MAX7456結(jié)構(gòu)、工作原理及實(shí)現(xiàn)視頻分劃瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期以來(lái)，部隊(duì)執(zhí)勤、反恐所使用的輕武器大部分使用機(jī)械瞄準(zhǔn)，即三點(diǎn)一線，這種依靠射手目視估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離、方向、速度，判斷瞄準(zhǔn)位置的方式射擊命中率低，射擊人員暴露，對(duì)人身安全帶來(lái)威脅。為了提高部隊(duì)作戰(zhàn)靈活性、晝夜作戰(zhàn)能力以及自我保護(hù)能力，近年來(lái)單兵武器配備符合機(jī)動(dòng)性要求的小型化（微光、熱成像、可見(jiàn)光CCD）視頻電子瞄具，已成為重要的發(fā)展方向。輕武器視頻瞄準(zhǔn)器是美軍“地面勇士”系統(tǒng)中單兵作戰(zhàn)頭盔化夜視眼鏡的基本載體。

視頻字符疊加是在模擬視頻信號(hào)中混入按照視頻時(shí)序格式排列的字符點(diǎn)陣電壓，實(shí)現(xiàn)把封裝在存儲(chǔ)器中的字符數(shù)據(jù)，按照像元位置與掃描時(shí)間的映射關(guān)系，通過(guò)模擬開關(guān)與原始視頻圖像信號(hào)切換，合成為新的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)輸出，從而在屏幕的指定位置上顯示出人為添加的字符信息。輕武器視頻電子分劃瞄準(zhǔn)系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械瞄準(zhǔn)，將瞄準(zhǔn)十字分劃與視頻圖像信號(hào)進(jìn)行電子疊加，用十字分劃壓住目標(biāo)進(jìn)行射擊，瞄準(zhǔn)精度較高，而且可根據(jù)環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素改變瞄準(zhǔn)分化，構(gòu)成簡(jiǎn)易電子火控系統(tǒng)，提高射擊的一次命中率。同時(shí)，這也能改變傳統(tǒng)射擊方式，真正實(shí)現(xiàn)人槍分離，提高官兵的自我保護(hù)能力。它與普通視頻字符疊加系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)別就是疊加分劃線要進(jìn)行可控二維滿屏移動(dòng)、疊加的字符具有實(shí)時(shí)顯示更新功能、分劃線位置精度要達(dá)到像素級(jí)水平。設(shè)計(jì)采用模塊化方式，硬件系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，集成度高，具有通用性，能與火控系統(tǒng)結(jié)為一體，也能與其他功能模塊結(jié)合，形成能夠自動(dòng)測(cè)距、測(cè)速、調(diào)整放大倍率和修正偏差的全天候觀、測(cè)、瞄合一的綜合瞄準(zhǔn)設(shè)備，提高了武器的作戰(zhàn)效能，使單兵戰(zhàn)斗武器具備全天候的精確射擊能力。

1、 MAX7456結(jié)構(gòu)及工作原理

MAX7456單通道單色隨屏顯示（OSD）發(fā)生器為本視頻分劃瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖1所示。它集成了產(chǎn)生用戶定義的 OSD并加載到輸出信號(hào)所需的全部功能。MAX7456能夠接收NTSC制式或PAL制式復(fù)合視頻信號(hào)。器件包括輸入鉗位、同步分離器、視頻時(shí)序發(fā)生器、 OSD插入復(fù)用器、非易失字符存儲(chǔ)器、顯示存儲(chǔ)器、OSD發(fā)生器、晶體振蕩器以及讀／寫OSD數(shù)據(jù)的SPI兼容接口和視頻驅(qū)動(dòng)器等。此外，MAX 7456還為系統(tǒng)同步提供場(chǎng)同步、行同步和同步丟失輸出信號(hào)。時(shí)鐘輸出信號(hào)支持多個(gè)器件的菊型鏈接。復(fù)合基帶視頻信號(hào)輸入到芯片后，首先經(jīng)過(guò)一個(gè)鉗位電路，產(chǎn)生一個(gè)直流偏置電平，可方便片上同步檢測(cè)和視頻信號(hào)處理，同時(shí)還可以消除低頻噪聲。同步分離器可從視頻信號(hào)中分離出行同步和場(chǎng)同步，并可用作字符疊加同步與失同步的檢測(cè)。顯示存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了480個(gè)字符地址，疊加的字符或圖片信息根據(jù)這些地址被存到字符存儲(chǔ)器中相應(yīng)單元，字符存儲(chǔ)器是一個(gè)256行 64 Byte寬度的非易失存儲(chǔ)器，預(yù)裝了256個(gè)字符和圖形，用戶可通過(guò)SPI兼容串行接口可以設(shè)置工作模式、顯示存儲(chǔ)器以及字符存儲(chǔ)器。狀態(tài)（STAT）寄存器、顯示存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸出（DMDO）寄存器和字符存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)輸出（CNDO）寄存器都可讀，可以對(duì)其進(jìn)行寫操作和讀操作。每個(gè)字符由12行×18列像素點(diǎn)組成，每個(gè)像素點(diǎn)用2 Byte數(shù)據(jù)表示表示3種狀態(tài)即白色、黑色和透明，因此每個(gè)字符需要54 bit像素?cái)?shù)據(jù)來(lái)存儲(chǔ)。另外，它還具有特殊的字符顯示功能，例如：閃爍、反色、背景控制等。OSD發(fā)生器產(chǎn)生OSD點(diǎn)陣像素的狀態(tài)和是否疊加的控制信號(hào)，OSD疊加器根據(jù)控制信號(hào)來(lái)選擇輸出視頻信號(hào)還是輸出OSD信號(hào)。補(bǔ)償電路可以通過(guò)較小的輸出耦合電容來(lái)降低線路失真。該器件的視頻驅(qū)動(dòng)器輸出具有2 V／V增益，6 MHz的信號(hào)帶寬，可以驅(qū)動(dòng)兩路150 Ω視頻負(fù)載。

2 、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本主系統(tǒng)由CCD視頻圖像采集器、單片機(jī)、MAX7456視頻疊加顯示芯片、供電電路、顯示器、鍵盤及相關(guān)電路系統(tǒng)組成，同時(shí)預(yù)留溫度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、電子羅盤、激光測(cè)距儀接口，實(shí)現(xiàn)了疊加圖像與場(chǎng)景圖像同顯、手動(dòng)調(diào)節(jié)瞄準(zhǔn)用十字分劃位置。外接12 V鋰電池供電，經(jīng)7805轉(zhuǎn)化為供單片機(jī)使用的5 V，系統(tǒng)設(shè)置提供掉電存儲(chǔ)。其系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。

考慮到實(shí)現(xiàn)功能以及設(shè)計(jì)小型化的要求，系統(tǒng)采用STC12C5608單片機(jī)作為主控芯片，它采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，可以滿足多方面的性能要求，高性能、低成本、低功耗、小體積特別適合于集成度要求高、充電不便的場(chǎng)合。同時(shí)，本款單片機(jī)同時(shí)具備SPI串行接口和UART串行接口，由于MAX7456視頻疊加模塊只有SPI兼容串行接口而沒(méi)有UART接口，所以單片機(jī)不但充當(dāng)上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到MAX7456視頻疊加芯片的中介，而且也作為十字分劃線在鍵盤控制下實(shí)現(xiàn)全屏幕移動(dòng)的主控芯片，以及傳感器信息的處理器。

每個(gè)單片機(jī)控制一片視頻疊加芯片，SPI通信方式采用單主機(jī)單從機(jī)的配置模式，在設(shè)計(jì)中，將單片機(jī)的4個(gè)引腳P1.4（＼SS）、P1.5（N- OSI）、P1.6（MISO）、P1.7（SCLK）分別和MAX7456視頻疊加芯片的對(duì)應(yīng)端口相接。為了方便觀察與調(diào)試，設(shè)置單片機(jī)電源指示燈，通電紅指示燈亮。在單片機(jī)引腳上加了一個(gè)端口指示燈，當(dāng)單片機(jī)下載程序時(shí)，指示燈紅、綠燈閃爍。當(dāng)單片機(jī)程序運(yùn)行正常時(shí)，指示燈綠燈正常閃爍。圖3所示給出的是MAX7456的硬件電路。

3、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為適應(yīng)對(duì)多種目標(biāo)在各種環(huán)境下的瞄準(zhǔn)射擊，可用十字分劃瞄準(zhǔn)射擊。輕武器視頻電子槍瞄準(zhǔn)疊加與普通視頻字符疊加的關(guān)鍵區(qū)別就是，疊加分劃線要進(jìn)行可控二維滿屏移動(dòng)，分劃線能在水平和垂直方向進(jìn)行移動(dòng)。在分劃線移動(dòng)時(shí)，由于圖形是以字符的形式存儲(chǔ)和顯示，所以，為了實(shí)現(xiàn)分劃線按像素移動(dòng)，需特別注意軟件的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)主要包括：PC機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)，它們共同完成十字分劃瞄準(zhǔn)線、相關(guān)字符提示信息以及傳感器獲取信息的疊加。PC機(jī)軟件主要完成對(duì)MAX7456字庫(kù)點(diǎn)陣信息的編碼，字符信息的更改，字符、十字分劃線位置的移動(dòng)，以及對(duì)系統(tǒng)的管理。單片機(jī)程序是系統(tǒng)軟件的重點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)修改字符串、顯示字符串、清除字符串、十字分劃線的全屏移動(dòng)等功能。如圖4所示。

3．1 修改字符串

MAX7456芯片的字符存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)256個(gè)字符信息，當(dāng)需要更換疊加信息時(shí)，通過(guò)修改字符串程序，將PC機(jī)產(chǎn)生的字庫(kù)點(diǎn)陣信息寫到字符存儲(chǔ)器中，寫完后打開顯示使能

}

3．2 十字分劃線產(chǎn)生

視頻疊加芯片MAX7456關(guān)于疊加圖像點(diǎn)陣數(shù)據(jù)在字符存儲(chǔ)器（E2PROM）中的存放采用的是“屏幕存儲(chǔ)映射”方式，即屏幕上每一個(gè)像素點(diǎn)都和一個(gè)顯示存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)，分劃線和字符在屏幕上顯示的行列位置取決于它在顯示存儲(chǔ)區(qū)的存儲(chǔ)位置。顯示字符串程序通過(guò)對(duì)相應(yīng)寄存器的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)字符疊加及相應(yīng)顯示屬性的定義。要產(chǎn)生十字符只要在把十字符信息存儲(chǔ)到相應(yīng)的顯示存儲(chǔ)器存儲(chǔ)區(qū)。

3．3 十字分劃線的全屏移動(dòng)

芯片在對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行疊加的過(guò)程中，除了在需要疊加的地方疊加了字符信息之外，在不需疊加的地方并非沒(méi)有疊加任何信息，而是疊加了透明字符塊，只是表面上感到?jīng)]有疊加信息。通過(guò)這一啟示，本設(shè)計(jì)采用了寫透明字符塊來(lái)取代清屏的方法，從而既清除了原有的字符疊加信息，達(dá)到了疊加新字符的目的，同時(shí)又跳過(guò)了清屏這一操作，解決了將視頻圖像中的原有字符全部清掉，再把整屏需要疊加的信息送入芯片進(jìn)行疊加而引起的閃屏和更新速度慢的問(wèn)題。

視頻電子槍瞄準(zhǔn)疊加與普通視頻字符疊加的關(guān)鍵區(qū)別就是疊加分劃線要進(jìn)行可控二維滿屏移動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)十字分劃線的全屏移動(dòng)，即當(dāng)需要改變瞄準(zhǔn)分劃時(shí)，十字分劃線通過(guò)PC機(jī)或者是按鍵的方式實(shí)現(xiàn)左右、上下移動(dòng)，使十字分劃線的中心位置就是輕武器射擊時(shí)的彈著點(diǎn)。

4 、結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的視頻分劃瞄準(zhǔn)系統(tǒng)以MAX7456視頻疊加顯示模塊為基礎(chǔ)，使用簡(jiǎn)單的外圍電路，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，性價(jià)比高，體積小，采用按鍵方式改變視頻電子分劃位置，能實(shí)現(xiàn)視頻分劃按像素的全屏可控移動(dòng)，設(shè)計(jì)操縱簡(jiǎn)單，便于在輕武器上安裝使用，真正實(shí)現(xiàn)提高射擊人員的射擊精度，以及人槍分離下武器裝備的全天候精確射擊能力。