及元件的各種噪聲干擾以及接地干擾等問題。在數(shù)字電路中,由于電路常處于開關(guān)狀態(tài),在電源供電端也會(huì)因而產(chǎn)生一些高頻帶噪聲,這些噪聲容易影響到其他電路。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)連接有C8,C9退耦合電容,可有效過濾掉這些高頻噪聲,使其直接對(duì)地回流。由于系統(tǒng)中包含了數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào),為了防止高頻數(shù)字噪聲耦合至視頻輸
出,必須對(duì)數(shù)字地與模擬地進(jìn)行一些處理。如果將二者完全隔開,獨(dú)立設(shè)置雖然可以解決噪聲干擾問題,但勢(shì)必在整個(gè)電路中設(shè)置多個(gè)參考電位點(diǎn),也即設(shè)置2個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn),所以在實(shí)現(xiàn)上很難或者不可能。因此,該設(shè)計(jì)采用將所有數(shù)字地與模擬地各自連接,最后在一點(diǎn)將數(shù)字地與模擬地連接。這種接法實(shí)現(xiàn)了地之間沒有電流流通,抗干擾性較強(qiáng)。
    電路的主要工作原理是單片機(jī)通過模擬SPI接口模式向MAX7456發(fā)送控制命令,如顯示模式,讀取字符存儲(chǔ)器等,MAX7456根據(jù)單片機(jī)的指令,修改或者讀取字符存儲(chǔ)器中的字符,并將圖像、字符混合后顯示在指定的位置上。
1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)通過串口接收命令,然后由中斷處理程序顯示疊加字符的軟件流程如圖3所示。


    上電后,系統(tǒng)先對(duì)串口進(jìn)行初始化,然后設(shè)置視頻的輸出模式和線程模式,接著單片機(jī)就等待串口傳來的命令,當(dāng)有命令滿足中斷條件時(shí),單片機(jī)進(jìn)入中斷處理程序,將要顯示的字符在指定的位置上以指定的屬性疊加在視頻信號(hào)上。
    單片機(jī)與MAX7456的通信主要是通過SPI接口來實(shí)現(xiàn)的,SPI的時(shí)序圖如圖4所示。當(dāng)單片機(jī)向MAX7456寫數(shù)據(jù)時(shí),首先拉低使能SPI口,在SCLK上升沿?cái)?shù)據(jù)輸入SDIN。當(dāng)變?yōu)楦唠娖綍r(shí),數(shù)據(jù)被鎖存至輸入寄存器,如果在傳輸過程中變?yōu)楦唠娖?,則本次操作失敗。變?yōu)榈碗娖胶?,器件等待第一個(gè)輸入到SDIN中的字節(jié)。以確定所執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)念愋?。SPI命令為16位,高8位代表寄存器地址,低8位代表數(shù)據(jù)。



2 創(chuàng)建新字符
    由于MAX7456器件內(nèi)部只集成了256個(gè)字符,這些字符并不能滿足所有的需要,因此需要?jiǎng)?chuàng)建所需要的字符。用戶定義的字符集結(jié)合輸入視頻流產(chǎn)生CVBS和OSD視頻輸出。最多可存儲(chǔ)256個(gè)12×18像素字符,可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置。在525線模式時(shí),顯示13行x30字符;在625線模式時(shí),顯示16行x30字符。MAX7456 OSD含有兩組存儲(chǔ)器:顯示存儲(chǔ)器(SRAM)和非易失字符存儲(chǔ)器(NVM)。
    顯示存儲(chǔ)器(SRAM)存儲(chǔ)480個(gè)字符地址,這些地址“指向”存儲(chǔ)在NVM字符存儲(chǔ)器中的字符。顯示存儲(chǔ)器中的內(nèi)容可由用戶編程,具有SPI兼容串行接口。顯示存儲(chǔ)器地址對(duì)應(yīng)于監(jiān)視器的固定位置。每一字符都需要兩個(gè)字節(jié),第1個(gè)字節(jié)含有字符存儲(chǔ)器中的字符數(shù),第2個(gè)字節(jié)含有字符屬性狀態(tài)位,字符從左向右,自上而下排序。
    非易失字符存儲(chǔ)器存儲(chǔ)要顯示的字符或圖形映射。字符存儲(chǔ)器中的內(nèi)容可由用戶編程,采用SPI兼容串行接口。每一字符含有12行×18列像素。每一像素含有2個(gè)比特:00=黑色,不透明;0l=透明;10=白色,不透明;11=透明。因此,每個(gè)字符有12×18=216個(gè)像素,一個(gè)8位字節(jié)表示4個(gè)像素,所以每個(gè)字符需要216/4=54字節(jié)的數(shù)據(jù)。為方便尋址,存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)采用64字節(jié)塊,每前54個(gè)字節(jié)表示一個(gè)字符,剩余10個(gè)字節(jié)沒有使用。所以,字符存儲(chǔ)器長度是64×256=16 384字節(jié)。因此,每個(gè)顯示存儲(chǔ)器地址位置包含的數(shù)值實(shí)際是對(duì)應(yīng)于所選字符的64字節(jié)塊地址。
    使用MAX7456提供的GUI軟件,能夠控制器件,下載定制圖形。字符存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)在一個(gè)文件中,文件的文件擴(kuò)展名是*.mcm字符存儲(chǔ)器。用記事本打開這個(gè)文件可以看到文件共有16 385行,第1行顯示的是MAX7456,第2行到最后一行顯示的都是8個(gè)二進(jìn)制的數(shù)據(jù)。修改這些8位的二進(jìn)制數(shù)就能夠得到需要的字符或圖形。

3 系統(tǒng)在導(dǎo)航中的應(yīng)用
    將攝像頭信號(hào)接入所設(shè)計(jì)的字符疊加系統(tǒng),視頻輸出接LCD顯示屏,在顯示屏上疊加導(dǎo)航所需要的信息:南京理工大學(xué)(NJUST)、日期(2009年12月8日)、緯度(Lat 32.518)、經(jīng)度(Lon 118.137)、速度(V:15 m/s),航向(H:65.86),疊加效果如圖5所示。


    從圖5可以看到,字符采用的是白底黑邊,無論光線強(qiáng)弱都可以很清楚地顯示所需要的信息,實(shí)際應(yīng)用表明,本文設(shè)計(jì)的字符疊加系統(tǒng)操作方便,工作穩(wěn)定,可以在比較復(fù)雜的環(huán)境中使用。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計(jì)的視頻疊加系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,使用方便的特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)視頻圖像中任意字符的疊加,當(dāng)需要大的字符或者圖案顯示的時(shí)候,可將一個(gè)大的字符分成多個(gè)小的字符,也就是用多個(gè)54字節(jié)顯示。實(shí)際使用證明該系統(tǒng)具有體積小、顯示清晰、工作穩(wěn)定、功耗低等特點(diǎn),因此該系統(tǒng)可以應(yīng)用于軍事、航空、社會(huì)生活等監(jiān)控系統(tǒng)中。

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