周根東，魚(yú)云岐，周麗華

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065；2.駐西安北方光電集團(tuán)軍事代表室 陜西 西安 710065）

視頻字符疊加，是指在顯示屏幕的指定區(qū)域以一定的透明度顯示指定的圖像符號(hào)或字符。字符疊加在多媒體、監(jiān)控系統(tǒng)、電視等領(lǐng)域有著廣泛需求，以視頻監(jiān)控為例，在監(jiān)控端需要接收外部數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)的顯示在監(jiān)控屏幕上，如時(shí)間、機(jī)號(hào)、地點(diǎn)等信息。同時(shí)許多工業(yè)應(yīng)用的人機(jī)界面和視頻播放場(chǎng)合也需要能夠疊加各種圖文信息，視頻字符疊加的應(yīng)用可以顯著提高操控終端的操控性能和人機(jī)功效。

本文結(jié)合某型車載產(chǎn)品的要求：電視與熱像可自由切換、疊加器與上位機(jī)通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出基于視頻疊加芯片MB90092和單片機(jī)AT89S53的OSD系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括硬件電路和軟件設(shè)計(jì)兩部分，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

1 疊加原理

將一系列靜態(tài)圖像以電信號(hào)方式加以捕捉、記錄、處理、存儲(chǔ)，利用人眼的視覺(jué)暫留特性，以高于人眼閃爍頻率的速度進(jìn)行圖像傳輸就形成了連續(xù)的感覺(jué)，在接收端進(jìn)行重現(xiàn)就形成了視頻。

每一幅圖像都是由若干像素組成的，視頻傳輸時(shí)按照順序制將一個(gè)個(gè)像素的光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用一條通道依次傳輸出去，在接收端再按照同樣的順序?qū)⒏麟娦盘?hào)在相應(yīng)的位置上轉(zhuǎn)換成光學(xué)信息。字符由24×32 dots（象素）構(gòu)成，每個(gè)象素對(duì)應(yīng)屏幕上一個(gè)點(diǎn)，疊加字符的本質(zhì)就是把相應(yīng)的字符象素疊加到用戶指定的位置。屏幕光柵由電子束在水平方向和垂直方向掃描形成，用內(nèi)部時(shí)鐘作為點(diǎn)時(shí)鐘對(duì)屏幕上的象素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)，行同步信號(hào)為換行信號(hào)控制像素的疊加[1]。

2 方案選擇

常用的視頻字符疊加有以下4個(gè)方案：1）通用中小規(guī)模集成電路：采用通用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)單路視頻字符及時(shí)間疊加，這種方案需過(guò)于復(fù)雜，可靠性差；2）基于FPGA的方案：共用一片CPU、字庫(kù)ROM和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，利用FPGA集成若干獨(dú)立的顯示RAM計(jì)數(shù)掃描電路，實(shí)現(xiàn)多路字符疊加。但在多路顯示中，必須使用多片RAM和大規(guī)模多路開(kāi)關(guān)解決RAM的時(shí)分復(fù)用問(wèn)題，大大增加了電路的復(fù)雜性，同時(shí)提高了成本；3）基于單片機(jī)的方案：利用軟件實(shí)現(xiàn)在消隱期內(nèi)對(duì)顯示RAM的計(jì)數(shù)掃描和點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的移位輸出，只適用于字符數(shù)量少的應(yīng)用，容易造成視頻信號(hào)的不連續(xù)；4）基于專用字符疊加器的方案：專用字符疊加芯片通常允許用戶疊加文字和圖像，同時(shí)設(shè)置行距、字符大小等屬性，通常將字符信息做成字符庫(kù)存放于外部ROM中以方便調(diào)用。方案功能強(qiáng)，適用于顯示字符較多的場(chǎng)合，且價(jià)格適中[2]。鑒于以上各方案特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用第四種方案，視頻處理流程如圖1所示。

圖1視頻處理流程Fig.1 Processing flow of the video display metafile system

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)預(yù)留24 V供電口，設(shè)計(jì)中除視頻切換開(kāi)關(guān)AD8184采用±5 V供電外，其它芯片采用5 V供電。由于24 V與5 V的壓差太大，考慮到轉(zhuǎn)換效率以及散熱問(wèn)題，設(shè)計(jì)選用開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器LM2576獲得5 V電壓，利用電源翻轉(zhuǎn)芯片ICL7660獲得負(fù)極性電壓。LM2576電路中電容C2的耐壓值應(yīng)大于額定輸出電壓的1.5~2倍，5 V輸出選擇耐壓16 V的電容。電壓翻轉(zhuǎn)電路中C3、C4采用漏電小、介質(zhì)損耗低的鉭電容提高電源轉(zhuǎn)換效率，如圖2、3所示。

圖2降壓電路Fig.2 Step-down circuit

圖3電壓翻轉(zhuǎn)電路Fig.3 Reverse voltage circuit

3.2 視頻箝位電路

視頻信號(hào)中包含交流和直流分量，信號(hào)經(jīng)交流放大器處理時(shí)，由于放大器存在耦合電容，在處理過(guò)程中信號(hào)會(huì)丟失直流分量，而直流分量是圖像的黑電平（即同步電平），同步電平無(wú)法固定在同一電平上將嚴(yán)重影響視頻信號(hào)的行、場(chǎng)同步。選用MAX7452作為完整的前端視頻信號(hào)調(diào)節(jié)器，對(duì)輸入視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

如圖4所示，將VBPLVL端直接箝位到地，可以省去輸出耦合電容，降低行時(shí)間失真的可能性，同時(shí)減小板上空間的需求。設(shè)置芯片引腳AGCD=0、GSET=1，可向標(biāo)準(zhǔn)視頻負(fù)載（150Ω）輸出2 Vp-p的滿幅視頻信號(hào)，并滿足MB90092需要1 V偏置電壓的要求。MAX7452的輸入至少在15行內(nèi)沒(méi)有同步時(shí)，其LOS檢測(cè)器輸出一個(gè)邏輯高電平，與單片機(jī)的外部中斷0連接，可以有效指示攝像機(jī)或線纜的故障狀態(tài)。

圖4 MAX7452電路圖Fig.4 Circuit of MAX7452

3.3 視頻同步分離電路

全電視信號(hào)包含有視頻信號(hào)、復(fù)合同步信號(hào)、復(fù)合消隱信號(hào)、槽脈沖信號(hào)以及前后均衡脈沖信號(hào)，若要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理，就必須準(zhǔn)確的提取出各信號(hào)并把握信號(hào)間的邏輯關(guān)系。LM1881是針對(duì)電視信號(hào)的視頻同步分離芯片，用于從峰峰值0.5~2 V的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)極性PAL制視頻信號(hào)中提取定時(shí)信息。如圖5所示，芯片的2腳接一個(gè)復(fù)合輸入耦合電容，6腳接一個(gè)電流耦合電容以及一個(gè)680 kΩ的電阻用于設(shè)置內(nèi)部電流值，該電阻使LM1881能用于水平掃描頻率不同于15.734 kHz的信號(hào)源。

圖5 LM1881電路圖Fig.5 Circuit of LM1881

3.4 字符疊加電路設(shè)計(jì)

MB9009是一款專用視頻字符疊加芯片，用以顯示控制視頻中的文字和圖像。芯片外部只需連接少量的電子元件就可以顯示漢字和圖形，可方便的嵌入各種數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，因而在各個(gè)行業(yè)和各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

MB90092主要通過(guò)CS、SCLK、SIN3個(gè)引腳與 MCU相連來(lái)接收外部控制指令和數(shù)據(jù)。MB90092共有13種指令和兩種保留指令，單片機(jī)通過(guò)這些指令實(shí)現(xiàn)對(duì)字符顯示的控制[3]，每個(gè)指令由兩個(gè)字節(jié)組成，第一個(gè)字節(jié)的前5位為命令碼，其余位和第二個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)。

芯片可通過(guò)地址和READ信號(hào)讀取外部字體存儲(chǔ)器中的字體數(shù)據(jù)，最大可控制外部16Mbits的字庫(kù)內(nèi)存。時(shí)鐘模塊的輸入時(shí)鐘作為字符疊加的點(diǎn)時(shí)鐘，LM1881輸入的行、同步信號(hào)作為X、Y軸的復(fù)位時(shí)鐘來(lái)控制時(shí)序。漢字字庫(kù)存儲(chǔ)在外掛Flash存儲(chǔ)器。根據(jù)電路與外部字符存儲(chǔ)器的地址接口關(guān)系及電路讀取點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的順序，將所需要疊加字符的點(diǎn)陣生成可燒結(jié)的HEX文件，燒錄到外部存儲(chǔ)器中。外掛的字庫(kù)模塊使用戶可以根據(jù)需要隨時(shí)更改字符點(diǎn)陣[5]。

通過(guò)單片機(jī)向MB90092發(fā)送顯示以及寫(xiě)數(shù)據(jù)控制指令，視頻信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)后與復(fù)合同步信號(hào)以及場(chǎng)同步信號(hào)一起被送入MB90092，MB90092根據(jù)微控制器的指令從字庫(kù)中調(diào)取字符，將原始視頻信號(hào)及疊加字符按一定比例混合，送出疊加后視頻，如圖6所示。

圖6 MB90092電路原理圖Fig.6 Circuit of MB90092

3.5 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)負(fù)責(zé)兩方面的工作：1）通信：?jiǎn)纹瑱C(jī)利用SJA1000和TJA1050從CAN總線接收信息及數(shù)據(jù)；2）視頻疊加：?jiǎn)纹瑱C(jī)根據(jù)操控終端的請(qǐng)求，變換進(jìn)入視頻疊加板的視頻信號(hào)，單片機(jī)的 P1.2、P1.3端口連接到視頻切換開(kāi)關(guān) AD8184的A0、A1，編程控制決定要進(jìn)入疊加板的視頻信號(hào)，并根據(jù)從CAN總線獲得的數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行疊加。

3.6 通信電路設(shè)計(jì)

視頻疊加電路通過(guò)CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，由于AT89S53單片機(jī)沒(méi)有自帶CAN總線接口，選擇PHILIPS公司的SJA1000作為CAN總線控制器，TJA1050作為總線驅(qū)動(dòng)器。二者之間通過(guò)電磁隔離器ADum5241相連，可以實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離[6]。

SJA1000作為獨(dú)立CAN總線控制器，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。通過(guò)CAN總線接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析組態(tài)然后傳給下位機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)控制功能，當(dāng)CAN總線接口接收到上位機(jī)的下傳數(shù)據(jù)，SJA1000就產(chǎn)生一個(gè)中斷，引發(fā)微處理器產(chǎn)生中斷，通過(guò)中斷處理程序接收每一幀信息。AT89S53是CAN總線接口電路的核心，其承擔(dān)CAN控制器的初始化、CAN的收發(fā)控制等任務(wù)。TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口[7]，引腳RS接地默認(rèn)進(jìn)入高速模式。選擇電磁耦合進(jìn)行電氣隔離，相較于光耦隔離，磁隔離降低了功耗，比光耦具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)序精度和瞬態(tài)共模抑制能力，同時(shí)也消除了光耦不穩(wěn)定的電流傳輸率、溫度和使用壽命等方面的問(wèn)題。

設(shè)計(jì)通信電路時(shí)應(yīng)注意：1）SJA1000的中斷輸出漏極開(kāi)路，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)中斷引腳時(shí)應(yīng)加上拉電阻；2）由于使用外接驅(qū)動(dòng)器，RX1應(yīng)接到CAN電平（比較器電平）的中點(diǎn)以旁路CAN比較器，減少延時(shí)；3）阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配將導(dǎo)致信號(hào)反射，為了消除通信電纜中的信號(hào)反射，CAN總線通信時(shí)一定要加上120Ω的終端電阻，終端電阻對(duì)匹配總線阻抗起著非常重要的作用。忽略此電阻會(huì)使數(shù)字通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信。

4 軟件設(shè)計(jì)

視頻疊加板的軟件分為CAN通信和疊加顯示兩個(gè)部分。軟件運(yùn)行時(shí)首先完成單片機(jī)、SJA1000、MB90092芯片的初始化，開(kāi)CAN中斷等待接收數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后置位標(biāo)志位并進(jìn)入中斷服務(wù)程序，根據(jù)指令完成MB90092的指令與數(shù)據(jù)傳輸，完成字符疊加后清除標(biāo)志位，繼續(xù)等待CAN中斷。

圖7通信電路設(shè)計(jì)Fig.7 Circuit of MCU and communication system

字符疊加程序主要包含模擬SPI總線通信、MB90092的數(shù)據(jù)傳輸、芯片對(duì)于顯示字符的屬性設(shè)置、初始化程序以及片外存儲(chǔ)器尋址的一些函數(shù)。軟件流程如圖8所示。

5 結(jié) 論

圖8軟件流程圖Fig.8 Software flow diagram of the system

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該字符疊加器已經(jīng)可以正常使用，在不影響原視頻顯示效果的基礎(chǔ)上，字符及圖形可以以指定的位置、大小準(zhǔn)確的疊加在視頻上。本文設(shè)計(jì)的字符疊加器已經(jīng)應(yīng)用在某型車載產(chǎn)品中，可以準(zhǔn)確接收外部指令及數(shù)據(jù)，任意切換電視以及熱像視頻，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和很高的性價(jià)比。

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