視頻字符疊加技術(shù)的四種實現(xiàn)方案
閱讀：3547發(fā)布時間：2014-11-08
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深圳市西物力洋光電技術(shù)有限公司
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視頻字符及時間疊加器是在視頻信號中混入字符或時間信號，從而在屏幕的特定位置上與圖像信號同時進行顯示的設(shè)備。這項技術(shù)是應(yīng)用電視技術(shù)中的一個重要領(lǐng)域，在應(yīng)用電視系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。
１通用中小規(guī)模集成電路實現(xiàn)方案
本方案屬“圖解顯示控制”型，全部采用邏輯門、計數(shù)器、移位寄存器等通用中小規(guī)模集成電路實現(xiàn)單路視頻字符及時間疊加。
其基本工作原理如下：ＣＰＵ從ＲＯＭ字庫中取出要顯示字符的點陣數(shù)據(jù)，根據(jù)所設(shè)定的在屏幕上的顯示位置，送到顯示ＲＡＭ的對應(yīng)位置中去；然后由計數(shù)電路對顯示ＲＡＭ
進行掃描，將字符點陣信號并行讀出；zui后經(jīng)過并串變換電路轉(zhuǎn)化為串行碼輸出；再與視頻圖象信號疊加后送監(jiān)視器屏幕顯示。
一是視頻同步信號提取電路。現(xiàn)在市場上已有不少可實現(xiàn)行、場同步信號分離的集成電路，如ＬＭ１８８１等，但成本較高。我們使用分立模擬元件設(shè)計了該電路，性能十分穩(wěn)定可靠，同時大大降低了成本。原理圖如圖１所示。
關(guān)于字符點陣數(shù)據(jù)在顯示ＲＡＭ中的存放，一般的作法是一種稱之為“屏幕存儲映像”的方式，其特點是屏幕上每一個象素點都與一位ＲＡＭ存儲單元對應(yīng)，要對屏幕上字符的顯示進行編輯十分簡單。但這種方式占用ＲＡＭ單元較多，需要大容量ＲＡＭ。我們考慮到一般情況下要在屏幕上顯示的字符較少（大多為一行標題、一行時間），屏幕上的大部分地方都是空白的。所以我們只在顯示ＲＡＭ中生成屏幕上兩行字符的映像，字符在屏幕上顯示的行位置取決于其在ＲＡＭ區(qū)的存儲位置，而列位置則由單片機單獨發(fā)出控制脈沖來控制，這樣就大大節(jié)省了顯示ＲＡＭ的存儲單元。我們稱之為“行存儲映像”。以上兩點可供大家借鑒。
２基于ＦＰＧＡ的多路實現(xiàn)方案
上面介紹的方案要實現(xiàn)單路字符疊加需用中小規(guī)模集成電路十余片，顯然要實現(xiàn)多路顯示過于復雜，可靠性差?，F(xiàn)在隨著大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷钠占?，其價格也在不斷降低。我們就有可能在共用一片ＣＰＵ、字庫ＲＯＭ和實時時鐘的前提下，利用ＦＰＧＡ集成若干路獨立的顯示ＲＡＭ計數(shù)掃描電路，實現(xiàn)多路時間字符疊加。
多路顯示中要求每一路有獨立的顯示ＲＡＭ區(qū)，zui簡單的辦法是設(shè)置多片ＲＡＭ，但是這樣大大增加了電路的復雜性，成本也比較高。我們也可以采用一片大容量的ＲＡＭ，在其中分別劃出四個區(qū)域作為四個屏幕的顯示ＲＡＭ。但一片ＲＡＭ不可能同時輸出四路的字符點陣數(shù)據(jù)，也就是說必須解決ＲＡＭ的時分復用問題，才能做到多路的同時顯示。這里簡要介紹一下我們的實現(xiàn)方案（以四路為例）。設(shè)字符數(shù)據(jù)串行輸出移位時鐘為５ＭＨｚ，則移位寄存器的置數(shù)時鐘應(yīng)為５ＭＨｚ的８分頻，即６２５ｋＨｚ。要實現(xiàn)四路連續(xù)顯示，就應(yīng)以６２５ｋＨｚ的４倍頻——２．５ＭＨｚ的頻率分別從顯示ＲＡＭ中的各個存儲區(qū)域中取出字符點陣數(shù)據(jù)，經(jīng)過鎖存置入四個輸出移位寄存器。這種方法必須使ＲＡＭ的地址具有各路計數(shù)掃描控制下的快速跳轉(zhuǎn)能力，這就要求采用一個大規(guī)模的多路開關(guān)（如果ＲＡＭ用６２２５６的話就需１５路四選一開關(guān)）來實現(xiàn)ＲＡＭ地址線的切換。以上方案的原理框圖如圖２。
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以上兩種方案都是用硬件電路實現(xiàn)對顯示ＲＡＭ的計數(shù)掃描和點陣數(shù)據(jù)的移位輸出，實際上，我們*可以利用軟件實現(xiàn)這樣的功能。如果要用軟件實現(xiàn)字符點陣數(shù)據(jù)的輸出，其速度必須滿足以下兩個條件：一是能夠以５ＭＨｚ的頻率將數(shù)據(jù)串行輸出；二是在視頻信號行場消隱期內(nèi)要完成字符數(shù)據(jù)的讀取和與主控ＣＰＵ的通訊等操作。常用的５１系列單片機外接１２ＭＨｚ時鐘時一條單周期指令的執(zhí)行時間為１μｓ，顯然無法滿足上面的要求。因此我們選用ＡＴＭＥＬ公司新推出的ＡＴ９０Ｓ１２００型單片機。其內(nèi)部有１Ｋ的ＦＬＡＳＨ程序存儲器和６４字節(jié)Ｅ２ＰＲＯＭ數(shù)據(jù)存儲器，內(nèi)置有模擬比較器和看門狗，通過ＳＰＩ口可以串行下載程序而不必通過的編程器。更重要的是，它是一種ＲＩＳＣ精簡指令集單片機，其大部分指令為單周期指令。外接１６ＭＨｚ時鐘時每條指令僅需０．０６～０．１２μｓ，*可以滿足視頻字符疊加數(shù)據(jù)串行輸出的要求。
當然，采用單片機軟件實現(xiàn)字符疊加時也有許多具體的問題要考慮。ＡＴ９０Ｓ１２００單片機的指令執(zhí)行速度完夠滿足要求，但是它內(nèi)部沒有大容量的ＲＡＭ存儲器，無法實現(xiàn)前面提到的“屏幕存儲映像”或“行存儲映像”的內(nèi)置化，也不易外接存儲器，只能以串行通訊的方式由外部主控機發(fā)給。為了保證顯示的連續(xù)性，通訊只能在視頻信號消隱期內(nèi)完成（當然還要完成其他必要的操作）。要在消隱期內(nèi)完成大量字符點陣數(shù)據(jù)的傳輸顯然是不可能的。幸運的是，實際使用中監(jiān)視器上顯示的漢字標題信息一般是不變的，只有以數(shù)字表示的時間信息是每秒鐘變化。針對這種情況，我們利用ＡＴ９０Ｓ１２００單片機內(nèi)部的可以按字節(jié)尋址的６４字節(jié)Ｅ２ＰＲＯＭ來存儲０～９十個數(shù)字以及“：”、“—”等用于時間顯示的字符點陣，還有其它的諸如顯示位置等不經(jīng)常修改的變量。片內(nèi)１Ｋ字節(jié)ＦＬＡＳＨ不能按字節(jié)尋址，用作程序存儲器，要顯示的漢字點陣數(shù)據(jù)包含在程序中。這樣在使用時主控ＣＰＵ只需將當前時間值傳給ＡＴ９０Ｓ１２００，大大減少了通訊的數(shù)據(jù)量，使之可以在場消隱期內(nèi)完成，保證時間的連續(xù)顯示。當顯示的漢字標題要更改時，由主控ＣＰＵ從外部字庫ＲＯＭ中取出新的點陣數(shù)據(jù)，將其拼接在ＡＴ９０Ｓ１２００程序代碼的對應(yīng)位置，再通過ＳＰＩ口對ＡＴ９０Ｓ１２００進行串行編程，編程完畢后恢復正常顯示。我們采用ＡＴＭＥＬ８９Ｃ５１單片機作主控機，６片ＡＴ９０Ｓ１２００單片機作顯示執(zhí)行機，行場同步信號分別利用ＡＴ９０Ｓ１２００模擬比較器和Ｉ／Ｏ口輸入。由于ＡＴ９０Ｓ１２００沒有標準的ＵＡＲＴ串口，我們利用其Ｉ／Ｏ管腳自定義了一種串行通訊協(xié)議，從而實現(xiàn)了六路時間字符疊加。這種方案電路非常簡單，并且多路實現(xiàn)時成本很低，是一種值得推廣的方法。
?。椿?mu;ＰＤ６４５３字符疊加芯片的實現(xiàn)方案
μＰＤ６４５３是ＮＥＣ公司推出的視頻字符疊加芯片，它zui多可以同時顯示１２行２４列１２×１８點陣的字符。芯片內(nèi)部固化了２４０個日文、英文字母和數(shù)字等字符的字模，還有１６個字符的空ＲＡＭ區(qū)供用戶添入自定義字符。μＰＤ６４５３的顯示編輯功能非常強大，它的控制方式也非常靈活簡單。它共有５條單字節(jié)指令、６條雙字節(jié)指令和１條三字節(jié)指令，所有的指令均串行輸入μＰＤ６４５３，使用非常方便。限于篇幅，有關(guān)μＰＤ６４５３的性能不再贅述，這里只簡要介紹一些我們設(shè)計過程中的經(jīng)驗。
首先，對于我國的用戶來說，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個字符的空ＲＡＭ區(qū)，再發(fā)出指令讓其顯示出來。μＰＤ６４５３內(nèi)部的字模（包括１６個字符的空ＲＡＭ區(qū)）均為１２×１８點陣，而１２×１８點陣的漢字字庫很難找到。我們考慮了兩種方案：一是利用１２×１２點陣字庫數(shù)據(jù)直接寫入片內(nèi)ＲＡＭ區(qū)，這樣兩行漢字之間會有一些間隔，但多數(shù)情況下只需顯示一行漢字，在顯示精度要求不高的情況下可以采用這種方法。二是利用１６×１６點陣或更高的點陣字庫寫入，使幾個字符拼成一個漢字，這樣顯示精度很高，但軟件處理較為復雜。在實際使用中我們提取出ＵＣＤＯＳ中的１２×１２點陣一級字庫，將其固化在１２８ＫＲＯＭ２７０１０中，利用鍵盤控制可以將任意字符送到屏幕上顯示。第二，μＰＤ６４５３顯示字符的大小有單倍、雙倍、三倍和四倍模式，但有時單倍顯示的字符仍然嫌大。我們注意到μＰＤ６４５３外接的電感電容振蕩電路對顯示字符的橫向長度影響很大，但芯片手冊上并未給出具體的參數(shù)值。經(jīng)過反復試驗，我們認為電感?。保?mu;Ｈ，電容?。担叮穑票容^合適。若稍微調(diào)整電感值，則可改變顯示字符橫向尺寸，使用時可根據(jù)自己的需要選用。
以上介紹了四種視頻時間字符疊加的方案和我們在設(shè)計中的一些經(jīng)驗。相比較而言，*種中小規(guī)模集成電路的方案電路較為復雜，只適用于單路設(shè)計。隨著芯片和單片機技術(shù)的發(fā)展，這種實現(xiàn)方案應(yīng)逐漸被淘汰。第二種基于ＦＰＧＡ的實現(xiàn)方案在原理上與*種類似，只是利用可編程邏輯器件集成了大量中小規(guī)模集成電路，電路規(guī)模簡化了不少，實現(xiàn)也較為方便，但還受到價格的制約。第三種基于單片機的實現(xiàn)方案利用軟件實現(xiàn)了硬件掃描電路的功能，并且十分靈活，成本也很低。它的缺點是只適用于顯示字符相對較少的場合，若顯示字符很多軟件就過于復雜，很難保證連續(xù)顯示。第四種基于字符疊加芯片的方案功能很強，適用于顯示字符較多的場合，并且價格適中。我們認為在要求顯示字符較少的情況下（例如僅顯示一行標題、一行時間），可以選用第三種基于單片機的實現(xiàn)方案；若顯示的字符較多且位置復雜，第四種方案較為合適。
