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摘要：论文提出了一种基于分时复用原理的多路字符叠加系统。该系统通过STC89C52控制字符叠加芯片MB90092进行多路视频的字符叠加，同时可以通过RS232与上位机进行通信。该系统成本较低，性能稳定，可广泛应用于高速公路收费站的视频监控系统中。
关键词：多路；分时复用原理；字符叠加
The Research of Multi-channel OSD System Used in Highway Toll Station
Jiang Hui， Li Lan-jun
（School of Electric Engineering， University of South China， Hengyang， 421001， Hunan ，China）
Abstract： This paper provides a Multi-channel OSD（On-Screen Display ） system based on Time Division Multiplex Access. In this system， MB90092 OSD chip is controlled by STC89C52. And this system can communicate with the host computer via RS232. It’s a system of lower-cost， stable performance， can be widely applied to the highway toll video surveillance system.
Key words： Multi-channel； Time Division Multiplex Access； OSD
0.引言
近年来，随着视频监控领域的快速发展，字符叠加器越来越广泛应用于视频监控系统中。在高速公路收费系统中，为了在监控过程中可以实时了解收费信息，需要将收费数据动态地插入到监控视频中。这样，车型、车况、车道、车辆收费情况等信息在监控系统中就能一目了然[1]。高速公路一般有多个车道，需要多个字符叠加器同时工作，而现有的字符叠加系统大部分是独立工作的，实现多通道字符叠加成本较高，实现难度较大。为此，基于分时复用原理，采用一片控制芯片及少数辅助芯片，设计了一个多通道字符叠加系统。
1.多路视频叠加的实现原理
分时复用[2]（TIME DIVISION MULTIPLEX ACCESS）是指将时间分为多个时段，每个系统在不同的时段交叉工作。当各个系统之间切换速度较快时，可视为各个系统同时工作。在多路视频字符叠加系统中，利用字符叠加芯片的片选信号，使多个字符叠加模块有序的工作在不同的时段。在单个字符叠加模块工作期间内，该模块独占控制总线，并通过片选信号使其它叠加模块无效。这样就可使用一片控制芯片控制多个字符叠加模块同时工作，并且可以通过译码器增加可控通道的数量。
2.系统的硬件构成
2.1系统结构框图
多路字符叠加系统框图如图1所示。其中，控制模块由STC89C52作为主控芯片，控制整个系统。字符叠加模块内部包含多个由字符叠加芯片MB90092组成的子模块，实现该系统的叠加功能。
2.2字符叠加模块
字符叠加模块将要叠加的字符信息与外部输入视频信号叠加并输出至显示器，主要采用字符叠加芯片MB90092实现此功能。
MB90092是富士通公司生产的专用字符叠加芯片[3]，能实现在视频图像上叠加字符和图形。其内部功能结构[4]如图2所示。芯片内部包含了串行输入控制，VRAM控制，CGROM控制等单元。其中串行输入控制单元负责接收单片机传送的控制命令，VRAM控制单元负责对显示存储器进行显示控制和写地址控制等配置，CGROM单元负责对外部字符存储器进行读取。外部视频信号接入视频信号输入脚，根据串行输入控制单元接收的命令，对VRAM进行相关配置，通过CGROM单元对字库读取字符点阵信息，在内部可完成视频信号与字符信号的叠加，直接输出叠加后的复合视频信号。
MB90092与外部单片机的串行数据传送时序图[5]如图3所示。MB90092与单片机进行串行数据传输时，主要是利用片选信号CS、串行时钟信号SCLK、串行传输数据SIN 3个管脚。首先，CS片选有效，在每个时钟的上升沿，DATA进入MB90092内部的串行移位寄存器，8bit为一个字节，然后CS和SCLK分别为高电平，作为一个字节的结束，接着发送下个字节，在串行传输中，时钟对收到的bit计数，通过强制CS为高电平，可以复位串行传输，通过强制CS从高电平到低电平，清除复位，使得随后的8bit数据是一个字节数据。如果在8bit数据中间CS变为高电平，则这个数据无效。
2.3视频同步分离电路
视频同步分离电路如图4所示，主要是利用LM1881型分离电路实现行场同步信号分离的功能。LM1881视频同步分离器[6]是专门将视频信号中的行、场同步信号从复合视频信号中分离出来的一个芯片。该芯片能够在幅度从0.5V到2.0V的PAL或者NTSC制式视频信号中实时地将各同步信号分离出来。为了使所要叠加的字符点阵脉冲准确地出现在视频信号的对应位置上，必须对输入的视频信号进行行场分离，作为字符显示的基准。将AD8042放大后的视频信号经过阻容电路输入到LM1881的视频输入端CVIN[7]，利用行、场同步脉冲宽度不同的原理，将复合同步信号中的行、场同步信号分开。分开后的行场信号由CSYNC和VSYNC输出，分别将它们连接到MB90092的水平同步信号输入端和垂直同步信号输入端，作为字符显示的基准。
2.4控制模块
控制模块采用STC公司的89C52型单片机作为控制芯片，协调上位机与整个字符叠加系统。其中，上位机负责处理采集到的信息并传给控制模块。控制模块根据上位机传输的车辆信息、通道信息和操作人员信息以及显示位置等数据，控制各个字符叠加子系统在原视频上正确的叠加并显示。 如图5所示是单片机与MB90092的连接图。当单片机连接多片MB90092时，此时各片的SCLK和SIN可并接在一起[8]，利用I/O口，形成多根片选CS，通过软件设计可分时控制多片MB90092。
3.系统软件设计
3.1程序流程
如图6所示是系统控制程序流程图。单片机主要完成从串口接受命令和数据，根据接收到的控制命令向MB90092发送控制命令，对MB90092进行控制调用字库RAM里的字符点阵。在读取数据后，对该数据进行处理转换为要调用字符的地址码，以调用字库RAM中要叠加的字符点阵。
3.2软件设计要点
3.2.1通信协议
上位机与单片机的通信协议如下所示：
叠加的字库选用国家标准字库GB2312。GB2312标准共收录6763个汉字，其中一级汉字3755个，二级汉字3008个；同时，GB2312收录了包括拉丁字母、希腊字母、日文平假名及片假名字母、俄语西里尔字母在内的682个全角字符。所以起始位需要用两个字节才能保证被识别，通道位占一个字节，X、Y坐标各占一个字节，数据位占两个字节。
单片机接收到起始位后，判断叠加通道并打开相应的片选信号，根据接收到的叠加信息向MB90092发送控制命令，如显示控制和VRAM写地址控制等。MB90092根据单片机的指令读取字库中的字符并将图像信号、叠加字符、符合消隐脉冲及复合同步脉冲按一定比例混合在一起，送出视频输出信号。
3.2.2主要函数
本系统涉及的主要函数如下所示：
receive_package（）；//接收协议函数
unpacking（）；//拆包协议函数
td_osd（）；//分时叠加函数
4.结束语
本文以分时复用为核心算法，使用字符叠加芯片MB90092及主控芯片STC89C52搭建硬件平台，设计一套面向高速公路收费站的多路字符叠加系统。该系统使用一片主控芯片即可实现多路监控视频的字符叠加，并结合上位机，实时地在监控显示器上准确的叠加车辆、收费等重要信息，使收费人员操作更加简便，操作流程更加透明。该系统成本较低，性能稳定，可广泛应用于高速公路收费系统。
参考文献
[1] 郑江，袁杰，王惠. 公路收费系统中数字视频叠加设备的研究与应用.电子技术应用，2003（6）：30-32.
[2] 李瑾，肖国坤，王志堂. 单片机I/O口分时复用在键盘和显示电路中的应用. Silicon Valley，2008（18）：111.
[3] Fujitsu. On Screen Display Controller MB90092 Data sheet， 1998.
[4] 江一帆，刘家康. 一种新型视频字符叠加器的设计.电子技术应用，2001（6）：15-17.
[5] 田雁，曹剑中，刘波，张敏. 视频监控系统中双路视频字符叠加器设计与实现.光子学报，2004，33（5）：634-637.
[6] 袁杰，沈庆宏，都思丹，王惠，高敦堂. 采用大规模专用OSDC芯片的数字视频混合器研究. 南京大学学报（自然科学），2003，39（4）：510-516.
[7] 陈炳煌，罗大庸. 基于MB90092 的视频字符叠加技术. 单片机与嵌入式系统应用，2008（2）：69-70.
[8] 黄再银. 字符叠加芯片MB90092在视频矩阵系统中的应用.电子产品世界，2002（3）： 45-46.
作者简介：姓名：蒋慧；院校：南华大学；学位：硕士研究生。
关键词：多路；分时复用原理；字符叠加
The Research of Multi-channel OSD System Used in Highway Toll Station
Jiang Hui， Li Lan-jun
（School of Electric Engineering， University of South China， Hengyang， 421001， Hunan ，China）
Abstract： This paper provides a Multi-channel OSD（On-Screen Display ） system based on Time Division Multiplex Access. In this system， MB90092 OSD chip is controlled by STC89C52. And this system can communicate with the host computer via RS232. It’s a system of lower-cost， stable performance， can be widely applied to the highway toll video surveillance system.
Key words： Multi-channel； Time Division Multiplex Access； OSD
0.引言
近年来，随着视频监控领域的快速发展，字符叠加器越来越广泛应用于视频监控系统中。在高速公路收费系统中，为了在监控过程中可以实时了解收费信息，需要将收费数据动态地插入到监控视频中。这样，车型、车况、车道、车辆收费情况等信息在监控系统中就能一目了然[1]。高速公路一般有多个车道，需要多个字符叠加器同时工作，而现有的字符叠加系统大部分是独立工作的，实现多通道字符叠加成本较高，实现难度较大。为此，基于分时复用原理，采用一片控制芯片及少数辅助芯片，设计了一个多通道字符叠加系统。
1.多路视频叠加的实现原理
分时复用[2]（TIME DIVISION MULTIPLEX ACCESS）是指将时间分为多个时段，每个系统在不同的时段交叉工作。当各个系统之间切换速度较快时，可视为各个系统同时工作。在多路视频字符叠加系统中，利用字符叠加芯片的片选信号，使多个字符叠加模块有序的工作在不同的时段。在单个字符叠加模块工作期间内，该模块独占控制总线，并通过片选信号使其它叠加模块无效。这样就可使用一片控制芯片控制多个字符叠加模块同时工作，并且可以通过译码器增加可控通道的数量。
2.系统的硬件构成
2.1系统结构框图
多路字符叠加系统框图如图1所示。其中，控制模块由STC89C52作为主控芯片，控制整个系统。字符叠加模块内部包含多个由字符叠加芯片MB90092组成的子模块，实现该系统的叠加功能。
2.2字符叠加模块
字符叠加模块将要叠加的字符信息与外部输入视频信号叠加并输出至显示器，主要采用字符叠加芯片MB90092实现此功能。
MB90092是富士通公司生产的专用字符叠加芯片[3]，能实现在视频图像上叠加字符和图形。其内部功能结构[4]如图2所示。芯片内部包含了串行输入控制，VRAM控制，CGROM控制等单元。其中串行输入控制单元负责接收单片机传送的控制命令，VRAM控制单元负责对显示存储器进行显示控制和写地址控制等配置，CGROM单元负责对外部字符存储器进行读取。外部视频信号接入视频信号输入脚，根据串行输入控制单元接收的命令，对VRAM进行相关配置，通过CGROM单元对字库读取字符点阵信息，在内部可完成视频信号与字符信号的叠加，直接输出叠加后的复合视频信号。
MB90092与外部单片机的串行数据传送时序图[5]如图3所示。MB90092与单片机进行串行数据传输时，主要是利用片选信号CS、串行时钟信号SCLK、串行传输数据SIN 3个管脚。首先，CS片选有效，在每个时钟的上升沿，DATA进入MB90092内部的串行移位寄存器，8bit为一个字节，然后CS和SCLK分别为高电平，作为一个字节的结束，接着发送下个字节，在串行传输中，时钟对收到的bit计数，通过强制CS为高电平，可以复位串行传输，通过强制CS从高电平到低电平，清除复位，使得随后的8bit数据是一个字节数据。如果在8bit数据中间CS变为高电平，则这个数据无效。
2.3视频同步分离电路
视频同步分离电路如图4所示，主要是利用LM1881型分离电路实现行场同步信号分离的功能。LM1881视频同步分离器[6]是专门将视频信号中的行、场同步信号从复合视频信号中分离出来的一个芯片。该芯片能够在幅度从0.5V到2.0V的PAL或者NTSC制式视频信号中实时地将各同步信号分离出来。为了使所要叠加的字符点阵脉冲准确地出现在视频信号的对应位置上，必须对输入的视频信号进行行场分离，作为字符显示的基准。将AD8042放大后的视频信号经过阻容电路输入到LM1881的视频输入端CVIN[7]，利用行、场同步脉冲宽度不同的原理，将复合同步信号中的行、场同步信号分开。分开后的行场信号由CSYNC和VSYNC输出，分别将它们连接到MB90092的水平同步信号输入端和垂直同步信号输入端，作为字符显示的基准。
2.4控制模块
控制模块采用STC公司的89C52型单片机作为控制芯片，协调上位机与整个字符叠加系统。其中，上位机负责处理采集到的信息并传给控制模块。控制模块根据上位机传输的车辆信息、通道信息和操作人员信息以及显示位置等数据，控制各个字符叠加子系统在原视频上正确的叠加并显示。 如图5所示是单片机与MB90092的连接图。当单片机连接多片MB90092时，此时各片的SCLK和SIN可并接在一起[8]，利用I/O口，形成多根片选CS，通过软件设计可分时控制多片MB90092。
3.系统软件设计
3.1程序流程
如图6所示是系统控制程序流程图。单片机主要完成从串口接受命令和数据，根据接收到的控制命令向MB90092发送控制命令，对MB90092进行控制调用字库RAM里的字符点阵。在读取数据后，对该数据进行处理转换为要调用字符的地址码，以调用字库RAM中要叠加的字符点阵。
3.2软件设计要点
3.2.1通信协议
上位机与单片机的通信协议如下所示：
叠加的字库选用国家标准字库GB2312。GB2312标准共收录6763个汉字，其中一级汉字3755个，二级汉字3008个；同时，GB2312收录了包括拉丁字母、希腊字母、日文平假名及片假名字母、俄语西里尔字母在内的682个全角字符。所以起始位需要用两个字节才能保证被识别，通道位占一个字节，X、Y坐标各占一个字节，数据位占两个字节。
单片机接收到起始位后，判断叠加通道并打开相应的片选信号，根据接收到的叠加信息向MB90092发送控制命令，如显示控制和VRAM写地址控制等。MB90092根据单片机的指令读取字库中的字符并将图像信号、叠加字符、符合消隐脉冲及复合同步脉冲按一定比例混合在一起，送出视频输出信号。
3.2.2主要函数
本系统涉及的主要函数如下所示：
receive_package（）；//接收协议函数
unpacking（）；//拆包协议函数
td_osd（）；//分时叠加函数
4.结束语
本文以分时复用为核心算法，使用字符叠加芯片MB90092及主控芯片STC89C52搭建硬件平台，设计一套面向高速公路收费站的多路字符叠加系统。该系统使用一片主控芯片即可实现多路监控视频的字符叠加，并结合上位机，实时地在监控显示器上准确的叠加车辆、收费等重要信息，使收费人员操作更加简便，操作流程更加透明。该系统成本较低，性能稳定，可广泛应用于高速公路收费系统。
参考文献
[1] 郑江，袁杰，王惠. 公路收费系统中数字视频叠加设备的研究与应用.电子技术应用，2003（6）：30-32.
[2] 李瑾，肖国坤，王志堂. 单片机I/O口分时复用在键盘和显示电路中的应用. Silicon Valley，2008（18）：111.
[3] Fujitsu. On Screen Display Controller MB90092 Data sheet， 1998.
[4] 江一帆，刘家康. 一种新型视频字符叠加器的设计.电子技术应用，2001（6）：15-17.
[5] 田雁，曹剑中，刘波，张敏. 视频监控系统中双路视频字符叠加器设计与实现.光子学报，2004，33（5）：634-637.
[6] 袁杰，沈庆宏，都思丹，王惠，高敦堂. 采用大规模专用OSDC芯片的数字视频混合器研究. 南京大学学报（自然科学），2003，39（4）：510-516.
[7] 陈炳煌，罗大庸. 基于MB90092 的视频字符叠加技术. 单片机与嵌入式系统应用，2008（2）：69-70.
[8] 黄再银. 字符叠加芯片MB90092在视频矩阵系统中的应用.电子产品世界，2002（3）： 45-46.
作者简介：姓名：蒋慧；院校：南华大学；学位：硕士研究生。