基于MAX7456的视频字符叠加系统设计

    目前视频字符叠加器件主要有日本NEC公司生产的μPD6453，该器件成本较低，但控制字符内容和位置的灵活性较差；韩国三星公司生产的KS5514B-XX系列的字符叠加器件，可方便显示日文，韩文，英文，但使用复杂、不支持中文的显示；日本FUJITSU公司的MB90092字符叠加器件，使用方便、灵活性好，但需外接视频分离电路，字符存储器等；美国美信公司推出的MAX7456字符叠加器件，内部集成视频分离电路，字符存储器，而且可方便以任意字符、尺寸显示所需信息，硬件设计更简单，成本更低，易于满足实际需要。因此这里给出一种基于MAX7456的字符叠加系统设计方案。

1 系统设计
1．1 MAX7456简介
    MAX7456视频叠加器件是单通道、单色随屏显示(OSD)发生器，内部集成了视频驱动、同步分离器、视频开关以及EEPROM，采用符合NTSC和PAL制式的256个用户可编程字符，能够方便地以任意字符、尺寸显示各种信息，预先装载了256个字符和图形，并可通过SPI接口进行在线编程。器件内部包含36个寄存器，通过对寄存器的读写可以对屏幕像素，各行字符的亮度，字符的闪烁、反色等进行有效的控制。可应用于安全监视系统，安全监控摄像机，室内娱乐系统，手持测量仪器等领域。MAX7456主要具有特性：1)256个用户字符或图形存储于EEPROM；2)字符大小为12x18像素；3)闪烁、反色和背景控制字符；4)可逐行设置亮度；5)最多可显示16行x30列字符；6)视频驱动器输出带有衰减补偿；7)内置同步发生器；8)SPI兼容串行接口。
    MAX7456的主要引脚如下：：输入片选信号，低电平有效；SDIN：串行数据输入，数据在SCLK上升沿移入；SCLK：串行时钟输入，占空比必须在40％到60％之间；SDOUT：串行数据输出，数据在SCLK下降沿输出，当变为高电平时，变为高阻抗；PGND：驱动器地；PVDD：驱动器电源输入；VIN：PAL或者NTSC，CVBS视频输入；VOUT：视频输出；SAG：电压衰减修正输入，不使用时连接至VOUT。
1．2 系统硬件设计
    该字符叠加系统设计包括4个主要模块电路：AT89C2051单片机、MAX7456专用字符叠加电路、摄像头CCD输入电路、显示屏。其中AT89C2 051单片机作为控制电路，MAX7456对模拟视频信号进行字符及图形叠加产生混合信号，采用显示屏进行显示。系统整体设计框图如图1所示．
系统设计硬件电路如图2所示。

    选择27 MHz的晶振G1与MAX7456并联，由于器件内部包含振荡器所需要的电容，所以不需要外部负载电容。视频信号输入通过一个RC滤波电路接MAX7456的VIN引脚，视频输出信号由VOUT引脚输出。MAX7456的，SDIN，SCLK，SDOUT引脚分别与单片机的P1．5，P1．4，P1.3，P1．2引脚相连。
    在电路设计中，为了提高系统工作的稳定性和抗干扰性，不仅要考虑电路本身以及元件的各种噪声干扰以及接地干扰等问题。在数字电路中，由于电路常处于开关状态，在电源供电端也会因而产生一些高频带噪声，这些噪声容易影响到其他电路。该系统设计连接有C8，C9退耦合电容，可有效过滤掉这些高频噪声，使其直接对地回流。由于系统中包含了数字信号与模拟信号，为了防止高频数字噪声耦合至视频输
出，必须对数字地与模拟地进行一些处理。如果将二者完全隔开，独立设置虽然可以解决噪声干扰问题，但势必在整个电路中设置多个参考电位点，也即设置2个不同标准，所以在实现上很难或者不可能。因此，该设计采用将所有数字地与模拟地各自连接，最后在一点将数字地与模拟地连接。这种接法实现了地之间没有电流流通，抗干扰性较强。
    电路的主要工作原理是单片机通过模拟SPI接口模式向MAX7456发送控制命令，如显示模式，读取字符存储器等，MAX7456根据单片机的指令，修改或者读取字符存储器中的字符，并将图像、字符混合后显示在指定的位置上。

1．3 系统软件设计
    该系统通过串口接收命令，然后由中断处理程序显示叠加字符的软件流程如图3所示。

    上电后，系统先对串口进行初始化，然后设置视频的输出模式和线程模式，接着单片机就等待串口传来的命令，当有命令满足中断条件时，单片机进入中断处理程序，将要显示的字符在指定的位置上以指定的属性叠加在视频信号上。
    单片机与MAX7456的通信主要是通过SPI接口来实现的，SPI的时序图如图4所示。当单片机向MAX7456写数据时，首先拉低使能SPI口，在SCLK上升沿数据输入SDIN。当变为高电平时，数据被锁存至输入寄存器，如果在传输过程中变为高电平，则本次操作失败。变为低电平后，器件等待第一个输入到SDIN中的字节。以确定所执行数据传输的类型。SPI命令为16位，高8位代表寄存器地址，低8位代表数据。

2 创建新字符
    由于MAX7456器件内部只集成了256个字符，这些字符并不能满足所有的需要，因此需要创建所需要的字符。用户定义的字符集结合输入视频流产生CVBS和OSD视频输出。最多可存储256个12×18像素字符，可以进行动态设置。在525线模式时，显示13行x30字符；在625线模式时，显示16行x30字符。MAX7456 OSD含有两组存储器：显示存储器(SRAM)和非易失字符存储器(NVM)。
    显示存储器(SRAM)存储480个字符地址，这些地址“指向”存储在NVM字符存储器中的字符。显示存储器中的内容可由用户编程，具有SPI兼容串行接口。显示存储器地址对应于监视器的固定位置。每一字符都需要两个字节，第1个字节含有字符存储器中的字符数，第2个字节含有字符属性状态位，字符从左向右，自上而下排序。
    非易失字符存储器存储要显示的字符或图形映射。字符存储器中的内容可由用户编程，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个比特：00=黑色，不透明；0l=透明；10=白色，不透明；11=透明。因此，每个字符有12×18=216个像素，一个8位字节表示4个像素，所以每个字符需要216／4=54字节的数据。为方便寻址，存储器组织结构采用64字节块，每前54个字节表示一个字符，剩余10个字节没有使用。所以，字符存储器长度是64×256=16 384字节。因此，每个显示存储器地址位置包含的数值实际是对应于所选字符的64字节块地址。
    使用MAX7456提供的GUI软件，能够控制器件，下载定制图形。字符存储器数据在一个文件中，文件的文件扩展名是*．mcm字符存储器。用记事本打开这个文件可以看到文件共有16 385行，第1行显示的是MAX7456，第2行到最后一行显示的都是8个二进制的数据。修改这些8位的二进制数就能够得到需要的字符或图形。

3 系统在导航中的应用
    将摄像头信号接入所设计的字符叠加系统，视频输出接LCD显示屏，在显示屏上叠加导航所需要的信息：南京理工大学(NJUST)、日期(2009年12月8日)、纬度(Lat 32．518)、经度(Lon 118．137)、速度(V：15 m／s)，航向(H：65．86)，叠加效果如图5所示。

    从图5可以看到，字符采用的是白底黑边，无论光线强弱都可以很清楚地显示所需要的信息，实际应用表明，本文设计的字符叠加系统操作方便，工作稳定，可以在比较复杂的环境中使用。

4 结束语
    本文设计的视频叠加系统具有电路结构简单，成本较低，使用方便的特点，能实现视频图像中任意字符的叠加，当需要大的字符或者图案显示的时候，可将一个大的字符分成多个小的字符，也就是用多个54字节显示。实际使用证明该系统具有体积小、显示清晰、工作稳定、功耗低等特点，因此该系统可以应用于军事、航空、社会生活等监控系统中。