基于MAX7456的OSD系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

當(dāng)前視頻監(jiān)控技術(shù)廣泛應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)領(lǐng)域, 在公共安全、交通、監(jiān)獄、機(jī)房等需要大規(guī)模集中監(jiān)控的應(yīng) 用場(chǎng)合，面對(duì)動(dòng)輒多達(dá)數(shù)百路、乃至上千路的視頻信號(hào)，對(duì)各 路視頻信號(hào)來源進(jìn)行標(biāo)識(shí)以便有效區(qū)分各路視頻信號(hào)，具有 重要的工程應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，許多人機(jī)界面和視頻播放場(chǎng)合也 需要能夠疊加各種圖文信息的技術(shù)。OSD是指在視頻信號(hào)中 疊加字符或圖形，從而在指定屏幕位置與圖像信號(hào)同時(shí)顯示, 屬于視頻疊加技術(shù)的一種。OSD的實(shí)現(xiàn)主要包括3種方式: 第一是基于計(jì)算機(jī)視頻編解碼技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)方式，其特點(diǎn) 是需要計(jì)算機(jī)的支持，占用一定的CPU資源，但顯示參數(shù)的 改動(dòng)方便，OSD功能本身不需要額外的成本開銷；第二是基 于FPGA或DSP的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，通過在FPGA內(nèi)置 OSD軟核，或者在DSP中運(yùn)行OSD算法來實(shí)現(xiàn)，這種實(shí)現(xiàn) 方式在一些采用嵌入式解決方案的視頻服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī) 上比較常見;第三是基于OSD專用集成芯片的硬件實(shí)現(xiàn)方式, 單片OSD器件可省去大量外圍電路，可有效降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù) 雜度和成本，但顯示內(nèi)容的多樣性受限。

本文給出了基于MAX7456和ARM7的OSD系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案，包括硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩大部分，并通過實(shí)際制作 驗(yàn)證了方案的可行性。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

MAX7456是美信(MAXIM)公司推出的集成了 EEROM的單通道、單色OSD芯片，其內(nèi)部EEROM預(yù)置了 符合NTSC和PAL制式的256個(gè)用戶可編程字符，字符大小 為12X18像素，可對(duì)每個(gè)字符進(jìn)行閃爍、反色和背景控制等操作。MAX7456 帶輸出衰減補(bǔ)償功能，具有狀態(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 (CMDO) 寄存器，用戶可通過 SPI 接口靈活設(shè)置MAX7456 的各項(xiàng)參數(shù)，比如設(shè)置字符類型、尺寸等顯示參數(shù)。

系統(tǒng)原理框架如圖 1 所示，采用意法半導(dǎo)體公司的ARM7 微控制器 STM32F103C8T6 單片機(jī)對(duì) MAX7456 進(jìn)行參數(shù)配置和控制，該 ARM7 為 32 位微控制器，最高工作頻率72 MHz，具備工業(yè)級(jí)穩(wěn)定性，內(nèi)置 64 KB FLASH 和 20 KBSRAM 存儲(chǔ)空間，充足的存儲(chǔ)空間足以滿足 MAX7456 緩存需求 ；外設(shè)資源非常豐富，配有多達(dá) 3 路 UART 及 2 路 SPI 接口，便于與其他系統(tǒng)交互，提供多種接口供用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)值和在線修改。

1.2 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

從數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，MAX7456 采用 5 V 供電，最大電流約為 200 mA。為擴(kuò)展系統(tǒng)輸入電壓范圍，可采用 LM2576-5穩(wěn)壓芯片提供 5 V 電壓供給 MAX7456。ARM7 則采用 3.3V 供電，但其工作電流不大，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可采用 SPX3819-3.3 對(duì) 5 V 電源降壓產(chǎn)生 3.3 V 電壓供給 ARM7，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了MAX7456 與 ARM7 的電源隔離。SPX3819 是一款低 壓差穩(wěn)壓芯片（LDO），其滿載（500 mA）情況下的壓降也僅為340 mV。具體電源電路設(shè)計(jì)如圖 2 所示。

1.3 MAX7456電路設(shè)計(jì)

MAX7456自身時(shí)鐘可工作在27 MHz,其SPI接口最高 工作頻率為10 MHz,而ARM7的SPI時(shí)鐘最大可以達(dá)到18 MHz（此時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘為72 MHz）,足以滿足MAX7456的需求。 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，ARM7作為SPI通信主機(jī)（Master）, SPI 通信所用的時(shí)鐘信號(hào)由ARM7的SPI單元輸出。為避免因?qū)?MAX7456進(jìn)行讀寫操作導(dǎo)致OSD輸出圖像出現(xiàn)瞬間變暗現(xiàn) 象，ARM7讀寫MAX7456內(nèi)部寄存器前，先檢測(cè)MAX7456 的VSYNC引腳，只有該引腳電平為低，才對(duì)MAX7456內(nèi)部 顯示存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行寫操作。ARM7的每個(gè)I/O引腳均具備中斷 功能，MAX7456的LOS引腳接在ARM7的PA0，而PA0具 備喚醒功能，當(dāng)MAX7456出現(xiàn)丟失同步時(shí)，LOS輸出置高以 喚醒ARM7,再由ARM7進(jìn)行相應(yīng)出錯(cuò)處理。這樣一來，不 需要配置MAX7456時(shí)，ARM7可處于低功耗模式。

1.4接口電路設(shè)計(jì)

所用ARM7外設(shè)接口豐富，集成了 3個(gè)UART、2個(gè) SPI、1 個(gè) CAN，其中 SPI1 用來與 MAX7456 通信，UART1 用于同PC或其他系統(tǒng)進(jìn)行RS232通信，UART2用作RS485 接口。考慮到帶云臺(tái)的視頻監(jiān)控場(chǎng)合，云臺(tái)的控制大多采用 RS485，因此設(shè)計(jì)上預(yù)留RS485接口，使得OSD系統(tǒng)可部署 在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，用戶遠(yuǎn)程即可配置MAX7456的顯示參數(shù)。從 接口轉(zhuǎn)換的角度來看，ARM7可理解為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，用戶通 過RS232和RS485發(fā)送配置MAX7456顯示疊加字符的指令, ARM7對(duì)指令進(jìn)行解讀，轉(zhuǎn)換為MAX7456寄存器操作必須 遵循的一系列指令組合，再通過SPI接口進(jìn)行傳輸。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 MAX7456 接口時(shí)序

MAX7456的SPI命令長(zhǎng)度為16位：高8位（MSB）代 表寄存器地址，低8位（LSB）代表數(shù)據(jù)，即不管是讀還是寫 命令，都需要先從SDIN引腳輸入地址碼，之后再根據(jù)是讀還 是寫來讀取或者寫入后續(xù)8位數(shù)據(jù)。MAX7456對(duì)同一個(gè)寄存 器進(jìn)行讀操作和寫操作，其對(duì)應(yīng)的寄存器地址是不同的。使 能SPI通信之后，MAX7456從SDIN讀入第一個(gè)字節(jié)，以確 定正在執(zhí)行的操作類型。

SDIN輸入數(shù)據(jù)，高8位為目標(biāo)寄存器的地址碼，低8位為寫 入的數(shù)據(jù)值；當(dāng)CS置高時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存到輸入寄存器。如果 在數(shù)據(jù)傳輸期間片選信號(hào)置高，則本次寫入操作失敗，最終 數(shù)據(jù)不會(huì)被寫入目標(biāo)寄存器。

圖4所示為MAX7456讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序圖[3],當(dāng)CS置低 時(shí)，開啟SPI傳輸，從SDIN依次輸入7位目標(biāo)寄存器的地址碼, 此時(shí)SDOUT的輸出沒有意義，地址碼輸入完成后，被選中的 目標(biāo)寄存器的數(shù)據(jù)從SDOUT輸出。CS置高時(shí)，結(jié)束本次操作。

2.2 OSD程序流程圖

不同的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，所需的程序各有不同，本文給出 一種基本的程序設(shè)計(jì)流程，系統(tǒng)上電復(fù)位之后，ARM7先初 始化相關(guān)I/O、UART及SPI接口等，接著檢測(cè)是否需要配置

MAX7456。之后ARM7進(jìn)入睡眠模式，在此模式下，來自 RS232、RS485接收中斷信號(hào)及MAX7456的LOS引腳觸發(fā) 的外部中斷信號(hào)均可以喚醒ARM7,執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程 序，比如接收到來自RS232接口的指令后，便可根據(jù)指令更 改MAX7456的顯示參數(shù)。其程序流程圖如圖5所示。

3結(jié)語

本系統(tǒng)采用ARM7為控制核心實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX7456的參 數(shù)配置和控制，用戶自定義的字符數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ARM7中，并 可通過RS232和RS485進(jìn)行在線更改。本文首先介紹了基于 MAX7456的OSD系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方法，并給出了具體的 設(shè)計(jì)電路圖，接著分析了 MAX7456接口時(shí)序，給出了程序流程圖。本文所述方案經(jīng)過了實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了其可行性和可靠性，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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