視頻監(jiān)控系統(tǒng)中矩陣切換——字符疊加的兩種實(shí)現(xiàn)方案

http://m.butianyuan.cn/article/201612/333187.htm

視頻監(jiān)控系統(tǒng) 矩陣切換 字符疊加

近年來視頻監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、商業(yè)、金融、軍事及安全保衛(wèi)等領(lǐng)域，是現(xiàn)代化管理、監(jiān)測(cè)、控制的重要手段之一，極大地提高了管理效率和自動(dòng)化水平。通用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般包括以下幾個(gè)部分：攝像機(jī)、云臺(tái)、解碼器、中心控制系統(tǒng)、矩陣切換系統(tǒng)、字符疊加系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)。其中矩陣切換和字符疊加是監(jiān)控系統(tǒng)中兩個(gè)比較重要的部分，本文將對(duì)這兩部分的工作原理和實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行介紹。

由于監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)圖象切換的要求不如廣播電視嚴(yán)格，切換過程中所引起的圖象抖動(dòng)是可以容忍的。因此為了降低成本，在矩陣切換方面一般不采用同步切換，而大多利用集成模擬開關(guān)進(jìn)行異步切換。字符疊加部分的實(shí)現(xiàn)方案比較多，其基本原理都是CPU從字庫(kù)ROM中取出要顯示字符的占陣數(shù)據(jù)，根據(jù)所設(shè)定的在屏幕上的顯示位置，送到對(duì)應(yīng)的顯示RAM中去，然后由計(jì)數(shù)電路對(duì)顯示RAM進(jìn)行掃描，將字符點(diǎn)陣信號(hào)并行讀出并轉(zhuǎn)換為串行碼，再與視頻圖象信號(hào)疊加后送監(jiān)視器屏幕顯示。

考慮到用戶所需的功能和系統(tǒng)容量的不同，先后開發(fā)了兩種基于不同芯片組合的矩陣切換-字符疊加實(shí)現(xiàn)方案。每種方案都力求簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。

1 小容量、非漢字字符疊加系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)視、音頻信號(hào)的輸入、輸出通道不是很多，尤其在輸出通道較少且不需要漢字字符疊加的情況下，該文豪以獲得較高的性價(jià)比。

1.1 元件構(gòu)成

在該設(shè)計(jì)中矩陣切換部分采用8選1模擬開關(guān)CC4051，圖1和圖2分別給出了利用該芯片進(jìn)行視、音頻信號(hào)切換的實(shí)用電路。若還需要對(duì)音量進(jìn)行控制，可以在音頻切換的CC4051后再加一級(jí)CC4051。第二級(jí)CC4051的各輸入端接不同阻值的電阻，從而獲得不同的音量衰減。

字符疊加部分采用了NEC公司推出的專用視頻字符疊加芯片μPD6450，該芯片的顯示編輯功能非常強(qiáng)，控制方式也很簡(jiǎn)單。在芯片內(nèi)部固化了128個(gè)12×18點(diǎn)陣的日文、英文字母和數(shù)字等字符的字模，顯示字符的大小、閃爍頻率可以進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)芯片還提供5種顏色的內(nèi)部視頻信號(hào)，可以根據(jù)要求在內(nèi)部視頻信號(hào)和外部視頻信號(hào)之間進(jìn)行切換，使用非常方便。但由于該芯片內(nèi)部沒有提供空的RAM空間以供用戶填入自定義字符，因此使用該芯片時(shí)只能顯示其內(nèi)部固化的128個(gè)字符，無法外擴(kuò)漢字，在某些場(chǎng)合的使用上存在一些局限性。

1.2 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

在設(shè)計(jì)中，輸入8路視頻信號(hào)經(jīng)過標(biāo)題、時(shí)間疊加后送去錄像，同時(shí)送往矩陣切換電路選出一路進(jìn)行監(jiān)視。監(jiān)視時(shí)可采用自動(dòng)定時(shí)切換或手動(dòng)切換。

為了方便用戶操作，設(shè)計(jì)了較多的面板按鍵。同時(shí)8路疊加芯片的片選線、數(shù)據(jù)線、CLK線以及切換模塊CC4051的地址線也較多，從而造成89C52單片機(jī)的I/O口比較緊張。為了解決這個(gè)問題，采取了三種辦法：（1）使用移位寄存器，用CPU串口擴(kuò)展I/O口來控制面板按鍵；（2）視、音頻信號(hào)切換和音量切換的6根地址線均從P1口引出，同時(shí)8路疊加芯片共用數(shù)據(jù)線、CLK線，這兩根線也從P1口引出；（3）CPU的P0口蚋射為總線方式，控制時(shí)鐘芯片DS12887。同時(shí)P2口映射為I/O口方式，控制8路疊加芯片的片選信號(hào)。

在設(shè)置存儲(chǔ)系統(tǒng)的信息時(shí)，若信息量不是很多，可以不外擴(kuò)RAM，而將設(shè)置信息保存在時(shí)鐘芯片DS12887中，其內(nèi)部含有114個(gè)字節(jié)不揮發(fā)的RAM。另外在設(shè)置標(biāo)題、時(shí)間等信息時(shí)，采有了菜單界面方式，同時(shí)使用疊加芯片μPD6450提供的內(nèi)部彩色視頻信號(hào)，既美觀也方便用戶操作。

實(shí)踐證明，該方案對(duì)于小容量、非漢字字符疊加系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、成本較低等特點(diǎn)，是一種比較好的方案。

2 大容量、漢字字符疊加系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)視、音頻信號(hào)的輸入、輸出通道數(shù)較多，且需要進(jìn)行漢字字符疊加時(shí)可以采用該方案。在設(shè)計(jì)中，48路輸入視頻信號(hào)經(jīng)過矩陣切換后輸出12路信號(hào)，然后送往字符疊加模塊進(jìn)行漢字標(biāo)題和時(shí)間的疊加，最后送往12路監(jiān)視器。整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)模塊：控制模塊、矩陣切換模塊和字符疊加模塊。下面介紹各模塊主要元件的構(gòu)成。

2.1 元件構(gòu)成控制模塊

·在本模塊中，CPU采用具有兩個(gè)UART串口的80C320，其中一個(gè)串口用于接收鍵盤的輸入信號(hào)，另一個(gè)串口用于向字符疊加模塊發(fā)送標(biāo)題和時(shí)間信息。

·看門狗采用帶電池的MAX691，不僅可以防止死機(jī)，同時(shí)在系統(tǒng)斷電時(shí)可以自動(dòng)啟用該電池向RAM供電，以保證存儲(chǔ)的信息不丟失。

矩陣切換模塊

本模塊中，矩陣切換采用了多路模擬開磁MT8816芯片，該芯片有兩種工作方式：8路輸入、16路輸出或16路輸入、8路輸出。需要特別注意的是，對(duì)于每一個(gè)輸入通道而言，輸出通道0～15（或0～7）并不完全對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的二進(jìn)制地址0000～1111（或000～111）。例如輸入通道為1，輸出通道為12，則輸入通道的開關(guān)地址為001，而輸出通道的開關(guān)地址為0110。

字符疊加模塊

本模塊中，字符疊加采用了NEC公司推出的專用字符疊加芯片μPD6453，該芯片的控制方式與μPD6450基本相似，顯示編輯功能也非常強(qiáng)。主要區(qū)別在于：該芯片內(nèi)部固化了240個(gè)12×18點(diǎn)陣的日文、英文字母和數(shù)字等字符的字模，同時(shí)還提供16個(gè)字符的空RAM區(qū)以供用戶填入自定義字符，這樣就為漢字顯示提供了可能。在視頻同步信號(hào)的提取上，采用專用集成芯片LM1881實(shí)現(xiàn)行、場(chǎng)同步信號(hào)的分離。

2.2 結(jié)構(gòu)框架和工作原理

本系統(tǒng)的三個(gè)模塊：控制模塊、矩陣切換模塊和字符疊加模塊的構(gòu)成、功能和相互關(guān)系如圖3所示。

其中控制模塊接收并分析鍵盤信號(hào)，將所接收的48路標(biāo)題信息以及矩陣切換的控制信息，包括選路，掃描始路值、末路值、掃描時(shí)間等都存儲(chǔ)在不掉電的RAM中，將時(shí)間設(shè)置信息存儲(chǔ)在DS12887中，這樣重新開機(jī)時(shí)系統(tǒng)能根據(jù)上次關(guān)機(jī)時(shí)的設(shè)置進(jìn)行初始化。另外，該模塊還向矩陣切換模塊發(fā)送相應(yīng)的開關(guān)地址和開關(guān)數(shù)據(jù)，并且依據(jù)通信協(xié)議，由串口向字符疊加模塊發(fā)送標(biāo)題和時(shí)間。

在疊加模塊中，3個(gè)89C52控制13路的字符疊加，每個(gè)CPU控制4路。就整個(gè)系統(tǒng)而言，該模塊上的89C52處于從機(jī)的地垃，接收控制模塊中80C320發(fā)送的各種設(shè)置信息。由于在兩個(gè)CPU之間存在著數(shù)據(jù)通信，相應(yīng)地定義了一個(gè)通信協(xié)議，限于篇幅這里不作為多敘述。下面僅就μPD6453在漢字顯示的遇到的一些問題進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

首先，對(duì)于國(guó)內(nèi)用戶來說，大量的漢字都沒有固化在μPD6453芯片內(nèi)部，需要將其先寫入片內(nèi)16個(gè)字符的空RAM區(qū)，再發(fā)出指令讓其顯示。ΜPD6453內(nèi)部的字模（包括16個(gè)字符的空RAM區(qū)）均為12×18點(diǎn)陣，而12×18點(diǎn)陣的漢字字庫(kù)很難找到。因此設(shè)計(jì)中采用了12×12點(diǎn)陣的字庫(kù)數(shù)據(jù)，顯示時(shí)將要顯示的數(shù)據(jù)直接寫入μPD6453片內(nèi)的12×18占陣的RM區(qū)，但這樣顯示的字符看起來比較小。幸運(yùn)的是μPD6453同時(shí)提供了調(diào)整字符大小的功能，字符可以以單倍、雙倍、三倍和四倍模式顯示。但需注意的是，該芯片外接的電感電容對(duì)顯示字符的橫向長(zhǎng)度影響很大。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，我們認(rèn)為電感取15μH，電容取56pF時(shí)，12×12點(diǎn)陣的漢字字符以雙倍顯示比較合適。其次，89C52只能直接管理64K的存儲(chǔ)空間，當(dāng)采用12×12點(diǎn)陣的漢字字庫(kù)時(shí)，存儲(chǔ)所有的國(guó)際一級(jí)漢字需要128K的ROM，這樣就需要進(jìn)行分頁(yè)管理，最高們的地址線從I/O口引出。第二，行、場(chǎng)同步信號(hào)的分離除了采用專用集成芯片，如LM1881，也可以使用分立模擬元件。在本系統(tǒng)中，由于在一塊電路板上集成了12個(gè)疊加電路，采用專用集成芯片進(jìn)行行場(chǎng)分離可以防止模擬信號(hào)間的相互串?dāng)_。但此方法成本較高，一般情況下建議使用分立模擬元件設(shè)計(jì)該電路。

以上介紹了監(jiān)控系統(tǒng)中矩陣切換和字符疊加的兩種實(shí)現(xiàn)方案，其中第一種方案適用于小容量、非漢字字符疊加系統(tǒng)，第二種方案適用于較大容量、漢字字符疊加系統(tǒng)。這兩種方案都已投入產(chǎn)品化的批量生產(chǎn)，技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定可靠。在實(shí)際應(yīng)用中，讀者可以根據(jù)需要，將這兩種方案的矩陣切換部分和字符疊加部分進(jìn)行相互組合以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。