視頻字符疊加技術(shù)的發(fā)展及四種實(shí)現(xiàn)方案

摘要：分析了視頻字符疊加的作用和發(fā)展現(xiàn)狀，介紹基于中小規(guī)模集成電路、ＦＰＧＡ、單片機(jī)和專用芯片的四種實(shí)現(xiàn)方案，并對它們各自的特點(diǎn)簡要地作了分析和比較。

關(guān)鍵詞：視頻字符疊加 單片機(jī) 現(xiàn)場可編程門陣列ＦＰＧＡ

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(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。從視頻字符及時間疊加器的工作方式及本身電路的構(gòu)成來看，已經(jīng)歷了三個不同的發(fā)展階段[１][２]。

第一階段是“圖解顯示控制”即ＧＤＣ階段。它是利用中小規(guī)模數(shù)字集成電路來實(shí)現(xiàn)各部分所要求的嚴(yán)格的時序關(guān)系，并將形成的字符信號與視頻信號在預(yù)定的時間關(guān)系上混合并顯示在屏幕上。在這種方式中，字符的產(chǎn)生有兩種辦法：

·專用字符發(fā)生器：它是一種專用的ＲＯＭ，常用的有ＭＫ３６０００、ＭＣＭ６６７０Ｐ、８６７８、ＭＮ１２１７Ａ等。它們將字符或數(shù)字以點(diǎn)陣的方式存入存儲器中，在外加恰當(dāng)?shù)刂泛蟊隳茌敵鱿鄳?yīng)的數(shù)據(jù)信號。這種方式中一旦選定了某種器件，所顯示的字符也就確定了，缺乏靈活性，且不能顯示圖形，通常稱此為“文本方式”。

·“圖形方式”：在這種方式中，是用ＥＰＲＯＭ來存儲字符或圖形的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，其點(diǎn)陣形式由設(shè)計(jì)者自己決定，具有更大的靈活性。

第二階段是用ＣＲＴ控制器這類專用集成電路的階段。常用的有８３５０、８２７５、ＭＣ６８４５等。它將“圖解顯示控制方式”中的中小規(guī)模集成器件構(gòu)成的電路集成化。字符（或圖形）等以點(diǎn)陣方式存儲在外圍的ＲＯＭ或ＲＡＭ中。它使電路大為簡化，因而使用較為方便。

第三階段是單片“屏幕顯示”器件階段：因?yàn)樵谂c電視有關(guān)的產(chǎn)品上，并不需要顯示很多的字符或圖形，因此將以上ＣＲＴ控制器中的外部存儲器與其集成在一起而形成所謂單片屏幕顯示器件。這類器件主要是為家用電視這類產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的，并得到了廣泛的應(yīng)用。

考慮到實(shí)際使用中用戶所需的功能和指標(biāo)的多樣性，我們先后開發(fā)了四種典型的實(shí)現(xiàn)方案，每種方案各有特點(diǎn)。本文將其分別作簡要介紹，以供大家參考。

１ 通用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)方案

本方案屬上面的“圖解顯示控制”型，全部采用邏輯門、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(diǎn)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(jì)數(shù)電路對顯示ＲＡＭ進(jìn)行掃描，將字符點(diǎn)陣信號并行讀出；最后經(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。限于篇幅，這里對整體電路結(jié)構(gòu)不作過多描述，只對其中我們設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)考慮作一介紹。

一是視頻同步信號提取電路?，F(xiàn)在市場上已有不少可實(shí)現(xiàn)行、場同步信號分離的專用集成電路，如ＬＭ１８８１等，但成本較高。我們使用分立模擬元件設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)是屏幕上每一個象素點(diǎn)都與一位ＲＡＭ存儲單元對應(yīng)，要對屏幕上字符的顯示進(jìn)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(biāo)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(jī)單獨(dú)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(diǎn)可供大家借鑒。

２ 基于ＦＰＧＡ的多路實(shí)現(xiàn)方案

上面介紹的方案要實(shí)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(shí)現(xiàn)多路顯示過于復(fù)雜，可靠性差?，F(xiàn)在隨著大規(guī)模可編程邏輯器件的普及，其價(jià)格也在不斷降低。我們就有可能在共用一片ＣＰＵ、字庫ＲＯＭ和實(shí)時時鐘的前提下，利用ＦＰＧＡ集成若干路獨(dú)立的顯示ＲＡＭ計(jì)數(shù)掃描電路，實(shí)現(xiàn)多路時間字符疊加。

多路顯示中要求每一路有獨(dú)立的顯示ＲＡＭ區(qū)，最簡單的辦法是設(shè)置多片ＲＡＭ，但是這樣大大增加了電路的復(fù)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(diǎn)陣數(shù)據(jù)，也就是說必須解決ＲＡＭ的時分復(fù)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(jì)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(shí)現(xiàn)ＲＡＭ地址線的切換。以上方案的原理框圖如圖２。我們采用ＡＬＴＥＲＡ公司的ＦＬＥＸ１０Ｋ１０（１萬門ＦＰＧＡ）實(shí)現(xiàn)了四路時間字符疊加，性能十分穩(wěn)定。

３ 基于ＡＴ９０Ｓ１２００單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案

以上兩種方案都是用硬件電路實(shí)現(xiàn)對顯示ＲＡＭ的計(jì)數(shù)掃描和點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的移位輸出，實(shí)際上，我們完全可以利用軟件實(shí)現(xiàn)這樣的功能。如果要用軟件實(shí)現(xiàn)字符點(diǎn)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(jī)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(jī)。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專用的編程器。更重要的是，它是一種ＲＩＳＣ精簡指令集單片機(jī)，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，完全可以滿足視頻字符疊加數(shù)據(jù)串行輸出的要求。

當(dāng)然，采用單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)字符疊加時也有許多具體的問題要考慮。ＡＴ９０Ｓ１２００單片機(jī)的指令執(zhí)行速度完全能夠滿足要求，但是它內(nèi)部沒有大容量的ＲＡＭ存儲器，無法實(shí)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(jī)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(dāng)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(diǎn)陣數(shù)據(jù)的傳輸顯然是不可能的。幸運(yùn)的是，實(shí)際使用中監(jiān)視器上顯示的漢字標(biāo)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)陣數(shù)據(jù)包含在程序中。這樣在使用時主控ＣＰＵ只需將當(dāng)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(dāng)顯示的漢字標(biāo)題要更改時，由主控ＣＰＵ從外部字庫ＲＯＭ中取出新的點(diǎn)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(jìn)行串行編程，編程完畢后恢復(fù)正常顯示。我們采用ＡＴＭＥＬ ８９Ｃ５１單片機(jī)作主控機(jī)，６片ＡＴ９０Ｓ１２００單片機(jī)作顯示執(zhí)行機(jī)，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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)現(xiàn)時成本很低，是一種值得推廣的方法。

４ 基于μＰＤ６４５３字符疊加專用芯片的實(shí)現(xiàn)方案

μＰＤ６４５３是ＮＥＣ公司推出的專用視頻字符疊加芯片，它最多可以同時顯示１２行２４列１２×１８點(diǎn)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(qiáng)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(jì)過程中的經(jīng)驗(yàn)。

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(diǎn)陣，而１２×１８點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)陣或更高的點(diǎn)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(fù)雜。在實(shí)際使用中我們提取出ＵＣＤＯＳ中的１２×１２點(diǎn)陣一級字庫，將其固化在１２８Ｋ ＲＯＭ ２７０１０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(fù)試驗(yàn)，我們認(rèn)為電感?。保郸蹋龋娙萑。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(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn)。相比較而言，第一種中小規(guī)模集成電路的方案電路較為復(fù)雜，只適用于單路設(shè)計(jì)。隨著專用芯片和單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這種實(shí)現(xiàn)方案應(yīng)逐漸被淘汰。第二種基于ＦＰＧＡ的實(shí)現(xiàn)方案在原理上與第一種類似，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(shí)現(xiàn)也較為方便，但還受到價(jià)格的制約。第三種基于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案利用軟件實(shí)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(diǎn)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(fù)雜，很難保證連續(xù)顯示。第四種基于專用字符疊加芯片的方案功能很強(qiáng)，適用于顯示字符較多的場合，并且價(jià)格適中。我們認(rèn)為在要求顯示字符較少的情況下（例如僅顯示一行標(biāo)題、一行時間），可以選用第三種基于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案；若顯示的字符較多且位置復(fù)雜，第四種方案較為合適。這四種方案我們都實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化的批量生產(chǎn)，技術(shù)上是成熟的，性能也都十分穩(wěn)定可靠，讀者可以根據(jù)具體情況選用。