新型高度集成化的視頻字符疊加系統(tǒng)的研究

　在傳統(tǒng)視頻字符疊加系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用了Microchip公司推出的單片機(jī)PIC16C73和NEC公司推出的專(zhuān)用字符疊加芯片uPD6453，開(kāi)發(fā)了一種新型高度集成化的視頻字符疊加系統(tǒng)，詳細(xì)論述了該字符疊加系統(tǒng)的工作原理、硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)已在實(shí)踐中得到成功應(yīng)用，是視頻字符疊加的一種較好的選擇方案。
??? 關(guān)鍵詞：視頻字符疊加，PIC16C73，uPD6453，I2C總線

1　引　言
　　視頻字符及時(shí)間疊加器是在視頻信號(hào)中混入字符或時(shí)間信號(hào)，從而在屏幕的特定位置上與圖像信號(hào)同時(shí)進(jìn)行顯示的設(shè)備。這項(xiàng)技術(shù)是應(yīng)用電視技術(shù)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，在應(yīng)用電視系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。從視頻字符疊加器的工作方式及本身電路的構(gòu)成來(lái)看，到目前為止已有三種不同的實(shí)現(xiàn)方案。
　　第一種方案是通用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)方案。即，全部采用邏輯門(mén)，計(jì)數(shù)器，移位寄存器等通用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)單路規(guī)模字符集時(shí)間疊加。
　　第二種方案是基于FPGA的多路實(shí)現(xiàn)方案。即，在共用字庫(kù)ROM，一片CPU和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的前提下，利用FPGA集成若干路顯示RAM計(jì)數(shù)的、獨(dú)立的掃描電路，實(shí)現(xiàn)多路字符疊加。
　　第三種方案是主控機(jī)加顯示執(zhí)行機(jī)實(shí)現(xiàn)方案?？刹捎?a href="http://wenjunhu.com/tags/atmel/" target="_blank">ATMEL 8951單片機(jī)作主控機(jī)，若干片AT90S1200單片機(jī)作為顯示執(zhí)行機(jī)，利用AT90S1200的I／O口管腳自定義一種串行通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多路字符疊加。
　　其中，第一種方案只適用于單路設(shè)計(jì)，隨著專(zhuān)用芯片和單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這種方案會(huì)逐漸被淘汰。第二種方案原理與第一種類(lèi)似，利用可編程邏輯器件使電路簡(jiǎn)化不少，但該方案的成本較高。第三種方案利用軟件實(shí)現(xiàn)了硬件掃描電路的功能，比較靈活，成本較低，但是只適用于顯示字符相對(duì)較少的場(chǎng)合，若顯示字符很多，軟件就過(guò)于復(fù)雜，很難保證連續(xù)顯示。
　　近年來(lái)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用使其容量不斷擴(kuò)大，因此，它的顯示編輯功能、可靠性及電路的規(guī)模和復(fù)雜程度也就成為設(shè)計(jì)者十分關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。為了保證在系統(tǒng)容量較大的情況下，實(shí)現(xiàn)低成本、高性能的字符疊加，文章嘗試使用了高度集成化的字符疊加系統(tǒng)，其中采用了Microchip公司推出的單片機(jī)PIC16C73和NEC公司推出的專(zhuān)用字符疊加芯片uPD6453。
2　新型的漢字字符疊加系統(tǒng)
　　文章中的漢字字符疊加系統(tǒng)是一個(gè)四路同時(shí)采樣的字符疊加系統(tǒng)，采用一片PIC16C73微處理器和四片uPD6453芯片，對(duì)四路模擬視頻輸入信號(hào)分別進(jìn)行字符疊加，進(jìn)而產(chǎn)生四路字符與視頻信號(hào)疊加的混合信號(hào)并輸出到終端設(shè)備。其基本工作原理是：首先，通過(guò)同步信號(hào)分離模塊將外輸入的視頻信號(hào)中的行場(chǎng)同步信號(hào)分離出來(lái)，該分離信號(hào)引入uPD6453，由PIC16C73向uPD6453發(fā)送控制命令，如顯示控制、字符RAM寫(xiě)地址控制等，對(duì)四路uPD6453循環(huán)操作，按照系統(tǒng)功能需要產(chǎn)生相應(yīng)的字符，與外輸入視頻信號(hào)進(jìn)行疊加得到混合信號(hào)輸出到終端設(shè)備顯示。
2．1　字符疊加系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
　　這里采用PIC16C73和uPD6453進(jìn)行漢字字符疊加，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
　　該硬件結(jié)構(gòu)由以下8個(gè)部分組成：
2．1．1　視頻輸入電路
??? 由于外部視頻輸入信號(hào)的基線為0V左右，要與由uPD6453芯片生成的字符信號(hào)進(jìn)行疊加，必須提升基線值到2V左右，其設(shè)計(jì)電路如圖2所示。該電路輸出信號(hào)Video in與外部視頻輸入信號(hào)相比較，只是基 線不同，二者波形形狀完全一致。

2．1．2　行場(chǎng)同步分離模塊
　　又稱(chēng)視頻同步信號(hào)提取電路?，F(xiàn)在市場(chǎng)上已有不少可實(shí)現(xiàn)行場(chǎng)同步信號(hào)分離的專(zhuān)用集成電路，如LM1881等，但成本較高。文章使用分立模擬元件設(shè)計(jì)該電路，性能十分穩(wěn)定可靠，同時(shí)大大降低了成本，其設(shè)計(jì)電路如圖3所示。
2．1．3　字符生成模塊
　　如圖1所示，四片uPD6453芯片的CS端分別與PIC16C73的RB0，RB1，RB2，RB3相連接；四片uPD6453芯片的BUSY端口共用，與PIC16C73的RC1端口連接；四片uPD6453芯片的CLK端口共用，與PIC16C73的RC3端口連接；四片uPD6453芯片的DATA端口共用，與PIC16C73的RC5端口連接。微處理器PIC16C73對(duì)uPD6453進(jìn)行各種控制命令的操作，產(chǎn)生的字符包括漢字，字母和數(shù)字。有關(guān)PIC16C73的端口功能和uPD6453的控制命令及控制時(shí)序詳見(jiàn)NEC公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)，這里不再講述。這里需要說(shuō)明的是，uPD6453顯示的字符大小有時(shí)不符合要求，我們注意到uPD6453外接的電感電容振蕩電路對(duì)顯示字符的橫向長(zhǎng)度影響很大，但芯片手冊(cè)上并未給出具體的參數(shù)值，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，我們認(rèn)為，電感取15μH，電容取56pF比較合適。若稍微調(diào)整電感值，則可改變顯示字符橫向尺寸，使用時(shí)可根據(jù)自己的需要選用。
2．1．4　時(shí)鐘模塊
　　本設(shè)計(jì)中加入一片時(shí)鐘芯片R4543，該芯片采用內(nèi)置晶振，精度比一般的時(shí)鐘芯片高。R4543與CPU的連接如圖1所示，R4543的信號(hào)端CS，WR，DATA，CLK分別與PIC16C73的RB4，RB5，RB6，RB7相連接，時(shí)鐘芯片R4543的讀寫(xiě)時(shí)序可參見(jiàn)其用戶(hù)手冊(cè)，這里不再講述。微處理器PIC16C73對(duì)R4543可進(jìn)行讀寫(xiě)操作，通過(guò)uPD6453在視頻圖像信號(hào)上疊加當(dāng)前時(shí)間，調(diào)整校對(duì)當(dāng)前時(shí)間。
2．1．5　漢字字庫(kù)模塊
　　由于uPD6453中固化的字模主要是日文字符，沒(méi)有所需要的漢字。但它有16個(gè)空的RAM區(qū)，可以供用戶(hù)任意填寫(xiě)（詳見(jiàn)NEC公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)），因此，系統(tǒng)需要能夠存儲(chǔ)漢字點(diǎn)陣的字模芯片，其容量大小取決于系統(tǒng)顯示漢字的范圍。文章采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT24C16作為字模芯片，該芯片容量為2Kbyte，用于存儲(chǔ)12×12點(diǎn)陣的字庫(kù)數(shù)據(jù)，AT24C16的數(shù)據(jù)存取方式是I2C串行方式。如圖1所示，AT24C16的SCL和SDA端口分別與PIC16C73的I2C功能口RC3（SCL）和RC4（SDA）連接，外接10 kΩ上拉電阻，可實(shí)現(xiàn)I2C串行讀寫(xiě)操作。PIC16C73通過(guò)I2C總線讀取字模芯片中的漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，再寫(xiě)入uPD6453片內(nèi)RAM區(qū)，有關(guān)I2C總線的讀寫(xiě)時(shí)序詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)2。
2．1．6　串行通信模塊　　
　　如圖1所示，微處理器PIC16C73的RX（RC6）和TX（RC7）端與MAX202的ROUT和TIN端口相連接。PIC16C73具有完善的串行通信接口SCI，利用RX和TX兩個(gè)引腳作為通訊線的二線制串行通信接口，可將其定義為全雙工異步方式。再通過(guò)外接一片MAX202芯片將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232標(biāo)準(zhǔn)電平，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸與上位機(jī)通訊。由上位機(jī)下傳12×12漢字點(diǎn)陣數(shù)據(jù)和當(dāng)前時(shí)間數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)AT24C16中字模點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的更新并可下傳當(dāng)前時(shí)間數(shù)據(jù)，與時(shí)鐘芯片時(shí)間相對(duì)比以校對(duì)調(diào)整時(shí)間。
2．1．7　字符與視頻信號(hào)疊加電路
　　該模塊主要通過(guò)74HC4053芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)字符信號(hào)與視頻信號(hào)的疊加。電路如圖1所示，視頻輸入信號(hào)Video in和字符信號(hào)分別接入74HC4053的兩路通道，切換信號(hào)為uPD6453產(chǎn)生的輸出信號(hào)VCB，它與74HC4053的通道切換端相連接。其工作原理為：通過(guò)切換通道的方法，在要顯示字符的時(shí)候，切換到字符信號(hào)通道，其余時(shí)候選通Video in通道，74HC4053產(chǎn)生的輸出信號(hào)Video out為視頻信號(hào)與字符信號(hào)的疊加信號(hào)。
2．1．8　視頻輸出電路
　　圖1中，由74HC4053輸出的字符與視頻混合信號(hào)Video out不能直接輸出到外部終端設(shè)備，必須對(duì)其進(jìn)行處理，將基線為2V左右的混合信號(hào)還原成基線為0V左右的視頻輸出信號(hào)。圖4給出了一種視頻輸出電路的設(shè)計(jì)。
2．2　字符疊加系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　　一般而言，需要在視頻圖像信號(hào)上疊加標(biāo)題和時(shí)間信息，以使將來(lái)對(duì)錄像存檔的圖像信號(hào)進(jìn)行分辨和查找，這是字符疊加系統(tǒng)應(yīng)完成的功能。同時(shí)，為了使疊加的字符信息不影響正常的圖像顯示，字符的顯示位置也應(yīng)是可調(diào)整的，基于這兩點(diǎn)，將整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為6種狀態(tài)，其狀態(tài)圖如圖5所示。

2．2．1　修改時(shí)間
　　該設(shè)置有“修改”和“不修改”兩種狀態(tài)，若為“修改”狀態(tài)，則按下存儲(chǔ)鍵后，系統(tǒng)時(shí)間將被更新，否則，系統(tǒng)時(shí)間保持不變。
2．2．2　字幕種類(lèi)選擇
　　通過(guò)該設(shè)置可以切換字幕顯示的類(lèi)型，例如顯示年月日，隱含年月日，顯示當(dāng)前時(shí)間，隱含當(dāng)前時(shí)間等?！　?br>2．2．3　字幕位置
　　通過(guò)設(shè)置字幕顯示的行列位置，可以實(shí)現(xiàn)字符在屏幕的任何位置的顯示。
2．2．4　時(shí)間設(shè)置
　　通過(guò)設(shè)置年、月、日、時(shí)、分、秒，可以將設(shè)置的時(shí)間寫(xiě)入時(shí)鐘芯片R4543并顯示出修改后的當(dāng)前時(shí)間。
??? 該系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。

3　結(jié)束語(yǔ)
　　本文的四路漢字字符疊加系統(tǒng)是作者為天津信息港甲子科技有限公司開(kāi)發(fā)的監(jiān)控錄像設(shè)備的配套產(chǎn)品，已經(jīng)取得成功應(yīng)用。在實(shí)踐中已證明，采用PIC16C73和uPD6453設(shè)計(jì)視頻漢字字符疊加系統(tǒng)時(shí)，與傳統(tǒng)的字符疊加系統(tǒng)相比較，具有顯示字符多、顯示編輯功能強(qiáng)、硬件電路簡(jiǎn)化、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、實(shí)用性好、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，是視頻漢字字符疊加的一種較好的選擇方案。

1　竇振中．PIC系列單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)例．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999
2　何立民．I2C總線應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995