基于BES7456芯片的OSD的應(yīng)用平臺設(shè)計(jì)

摘要：重點(diǎn)介紹了北京市嵌入式系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的OSD產(chǎn)生芯片BES7456的組成和原理，并給出應(yīng)用該芯片的具體方法和實(shí)現(xiàn)效果。闡述了OSD原理及芯片設(shè)計(jì)的原理，接著給出根據(jù)具體要求需要的外圍設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)步驟，最后給出實(shí)測結(jié)果。
關(guān)鍵詞：OSD；BES7456；應(yīng)用平臺

引言
    BES7456芯片是北京市嵌入式系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)珠海安聯(lián)銳視科技有限公司的要求，開發(fā)的一款用于安全視頻監(jiān)控市場的隨屏字幕顯示芯片。該芯片應(yīng)具有黑白字幕疊加功能，可以兼容當(dāng)前市面主流攝像頭視頻制式，內(nèi)置RAM與外置非易失性存儲(chǔ)器用I2C連接，能夠滿足大多數(shù)情況下監(jiān)控系統(tǒng)對字幕信息的需求。由于OSD(OnScreen Display)芯片的開發(fā)在國內(nèi)尚處于起步階段，所以該項(xiàng)目的研究對相關(guān)技術(shù)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。
    BES7456是單色單通道隨屏顯示(OSD)發(fā)生器，主要應(yīng)用于黑白模擬電視信號上疊加字幕。它將外部視頻驅(qū)動(dòng)器、同步分離器、視頻開關(guān)、存儲(chǔ)器集成在一起，有效降低成本。BES7456采用符合NTSC和PAL制式的256個(gè)用戶可編程字符，這些字符預(yù)先加載并通過SPI接口進(jìn)行在線編程。BES7456適用范圍廣，可以方便地顯示任意字符、尺寸的各種信息，例如公司標(biāo)識、常用圖形、日期時(shí)間等。BES7456提供LQFP(Low-pro-file Quad Flat Package)48封裝，外形尺寸較小，寄生參數(shù)減小，工作于擴(kuò)展級(-40～+85℃)溫度范圍。

1 OSD顯示原理與BES7456芯片
    BES7456的內(nèi)部工作原理是當(dāng)視頻信號經(jīng)過鉗位電路(clamp)時(shí)進(jìn)行“直流重建”，由同步分離電路(SYNCseparator)得到要顯示的位置信息，視頻時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生所有內(nèi)部和外部(Vsync和Hsync)時(shí)序信號，經(jīng)由隨屏顯示發(fā)生器(OSD generlator)產(chǎn)生數(shù)字信號形式，再經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號像素，在視頻開關(guān)(MUX)處切換字符與原電視信號，最后經(jīng)過功率放大器(driver)輸出到電視接收端，在電視中可以看到經(jīng)過疊加后的混合視頻信號。
1．1 BES7456的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    BES7456內(nèi)部集成有產(chǎn)生OSD像素以及將其插入復(fù)合視頻信號所需的全部功能，與外部EEPROM聯(lián)合使用。該器件內(nèi)置有輸入箝位、同步發(fā)生器、視頻定時(shí)發(fā)生器、OSI)插入MUX、字符存儲(chǔ)器RAM、顯示存儲(chǔ)器SRAM、OSD發(fā)生器、晶體振蕩器、可讀／寫OSD數(shù)據(jù)的SPI兼容接口以及視頻驅(qū)動(dòng)器。BES7456芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 BES7456主要模擬模塊概述
    (1)鉗位電路
    采用BES7456芯片的OSD系統(tǒng)使用較為流行的交流耦合輸入／輸出結(jié)構(gòu)，而在隨之帶來的場一時(shí)間失真的問題上，這里通過在輸入級內(nèi)部使用鉗位電路的方法來解決。鉗位電路需要將VIN的同步脈沖的黑色電平穩(wěn)定地鉗位到相對于模擬地稍高的位置上，使得后續(xù)的同步分離電路能正確地分離出同步脈沖。
    (2)同步分離器
    在OSD系統(tǒng)中，OSD芯片需要告訴外部控制器何時(shí)可以訪問芯片內(nèi)部狀態(tài)寄存器或更新屏幕上的字符顯示，否則就會(huì)發(fā)生存儲(chǔ)器訪問的混亂。根據(jù)視頻掃描原理，如果利用消隱時(shí)間對顯示存儲(chǔ)器的內(nèi)容進(jìn)行修改，就可以實(shí)現(xiàn)字幕的實(shí)時(shí)更新。利用行同步信息可以確定字符像素
在電視畫面中的水平坐標(biāo)，利用場同步信息可以計(jì)算出字符像素在畫面中的垂直位置。場同步輸出與第一個(gè)輸入脈沖的鋸齒波的上升沿，同步結(jié)束于第一個(gè)后均衡脈沖的后沿，因此它比2．5 Hz的場同步要稍微寬一些。
    (3)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)
    在本設(shè)計(jì)的OSD系統(tǒng)中，DAC的作用是將字符生成器模塊產(chǎn)生的OSD數(shù)字流轉(zhuǎn)換為模擬電平信號，從而產(chǎn)生實(shí)時(shí)的字符圖像。實(shí)際上，正常工作使用內(nèi)同步信號時(shí)字符生成模塊會(huì)持續(xù)輸出帶有行、場同步信號的黑白視頻流，經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換成1 Vp-p的標(biāo)準(zhǔn)黑白視頻信號，視頻開關(guān)只在需要插入OSD圖像的時(shí)刻才將輸入切換到DAC的輸出。
    為滿足常見的OSD顯示的需要，對于DAC，至少需要7位有效位才能區(qū)分出所有這些電平來。如果要在電視屏幕上同時(shí)并排顯示30個(gè)字符，每個(gè)字符為12列×18行，即每行圖像應(yīng)能分辨出360個(gè)像素點(diǎn)，根據(jù)PAL制式每行的圖像掃描時(shí)間52μs，DAC的采樣時(shí)鐘頻率至少應(yīng)為6．94 MHz(每個(gè)采樣點(diǎn)的周期為144 ns)。由于DAC的下一級為視頻開關(guān)，并且為直流耦合，DAC所輸出的OSD信號(最大1．14 Vp-p)需要有合適的偏置電壓才能正常通過視頻開關(guān)和視頻驅(qū)動(dòng)器模塊。[!--empirenews.page--]

2 OSD芯片應(yīng)用平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 軟件應(yīng)用平臺的建立
2．1．1 使用、調(diào)試注意事項(xiàng)
    在運(yùn)行整個(gè)OSD系統(tǒng)時(shí)必須在MCU上運(yùn)行軟件來控制BES7456芯片的時(shí)序，本系統(tǒng)的MCU采用的是Maxim公司生產(chǎn)的MAXQ2000單片機(jī)，這款單片機(jī)主要的好處是有專用的SPI接口。與MCU的在線通信調(diào)試可以通過JTAG接口，運(yùn)行于Windows平臺下的IAR EmbeddedWorkbench 2．10A是專門用于MAXQ系列微控制器的集成開發(fā)工具之一，目前已被大多數(shù)MAXQ系列芯片開發(fā)所使用。在IAR下建立新工程時(shí)，應(yīng)該注意需要設(shè)置的
編譯選項(xiàng)：General Option／Target／Device 并選MAX200X，以及General Option／Debugger／JTAG，并在COM port中選擇相應(yīng)的接口，可以在電腦的設(shè)備管理器中查看所安裝的接口。
2．1．2 SPI接口、時(shí)序、使用方法
    BES7456支持高達(dá)10 MHz接口時(shí)鐘(SCLK)。圖2為寫數(shù)據(jù)時(shí)序，圖3是從器件讀數(shù)據(jù)的時(shí)序。寫寄存器時(shí)，拉低可使能串行接口。在SCLK的上升沿從SDIN讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器。如果傳輸過程中變高，程序終止(即數(shù)據(jù)不寫入寄存器)。變低之后，器件等待從SDIN讀入第一個(gè)字節(jié)，以確定正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)傳輸類型。

    讀寄存器時(shí)，如上文所述，拉低CS在SCLK的上升沿鎖入SDIN。然后數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿從SDOUT輸出。SPI命令長度為16位：最高8位(MSB)代表寄存器地址，最低8位(LSB)代表數(shù)據(jù)(如圖2、圖3所示)。這種格式有兩個(gè)例外：
    ①自動(dòng)遞增寫模式，用于訪問顯示存儲(chǔ)器，是一個(gè)8位操作。寫數(shù)據(jù)前必須寫入起始地址。對顯示存儲(chǔ)器執(zhí)行自動(dòng)遞增寫命令時(shí)，8位地址由內(nèi)部產(chǎn)生，串口只需8位數(shù)據(jù)，如圖4所示。

    ②從顯示存儲(chǔ)器讀字符數(shù)據(jù)時(shí)，若處于16位工作模式，應(yīng)該是24位(8位地址+16位數(shù)據(jù))。執(zhí)行讀操作時(shí)，只需要8位地址，如圖3所示。
2．1．3 應(yīng)用信息
    (1)字符存儲(chǔ)器CM(Character-Memory)操作
    BES7456的字符存儲(chǔ)器一次只能寫入或讀出全部的字符(54字節(jié))，這可通過SPI端口，經(jīng)過MCU(MAxQ2000)實(shí)現(xiàn)。這里給出寫入字符操作，讀出操作類似可以相應(yīng)得出：寫入VM0[3]=0以禁止OSD顯示→寫入CMAH[7：0]-xxH，選擇寫入字符(0～255)→寫入CMAL[7：0]=xxH，選擇寫入字符的4個(gè)像素字節(jié)(0～63)→寫入CMDI[7：0]=xxH設(shè)置字符所選部分像素值→重復(fù)前兩步，直到字符數(shù)據(jù)的54個(gè)字節(jié)寫入RAM中→寫入VM0[3]=1，使能OSD圖像。[!--empirenews.page--]
    (2)顯示存儲(chǔ)器DM(Display Memory)的操作
    對顯示存儲(chǔ)器的操作更多一些，這里給出常用的操作，其他情況對應(yīng)寄存器表可以很快得出。以下步驟支持對OSD圖像的查看，讀寫顯示存儲(chǔ)器時(shí)不需要這些動(dòng)作：寫入VM0[3]=1，使能OSD圖像顯示；寫入OSDBL[4]=0，使能自動(dòng)OSD黑電平控制，保證正確的OSD圖像亮度，該寄存器包含4個(gè)預(yù)設(shè)為[3：0]，不能修改，因此，修改第4位時(shí)，首先讀取OSDBL[7：0]，修改第4位，然后寫回更新后的字節(jié)。
    8位模式下，寫入顯示存儲(chǔ)器的步驟為：向顯示存儲(chǔ)器寫入字符時(shí)，8位工作模式最靈活，這一模式支持為每一個(gè)字符寫入單獨(dú)的字符屬性字節(jié)，這一模式與16位工作模式不同，在16位模式下，當(dāng)寫入一個(gè)字符時(shí)，從DMM[5：3]自動(dòng)復(fù)制其字符屬性。寫入DMM[6]=1，選擇8位工作模式。
    16位模式下，讀取顯示存儲(chǔ)器的步驟：寫入DMM[6]=0，選擇16位工作模式。寫入DMAH[0]，選擇需要讀取數(shù)據(jù)的地址MSB寫入DMAL[7：0]=xxH，選擇需要讀取數(shù)據(jù)地址的MSB以外的低位數(shù)據(jù)該地址確定字符在顯示器上的位置讀取DMDO[7：0]，從顯示存儲(chǔ)器中的所選位置讀取數(shù)據(jù)。
2．2 硬件應(yīng)用平臺的建立
    用BES7456芯片作為OSD系統(tǒng)的核心部件時(shí)，需要添加相應(yīng)的外圍器件才行。圖5為OSD模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖。其中，BES7456負(fù)責(zé)對輸入的模擬視頻信號進(jìn)行加字幕處理；MAxQ2000作為一顆低壓微功耗單片機(jī)，本身自帶SPI接口，可以運(yùn)行10 Mbps的速率，速度快，為BES7456提供相應(yīng)的控制信號，并負(fù)責(zé)通過串口與．PC通信，以獲得用戶自定義的字符集和配置信息，也可通過GPIO模擬SPI接口時(shí)序，但速度慢；MAX-3002是一顆雙向電平轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)過設(shè)定，它可在1．2～5．5 V之間的信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，把它作為MAXQ2000的2．5 V系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)化為BES-7456可以使用的1．2 V數(shù)字系統(tǒng)信號，以及3．3 V的模擬信號都綽綽有余；MAX3311是與MAXQ2000配套的串口芯片，提供與PC通信的串口信號轉(zhuǎn)換；MAX8881作為電源轉(zhuǎn)換芯片，在此可將5 V的供電轉(zhuǎn)化為單片機(jī)和buffer芯片需要的2．5 V電源，AMS117負(fù)責(zé)將5 V電源轉(zhuǎn)為3．3 V，而IP3878ADJ則負(fù)責(zé)將3．3 V電源轉(zhuǎn)為BES7456需要的1．2 V電源。

2．3 實(shí)現(xiàn)效果
    采用BEST456芯片作為OSD核心部件的系統(tǒng)顯示，非常穩(wěn)定適合于模擬電視信號的視頻字幕的疊加。而且這一系統(tǒng)能夠隨時(shí)調(diào)整顯示字幕的內(nèi)容，方便修改并可通過I2C接口編輯字幕庫。

    圖6中最左邊的低電平部分為視頻信號的VSYNC信號，右邊最高電平的一部分為疊加上去的，其余的是正常視頻信號。圖7中背景為實(shí)驗(yàn)室的測試屋一角，高亮白電平為自己編輯的字幕，可以自由改變其內(nèi)容。

結(jié)語
    如上所述，使用自主研發(fā)BEST456芯片作為字幕疊加處理芯片完全可以到達(dá)很好的顯示和應(yīng)用效果。使用它不僅可以擺脫國外產(chǎn)品對我國此類芯片的壟斷，有效節(jié)約成本，也能促進(jìn)我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。