基于MAX7456的視頻字符疊加系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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，通過對寄存器的讀寫可以對屏幕像素，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，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對模擬視頻信號進(jìn)行字符及圖形疊加產(chǎn)生混合信號，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。視頻信號輸入通過一個(gè)RC濾波電路接MAX7456的VIN引腳，視頻輸出信號由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，使其直接對地回流。由于系統(tǒng)中包含了數(shù)字信號與模擬信號，為了防止高頻數(shù)字噪聲耦合至視頻輸
出，必須對數(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。