视频监控系统中矩阵切换——字符叠加的两种实现方案

    摘要：介绍了两种基于不同芯片组合的矩阵切换-字符叠加系统，包括这两种实现方案的元件构成、结构框架、工作原理和它们各自的特点及应用范围。

    关键词：视频监控系统 矩阵切换 字符叠加

近年来视频监控系统已广泛应用于工业、交通、商业、金融、军事及安全保卫等领域，是现代化管理、监测、控制的重要手段之一，极大地提高了管理效率和自动化水平。通用的视频监控系统一般包括以下几个部分：摄像机、云台、解码器、中心控制系统、矩阵切换系统、字符叠加系统和报警系统。其中矩阵切换和字符叠加是监控系统中两个比较重要的部分，本文将对这两部分的工作原理和实现方案进行介绍。

由于监控系统对图象切换的要求不如广播电视严格，切换过程中所引起的图象抖动是可以容忍的。因此为了降低成本，在矩阵切换方面一般不采用同步切换，而大多利用集成模拟开关进行异步切换。字符叠加部分的实现方案比较多，其基本原理都是CPU从字库ROM中取出要显示字符的占阵数据，根据所设定的在屏幕上的显示位置，送到对应的显示RAM中去，然后由计数电路对显示RAM进行扫描，将字符点阵信号并行读出并转换为串行码，再与视频图象信号叠加后送监视器屏幕显示。

考虑到用户所需的功能和系统容量的不同，先后开发了两种基于不同芯片组合的矩阵切换-字符叠加实现方案。每种方案都力求简单、稳定、可靠。

1 小容量、非汉字字符叠加系统

当系统视、音频信号的输入、输出通道不是很多，尤其在输出通道较少且不需要汉字字符叠加的情况下，该文豪以获得较高的性价比。

1.1 元件构成

在该设计中矩阵切换部分采用8选1模拟开关CC4051，图1和图2分别给出了利用该芯片进行视、音频信号切换的实用电路。若还需要对音量进行控制，可以在音频切换的CC4051后再加一级CC4051。第二级CC4051的各输入端接不同阻值的电阻，从而获得不同的音量衰减。

字符叠加部分采用了NEC公司推出的专用视频字符叠加芯片μPD6450，该芯片的显示编辑功能非常强，控制方式也很简单。在芯片内部固化了128个12×18点阵的日文、英文字母和数字等字符的字模，显示字符的大小、闪烁频率可以进行调整，同时芯片还提供5种颜色的内部视频信号，可以根据要求在内部视频信号和外部视频信号之间进行切换，使用非常方便。但由于该芯片内部没有提供空的RAM空间以供用户填入自定义字符，因此使用该芯片时只能显示其内部固化的128个字符，无法外扩汉字，在某些场合的使用上存在一些局限性。

1.2 电路结构和工作原理

在设计中，输入8路视频信号经过标题、时间叠加后送去录像，同时送往矩阵切换电路选出一路进行监视。监视时可采用自动定时切换或手动切换。

为了方便用户操作，设计了较多的面板按键。同时8路叠加芯片的片选线、数据线、CLK线以及切换模块CC4051的地址线也较多，从而造成89C52单片机的I/O口比较紧张。为了解决这个问题，采取了三种办法：（1）使用移位寄存器，用CPU串口扩展I/O口来控制面板按键；（2）视、音频信号切换和音量切换的6根地址线均从P1口引出，同时8路叠加芯片共用数据线、CLK线，这两根线也从P1口引出；（3）CPU的P0口蚋射为总线方式，控制时钟芯片DS12887。同时P2口映射为I/O口方式，控制8路叠加芯片的片选信号。

在设置存储系统的信息时，若信息量不是很多，可以不外扩RAM，而将设置信息保存在时钟芯片DS12887中，其内部含有114个字节不挥发的RAM。另外在设置标题、时间等信息时，采有了菜单界面方式，同时使用叠加芯片μPD6450提供的内部彩色视频信号，既美观也方便用户操作。

实践证明，该方案对于小容量、非汉字字符叠加系统具有实现简单、稳定可靠、成本较低等特点，是一种比较好的方案。

2 大容量、汉字字符叠加系统

当系统视、音频信号的输入、输出通道数较多，且需要进行汉字字符叠加时可以采用该方案。在设计中，48路输入视频信号经过矩阵切换后输出12路信号，然后送往字符叠加模块进行汉字标题和时间的叠加，最后送往12路监视器。整个系统分为三个模块：控制模块、矩阵切换模块和字符叠加模块。下面介绍各模块主要元件的构成。

2.1 元件构成控制模块

·在本模块中，CPU采用具有两个UART串口的80C320，其中一个串口用于接收键盘的输入信号，另一个串口用于向字符叠加模块发送标题和时间信息。

·看门狗采用带电池的MAX691，不仅可以防止死机，同时在系统断电时可以自动启用该电池向RAM供电，以保证存储的信息不丢失。

矩阵切换模块

本模块中，矩阵切换采用了多路模拟开磁MT8816芯片，该芯片有两种工作方式：8路输入、16路输出或16路输入、8路输出。需要特别注意的是，对于每一个输入通道而言，输出通道0～15（或0～7）并不完全对应于相应的二进制地址0000～1111（或000～111）。例如输入通道为1，输出通道为12，则输入通道的开关地址为001，而输出通道的开关地址为0110。

字符叠加模块

本模块中，字符叠加采用了NEC公司推出的专用字符叠加芯片μPD6453，该芯片的控制方式与μPD6450基本相似，显示编辑功能也非常强。主要区别在于：该芯片内部固化了240个12×18点阵的日文、英文字母和数字等字符的字模，同时还提供16个字符的空RAM区以供用户填入自定义字符，这样就为汉字显示提供了可能。在视频同步信号的提取上，采用专用集成芯片LM1881实现行、场同步信号的分离。

2.2 结构框架和工作原理

本系统的三个模块：控制模块、矩阵切换模块和字符叠加模块的构成、功能和相互关系如图3所示。

其中控制模块接收并分析键盘信号，将所接收的48路标题信息以及矩阵切换的控制信息，包括选路，扫描始路值、末路值、扫描时间等都存储在不掉电的RAM中，将时间设置信息存储在DS12887中，这样重新开机时系统能根据上次关机时的设置进行初始化。另外，该模块还向矩阵切换模块发送相应的开关地址和开关数据，并且依据通信协议，由串口向字符叠加模块发送标题和时间。

在叠加模块中，3个89C52控制13路的字符叠加，每个CPU控制4路。就整个系统而言，该模块上的89C52处于从机的地垃，接收控制模块中80C320发送的各种设置信息。由于在两个CPU之间存在着数据通信，相应地定义了一个通信协议，限于篇幅这里不作为多叙述。下面仅就μPD6453在汉字显示的遇到的一些问题进行简单介绍。

首先，对于国内用户来说，大量的汉字都没有固化在μPD6453芯片内部，需要将其先写入片内16个字符的空RAM区，再发出指令让其显示。ΜPD6453内部的字模（包括16个字符的空RAM区）均为12×18点阵，而12×18点阵的汉字字库很难找到。因此设计中采用了12×12点阵的字库数据，显示时将要显示的数据直接写入μPD6453片内的12×18占阵的RM区，但这样显示的字符看起来比较小。幸运的是μPD6453同时提供了调整字符大小的功能，字符可以以单倍、双倍、三倍和四倍模式显示。但需注意的是，该芯片外接的电感电容对显示字符的横向长度影响很大。经过反复试验，我们认为电感取15μH，电容取56pF时，12×12点阵的汉字字符以双倍显示比较合适。其次，89C52只能直接管理64K的存储空间，当采用12×12点阵的汉字字库时，存储所有的国际一级汉字需要128K的ROM，这样就需要进行分页管理，最高们的地址线从I/O口引出。第二，行、场同步信号的分离除了采用专用集成芯片，如LM1881，也可以使用分立模拟元件。在本系统中，由于在一块电路板上集成了12个叠加电路，采用专用集成芯片进行行场分离可以防止模拟信号间的相互串扰。但此方法成本较高，一般情况下建议使用分立模拟元件设计该电路。

以上介绍了监控系统中矩阵切换和字符叠加的两种实现方案，其中第一种方案适用于小容量、非汉字字符叠加系统，第二种方案适用于较大容量、汉字字符叠加系统。这两种方案都已投入产品化的批量生产，技术成熟，性能稳定可靠。在实际应用中，读者可以根据需要，将这两种方案的矩阵切换部分和字符叠加部分进行相互组合以达到设计要求。