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(duì)它們各自的特點(diǎn)簡(jiǎn)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(chǎng)可編程門陣列ＦＰＧＡ

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。從視頻字符及時(shí)間疊加器的工作方式及本身電路的構(gòu)成來(lái)看，已經(jīng)歷了三個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)各部分所要求的嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，并將形成的字符信號(hào)與視頻信號(hào)在預(yù)定的時(shí)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(chǔ)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(hào)。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(lái)存儲(chǔ)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(chǔ)在外圍的ＲＯＭ或ＲＡＭ中。它使電路大為簡(jiǎn)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(chǔ)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(kāi)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(jiǎn)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(shí)間疊加。其基本工作原理如下：ＣＰＵ從ＲＯＭ字庫(kù)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(duì)應(yīng)位置中去；然后由計(jì)數(shù)電路對(duì)顯示ＲＡＭ進(jìn)行掃描，將字符點(diǎn)陣信號(hào)并行讀出；最后經(jīng)過(guò)并串變換電路轉(zhuǎn)化為串行碼輸出；再與視頻圖象信號(hào)疊加后送監(jiān)視器屏幕顯示。限于篇幅，這里對(duì)整體電路結(jié)構(gòu)不作過(guò)多描述，只對(duì)其中我們?cè)O(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)考慮作一介紹。

一是視頻同步信號(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(shí)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(chǔ)映像”的方式，其特點(diǎn)是屏幕上每一個(gè)象素點(diǎn)都與一位ＲＡＭ存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)，要對(duì)屏幕上字符的顯示進(jìn)行編輯十分簡(jiǎn)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(shí)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(chǔ)位置，而列位置則由單片機(jī)單獨(dú)發(fā)出控制脈沖來(lái)控制，這樣就大大節(jié)省了顯示ＲＡＭ的存儲(chǔ)單元。我們稱之為“行存儲(chǔ)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(guò)于復(fù)雜，可靠性差。現(xiàn)在隨著大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷钠占?，其價(jià)格也在不斷降低。我們就有可能在共用一片ＣＰＵ、字庫(kù)ＲＯＭ和實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)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(jiǎn)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(gè)區(qū)域作為四個(gè)屏幕的顯示ＲＡＭ。但一片ＲＡＭ不可能同時(shí)輸出四路的字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)必須解決ＲＡＭ的時(shí)分復(fù)用問(wèn)題，才能做到多路的同時(shí)顯示。這里簡(jiǎn)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(shí)鐘為５ＭＨｚ，則移位寄存器的置數(shù)時(shí)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(gè)存儲(chǔ)區(qū)域中取出字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)鎖存置入四個(gè)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(gè)大規(guī)模的多路開(kāi)關(guān)（如果ＲＡＭ用６２２５６的話就需１５路四選一開(kāi)關(guān)）來(lái)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(wàn)門ＦＰＧＡ）實(shí)現(xiàn)了四路時(shí)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(duì)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(gè)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(hào)行場(chǎng)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(shí)鐘時(shí)一條單周期指令的執(zhí)行時(shí)間為１μｓ，顯然無(wú)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(chǔ)器和６４字節(jié)Ｅ２ＰＲＯＭ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，內(nèi)置有模擬比較器和看門狗，通過(guò)ＳＰＩ口可以串行下載程序而不必通過(guò)專用的編程器。更重要的是，它是一種ＲＩＳＣ精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)，其大部分指令為單周期指令。外接１６ＭＨｚ時(shí)鐘時(shí)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(shí)也有許多具體的問(wèn)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(méi)有大容量的ＲＡＭ存儲(chǔ)器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)前面提到的“屏幕存儲(chǔ)映像”或“行存儲(chǔ)映像”的內(nèi)置化，也不易外接存儲(chǔ)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(hào)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(shí)間信息是每秒鐘變化。針對(duì)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(lái)存儲(chǔ)０～９十個(gè)數(shù)字以及“：”、“—”等用于時(shí)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(chǔ)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(shí)主控ＣＰＵ只需將當(dāng)前時(shí)間值傳給ＡＴ９０Ｓ１２００，大大減少了通訊的數(shù)據(jù)量，使之可以在場(chǎng)消隱期內(nèi)完成，保證時(shí)間的連續(xù)顯示。當(dāng)顯示的漢字標(biāo)題要更改時(shí)，由主控ＣＰＵ從外部字庫(kù)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(duì)應(yīng)位置，再通過(guò)ＳＰＩ口對(duì)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(chǎng)同步信號(hào)分別利用ＡＴ９０Ｓ１２００模擬比較器和Ｉ／Ｏ口輸入。由于ＡＴ９０Ｓ１２００沒(méi)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(shí)間字符疊加。這種方案電路非常簡(jiǎn)單，并且多路實(shí)現(xiàn)時(shí)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(shí)顯示１２行２４列１２×１８點(diǎn)陣的字符。芯片內(nèi)部固化了２４０個(gè)日文、英文字母和數(shù)字等字符的字模，還有１６個(gè)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(jiǎn)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(jiǎn)要介紹一些我們?cè)O(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)。

首先，對(duì)于我國(guó)的用戶來(lái)說(shuō)，大量的漢字都沒(méi)有固化在μＰＤ６４５３芯片內(nèi)部，需要將其先寫(xiě)入片內(nèi)１６個(gè)字符的空ＲＡＭ區(qū)，再發(fā)出指令讓其顯示出來(lái)。μＰＤ６４５３內(nèi)部的字模（包括１６個(gè)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(kù)很難找到。我們考慮了兩種方案：一是利用１２×１２點(diǎn)陣字庫(kù)數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入片內(nèi)ＲＡＭ區(qū)，這樣兩行漢字之間會(huì)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(kù)寫(xiě)入，使幾個(gè)字符拼成一個(gè)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(jí)字庫(kù)，將其固化在１２８Ｋ ＲＯＭ ２７０１０中，利用鍵盤(pán)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(shí)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(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?。保郸蹋?，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。

以上介紹了四種視頻時(shí)間字符疊加的方案和我們?cè)谠O(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(jiǎn)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(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。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(chǎng)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(shí)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。