視頻監控系統中矩陣切換——字符疊加的兩種實(shí)現方案

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視頻監控系統 矩陣切換 字符疊加

近年來(lái)視頻監控系統已廣泛應用于工業(yè)、交通、商業(yè)、金融、軍事及安全保衛等領(lǐng)域，是現代化管理、監測、控制的重要手段之一，極大地提高了管理效率和自動(dòng)化水平。通用的視頻監控系統一般包括以下幾個(gè)部分：攝像機、云臺、解碼器、中心控制系統、矩陣切換系統、字符疊加系統和報警系統。其中矩陣切換和字符疊加是監控系統中兩個(gè)比較重要的部分，本文將對這兩部分的工作原理和實(shí)現方案進(jìn)行介紹。

由于監控系統對圖象切換的要求不如廣播電視嚴格，切換過(guò)程中所引起的圖象抖動(dòng)是可以容忍的。因此為了降低成本，在矩陣切換方面一般不采用同步切換，而大多利用集成模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行異步切換。字符疊加部分的實(shí)現方案比較多，其基本原理都是CPU從字庫ROM中取出要顯示字符的占陣數據，根據所設定的在屏幕上的顯示位置，送到對應的顯示RAM中去，然后由計數電路對顯示RAM進(jìn)行掃描，將字符點(diǎn)陣信號并行讀出并轉換為串行碼，再與視頻圖象信號疊加后送監視器屏幕顯示。

考慮到用戶(hù)所需的功能和系統容量的不同，先后開(kāi)發(fā)了兩種基于不同芯片組合的矩陣切換-字符疊加實(shí)現方案。每種方案都力求簡(jiǎn)單、穩定、可靠。

1 小容量、非漢字字符疊加系統

當系統視、音頻信號的輸入、輸出通道不是很多，尤其在輸出通道較少且不需要漢字字符疊加的情況下，該文豪以獲得較高的性?xún)r(jià)比。

1.1 元件構成

在該設計中矩陣切換部分采用8選1模擬開(kāi)關(guān)CC4051，圖1和圖2分別給出了利用該芯片進(jìn)行視、音頻信號切換的實(shí)用電路。若還需要對音量進(jìn)行控制，可以在音頻切換的CC4051后再加一級CC4051。第二級CC4051的各輸入端接不同阻值的電阻，從而獲得不同的音量衰減。

字符疊加部分采用了NEC公司推出的專(zhuān)用視頻字符疊加芯片μPD6450，該芯片的顯示編輯功能非常強，控制方式也很簡(jiǎn)單。在芯片內部固化了128個(gè)12×18點(diǎn)陣的日文、英文字母和數字等字符的字模，顯示字符的大小、閃爍頻率可以進(jìn)行調整，同時(shí)芯片還提供5種顏色的內部視頻信號，可以根據要求在內部視頻信號和外部視頻信號之間進(jìn)行切換，使用非常方便。但由于該芯片內部沒(méi)有提供空的RAM空間以供用戶(hù)填入自定義字符，因此使用該芯片時(shí)只能顯示其內部固化的128個(gè)字符，無(wú)法外擴漢字，在某些場(chǎng)合的使用上存在一些局限性。

1.2 電路結構和工作原理

在設計中，輸入8路視頻信號經(jīng)過(guò)標題、時(shí)間疊加后送去錄像，同時(shí)送往矩陣切換電路選出一路進(jìn)行監視。監視時(shí)可采用自動(dòng)定時(shí)切換或手動(dòng)切換。

為了方便用戶(hù)操作，設計了較多的面板按鍵。同時(shí)8路疊加芯片的片選線(xiàn)、數據線(xiàn)、CLK線(xiàn)以及切換模塊CC4051的地址線(xiàn)也較多，從而造成89C52單片機的I/O口比較緊張。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采取了三種辦法：（1）使用移位寄存器，用CPU串口擴展I/O口來(lái)控制面板按鍵；（2）視、音頻信號切換和音量切換的6根地址線(xiàn)均從P1口引出，同時(shí)8路疊加芯片共用數據線(xiàn)、CLK線(xiàn)，這兩根線(xiàn)也從P1口引出；（3）CPU的P0口蚋射為總線(xiàn)方式，控制時(shí)鐘芯片DS12887。同時(shí)P2口映射為I/O口方式，控制8路疊加芯片的片選信號。

在設置存儲系統的信息時(shí)，若信息量不是很多，可以不外擴RAM，而將設置信息保存在時(shí)鐘芯片DS12887中，其內部含有114個(gè)字節不揮發(fā)的RAM。另外在設置標題、時(shí)間等信息時(shí)，采有了菜單界面方式，同時(shí)使用疊加芯片μPD6450提供的內部彩色視頻信號，既美觀(guān)也方便用戶(hù)操作。

實(shí)踐證明，該方案對于小容量、非漢字字符疊加系統具有實(shí)現簡(jiǎn)單、穩定可靠、成本較低等特點(diǎn)，是一種比較好的方案。

2 大容量、漢字字符疊加系統

當系統視、音頻信號的輸入、輸出通道數較多，且需要進(jìn)行漢字字符疊加時(shí)可以采用該方案。在設計中，48路輸入視頻信號經(jīng)過(guò)矩陣切換后輸出12路信號，然后送往字符疊加模塊進(jìn)行漢字標題和時(shí)間的疊加，最后送往12路監視器。整個(gè)系統分為三個(gè)模塊：控制模塊、矩陣切換模塊和字符疊加模塊。下面介紹各模塊主要元件的構成。

2.1 元件構成控制模塊

·在本模塊中，CPU采用具有兩個(gè)UART串口的80C320，其中一個(gè)串口用于接收鍵盤(pán)的輸入信號，另一個(gè)串口用于向字符疊加模塊發(fā)送標題和時(shí)間信息。

·看門(mén)狗采用帶電池的MAX691，不僅可以防止死機，同時(shí)在系統斷電時(shí)可以自動(dòng)啟用該電池向RAM供電，以保證存儲的信息不丟失。

矩陣切換模塊

本模塊中，矩陣切換采用了多路模擬開(kāi)磁MT8816芯片，該芯片有兩種工作方式：8路輸入、16路輸出或16路輸入、8路輸出。需要特別注意的是，對于每一個(gè)輸入通道而言，輸出通道0～15（或0～7）并不完全對應于相應的二進(jìn)制地址0000～1111（或000～111）。例如輸入通道為1，輸出通道為12，則輸入通道的開(kāi)關(guān)地址為001，而輸出通道的開(kāi)關(guān)地址為0110。

字符疊加模塊

本模塊中，字符疊加采用了NEC公司推出的專(zhuān)用字符疊加芯片μPD6453，該芯片的控制方式與μPD6450基本相似，顯示編輯功能也非常強。主要區別在于：該芯片內部固化了240個(gè)12×18點(diǎn)陣的日文、英文字母和數字等字符的字模，同時(shí)還提供16個(gè)字符的空RAM區以供用戶(hù)填入自定義字符，這樣就為漢字顯示提供了可能。在視頻同步信號的提取上，采用專(zhuān)用集成芯片LM1881實(shí)現行、場(chǎng)同步信號的分離。

2.2 結構框架和工作原理

本系統的三個(gè)模塊：控制模塊、矩陣切換模塊和字符疊加模塊的構成、功能和相互關(guān)系如圖3所示。

其中控制模塊接收并分析鍵盤(pán)信號，將所接收的48路標題信息以及矩陣切換的控制信息，包括選路，掃描始路值、末路值、掃描時(shí)間等都存儲在不掉電的RAM中，將時(shí)間設置信息存儲在DS12887中，這樣重新開(kāi)機時(shí)系統能根據上次關(guān)機時(shí)的設置進(jìn)行初始化。另外，該模塊還向矩陣切換模塊發(fā)送相應的開(kāi)關(guān)地址和開(kāi)關(guān)數據，并且依據通信協(xié)議，由串口向字符疊加模塊發(fā)送標題和時(shí)間。

在疊加模塊中，3個(gè)89C52控制13路的字符疊加，每個(gè)CPU控制4路。就整個(gè)系統而言，該模塊上的89C52處于從機的地垃，接收控制模塊中80C320發(fā)送的各種設置信息。由于在兩個(gè)CPU之間存在著(zhù)數據通信，相應地定義了一個(gè)通信協(xié)議，限于篇幅這里不作為多敘述。下面僅就μPD6453在漢字顯示的遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

首先，對于國內用戶(hù)來(lái)說(shuō)，大量的漢字都沒(méi)有固化在μPD6453芯片內部，需要將其先寫(xiě)入片內16個(gè)字符的空RAM區，再發(fā)出指令讓其顯示。ΜPD6453內部的字模（包括16個(gè)字符的空RAM區）均為12×18點(diǎn)陣，而12×18點(diǎn)陣的漢字字庫很難找到。因此設計中采用了12×12點(diǎn)陣的字庫數據，顯示時(shí)將要顯示的數據直接寫(xiě)入μPD6453片內的12×18占陣的RM區，但這樣顯示的字符看起來(lái)比較小。幸運的是μPD6453同時(shí)提供了調整字符大小的功能，字符可以以單倍、雙倍、三倍和四倍模式顯示。但需注意的是，該芯片外接的電感電容對顯示字符的橫向長(cháng)度影響很大。經(jīng)過(guò)反復試驗，我們認為電感取15μH，電容取56pF時(shí)，12×12點(diǎn)陣的漢字字符以雙倍顯示比較合適。其次，89C52只能直接管理64K的存儲空間，當采用12×12點(diǎn)陣的漢字字庫時(shí)，存儲所有的國際一級漢字需要128K的ROM，這樣就需要進(jìn)行分頁(yè)管理，最高們的地址線(xiàn)從I/O口引出。第二，行、場(chǎng)同步信號的分離除了采用專(zhuān)用集成芯片，如LM1881，也可以使用分立模擬元件。在本系統中，由于在一塊電路板上集成了12個(gè)疊加電路，采用專(zhuān)用集成芯片進(jìn)行行場(chǎng)分離可以防止模擬信號間的相互串擾。但此方法成本較高，一般情況下建議使用分立模擬元件設計該電路。

以上介紹了監控系統中矩陣切換和字符疊加的兩種實(shí)現方案，其中第一種方案適用于小容量、非漢字字符疊加系統，第二種方案適用于較大容量、漢字字符疊加系統。這兩種方案都已投入產(chǎn)品化的批量生產(chǎn)，技術(shù)成熟，性能穩定可靠。在實(shí)際應用中，讀者可以根據需要，將這兩種方案的矩陣切換部分和字符疊加部分進(jìn)行相互組合以達到設計要求。