基于C8051F121視頻疊加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言
    目前，各種數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高速公路、電力、銀行等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)時(shí)圖像跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用也日益廣泛與深入，對(duì)它的終端視頻監(jiān)視系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、直觀地反映目標(biāo)跟蹤情況提出更高的要求，因此它的顯示作用也變得尤為重要。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)常常采用在屏顯示OSD(On Screen Display)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互。實(shí)際上，在屏顯示技術(shù)就是在視頻圖像上疊加文字，從而使顯示屏幕能夠?yàn)橛脩籼峁└嗟母郊有畔ⅰ?br />     隨著數(shù)字技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，大規(guī)模可編程邏輯器件的普及，可設(shè)計(jì)用一片高性能單片機(jī)，利用現(xiàn)場(chǎng)可編程器件FPGA對(duì)采集的視頻數(shù)字圖像做預(yù)處理，完成時(shí)序控制邏輯，實(shí)現(xiàn)視頻、圖形、字符疊加，經(jīng)融合后的視頻信號(hào)實(shí)時(shí)送給監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基本思路是：以單片機(jī)C8051F121作為主控制芯片，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA、高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP和其他輔助電路，構(gòu)成視頻圖像與跟蹤處理系統(tǒng)。
1．1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
    硬件系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示，其主要功能模塊有視頻信號(hào)預(yù)處理模塊、高速模數(shù)變換模塊、FPGA數(shù)字處理模塊、數(shù)字圖像存儲(chǔ)器模塊、DSP數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)通信接口模塊、同步和疊加顯示模塊。

    它的工作過(guò)程是：由攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)經(jīng)嵌位、放大、濾波等預(yù)處理電路，再通過(guò)高速模／數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號(hào)輸出。同時(shí)同步機(jī)對(duì)輸入的視頻信號(hào)進(jìn)行行、場(chǎng)同步分離，驅(qū)動(dòng)地址發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)在跟蹤窗口的范圍內(nèi)依照地址產(chǎn)生器的地址按照順序存入圖像采集存儲(chǔ)器。
    系統(tǒng)的時(shí)序控制采用美國(guó)Xilinx公司的FPGA實(shí)現(xiàn)。閃存FLASH用作存放開機(jī)自舉的程序機(jī)器碼以及有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。SDRAM是容量為512K× 32 b×4 bank的同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器可用作存儲(chǔ)以DMA方式從雙端口存儲(chǔ)器RAM傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。數(shù)字信號(hào)處理器DSP執(zhí)行芯片內(nèi)的程序存儲(chǔ)區(qū)的程序，對(duì)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等工作。由高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP和數(shù)字圖像存儲(chǔ)器組成的圖像數(shù)據(jù)分析處理單元對(duì)目標(biāo)信號(hào)做各種圖像數(shù)據(jù)分析處理，串口部分的作用是實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)傳輸。處理窗口電路的作用是根據(jù)處理窗口數(shù)據(jù)形成顯示窗口和采集窗口。顯示窗口送至視頻復(fù)合電路供顯示和指示跟蹤效果用；采集窗口為場(chǎng)采集窗口和行采集窗口，可用作選通或形成圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址。視頻混合電路的作用是將顯示窗口、十字線、字符和圖像信號(hào)疊加起來(lái)，供監(jiān)視器顯示。
1．2 主要部分功能
1．2．1視頻預(yù)處理
    視頻預(yù)處理電路采用Maxim公司的一分四的視頻分配功率放大器MAX4138進(jìn)行視頻信號(hào)的放大，以得到更清晰的信號(hào)來(lái)進(jìn)行視頻處理和顯示。
1．2．2 視頻選擇開關(guān)
    本系統(tǒng)中的多路選擇器件選用Maxim公司的4通道高速視頻多路復(fù)用器MAX441，它能根據(jù)不同的工作場(chǎng)合來(lái)選擇是紅外視頻還是電視視頻輸入。
1．2．3 同步分離模塊
    本系統(tǒng)采用一款由National Semiconductor公司生產(chǎn)的專用視頻同步分離器LM1881，該器件能接收PAL制、NTSC制和SECAM制的全電視信號(hào)。輸出復(fù)合同步信號(hào)、垂直同步信號(hào)、奇偶場(chǎng)信號(hào)和色同步脈沖信號(hào)。
    本設(shè)計(jì)視頻輸入是PAL制的全電視信號(hào)，LM1881從標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)同步PAL視頻信號(hào)中分離出有效的行／場(chǎng)同步信號(hào)等，并將其送入FPGA以產(chǎn)生系統(tǒng)的各級(jí)邏輯控制時(shí)序。
1．2．4 FPGA邏輯控制模塊
    由于系統(tǒng)中各個(gè)芯片的功能相對(duì)獨(dú)立，要協(xié)調(diào)這些芯片的運(yùn)作，就需要一片起控制邏輯作用的可編程芯片，為此，選用了Xilinx公司的SPARTAN-Ⅱ系列的XC2S50TQ144芯片，它不僅能滿足系統(tǒng)的控制要求，而且也可以為將來(lái)系統(tǒng)的功能擴(kuò)展提供控制邏輯。
1．2．5 單片機(jī)
    C8051F121是CYGNAL公司的一款高性能的單片機(jī)，該芯片具有高速、片內(nèi)大容量存儲(chǔ)、豐富靈活的外設(shè)接口等特點(diǎn)。因此在本設(shè)計(jì)中采用它作為主控制芯片。
    在本設(shè)計(jì)中，將C8051F121的系統(tǒng)時(shí)鐘配置成80 MHz，因此峰值速度達(dá)到80 MIPS，視頻圖形的場(chǎng)頻為50 Hz，這樣對(duì)圖形存儲(chǔ)器的每場(chǎng)刷新時(shí)間是滿足的。
    C8051F121字符存儲(chǔ)采用“圖形方式”，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。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FPGA產(chǎn)生地址信號(hào)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；再與視頻圖像信號(hào)疊加后送
監(jiān)視器屏幕顯示。
    該設(shè)計(jì)具有顯示字符多、顯示編輯功能強(qiáng)、硬件電路簡(jiǎn)化、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、實(shí)用性好、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)，是視頻漢字字符疊加的一種較好的選擇方案。
1．2．6 圖形緩沖模塊
    由于所要疊加的圖形、漢字?jǐn)?shù)據(jù)大概占20行，如按一行顯示40個(gè)字符，一個(gè)字符的容量為32個(gè)字節(jié)，因此容量需求為：40×32×20=25 KB，因此圖形存儲(chǔ)器選擇IDT公司的IDT70V08(64K×8 b)雙口RAM來(lái)存儲(chǔ)所要疊加的圖形、漢字?jǐn)?shù)據(jù)。
    IDT70V08是IDT公司的一款高速低功耗64K×8 b的雙端口靜態(tài)RAM。提供兩個(gè)端口，允許獨(dú)立、異步地對(duì)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫。應(yīng)用領(lǐng)域包括內(nèi)部／多處理器設(shè)計(jì)，通信狀態(tài)緩沖和雙端口視頻／圖像存儲(chǔ)器。
1．2．7 視頻疊加電路
    用于實(shí)現(xiàn)視頻與圖形、字符的疊加，并最終由視頻監(jiān)視器顯示疊加結(jié)果。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    單片機(jī)軟件是設(shè)計(jì)的核心部分。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的功能如圖2所示。其主程序流程圖如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)
    由于在本設(shè)計(jì)中嵌入式高性能單片機(jī)和大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程器件的靈活運(yùn)用，采用了在線系統(tǒng)編程技術(shù)，使系統(tǒng)更具有靈活性，系統(tǒng)升級(jí)方便。不僅使得設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)潔，硬件設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化，縮減了硬件開支，減小了設(shè)備體積，大大節(jié)約了成本，而且也提高了設(shè)備的可靠性。
    因此這一技術(shù)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、金融、交通、公安、軍事及住宅小區(qū)等社會(huì)生活的各個(gè)方面。