??? 摘? 要: 介紹了兩種基于不同芯片組合的矩陣切換—字符疊加系統，包括這兩種實現方案的元件構成、結構框架、工作原理和它們各自的特點及應用范圍。
??? 關鍵詞: 視頻監控系統? 矩陣切換? 字符疊加
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近年來視頻監控系統已廣泛應用于工業、交通、商業、金融、軍事及安全保衛等領域，是現代化管理、監測、控制的重要手段之一，極大地提高了管理效率和自動化水平。通用的視頻監控系統一般包括以下幾個部分:攝像機、云臺、解碼器、中心控制系統、矩陣切換系統、字符疊加系統和報警系統。其中矩陣切換和字符疊加是監控系統中兩個比較重要的部分，本文將對這兩部分的工作原理和實現方案進行介紹。
由于監控系統對圖象切換的要求不如廣播電視嚴格，切換過程中所引起的圖象抖動是可以容忍的。因此為了降低成本，在矩陣切換方面一般不采用同步切換，而大多利用集成模擬開關進行異步切換。字符疊加部分的實現方案比較多，其基本原理都是CPU從字庫ROM中取出要顯示字符的點陣數據，根據所設定的在屏幕上的顯示位置，送到對應的顯示RAM中去，然后由計數電路對顯示RAM進行掃描，將字符點陣信號并行讀出并轉換為串行碼，再與視頻圖象信號疊加后送監視器屏幕顯示。
考慮到用戶所需的功能和系統容量的不同，先后開發了兩種基于不同芯片組合的矩陣切換-字符疊加實現方案。每種方案都力求簡單、穩定、可靠。
1 小容量、非漢字字符疊加系統
當系統視、音頻信號的輸入、輸出通道不是很多，尤其在輸出通道較少且不需要漢字字符疊加的情況下，該方案可以獲得較高的性價比。
1.1 元件構成
在該設計中矩陣切換部分采用8選1模擬開關CC4051，圖1和圖2分別給出了利用該芯片進行視、音頻信號切換的實用電路。若還需要對音量進行控制，可以在音頻切換的CC4051后再加一級CC4051。第二級CC4051的各輸入端接不同阻值的電阻，從而獲得不同的音量衰減。
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字符疊加部分采用了NEC公司推出的專用視頻字符疊加芯片μPD6450，該芯片的顯示編輯功能非常強，控制方式也很簡單。在芯片內部固化了128個12×18點陣的日文、英文字母和數字等字符的字模，顯示字符的大小、閃爍頻率可以進行調整，同時芯片還提供5種顏色的內部視頻信號，可以根據要求在內部視頻信號和外部視頻信號之間進行切換，使用非常方便。但由于該芯片內部沒有提供空的RAM空間以供用戶填入自定義字符，因此使用該芯片時只能顯示其內部固化的128個字符，無法外擴漢字，在某些場合的使用上存在一些局限性。
1.2 電路結構和工作原理
在設計中，輸入8路視頻信號經過標題、時間疊加后送去錄像，同時送往矩陣切換電路選出一路進行監視。監視時可采用自動定時切換或手動切換。
為了方便用戶操作，設計了較多的面板按鍵。同時8路疊加芯片的片選線、數據線、CLK線以及切換模塊CC4051的地址線也較多，從而造成89C52單片機的I/O口比較緊張。為了解決這個問題，采取了三種辦法：(1)使用移位寄存器，用CPU串口擴展I/O口來控制面板按鍵;(2)視、音頻信號切換和音量切換的6根地址線均從P1口引出，同時8路疊加芯片共用數據線、CLK線，這兩根線也從P1口引出;(3)CPU的P0口映射為總線方式，控制時鐘芯片DS12887。同時P2口映射為I/O口方式，控制8路疊加芯片的片選信號。
在設置存儲系統的信息時，若信息量不是很多，可以不外擴 RAM，而將設置信息保存在時鐘芯片DS12887中，其內部含有114個字節不揮發的RAM。另外在設置標題、時間等信息時，采用了菜單界面方式，同時使用疊加芯片μPD6450提供的內部彩色視頻信號，既美觀也方便用戶操作。
實踐證明，該方案對于小容量、非漢字字符疊加系統具有實現簡單、穩定可靠、成本較低等特點，是一種比較好的方案。
2 大容量、漢字字符疊加系統
當系統視、音頻信號的輸入、輸出通道數較多，且需要進行漢字字符疊加時可以采用該方案。在設計中，48路輸入視頻信號經過矩陣切換后輸出12路信號，然后送往字符疊加模塊進行漢字標題和時間的疊加，最后送往12路監視器。整個系統分為三個模塊:控制模塊、矩陣切換模塊和字符疊加模塊。下面介紹各模塊主要元件的構成。
2.1 元件構成
控制模塊
· 在本模塊中，CPU采用具有兩個UART串口的80C320，其中一個串口用于接收鍵盤的輸入信號，另一個串口用于向字符疊加模塊發送標題和時間信息。
· 看門狗采用帶電池的MAX691，不僅可以防止死機，同時在系統斷電時可以自動啟用該電池向RAM供電，以保證存儲的信息不丟失。
矩陣切換模塊
本模塊中，矩陣切換采用了多路模擬開關MT8816芯片，該芯片有兩種工作方式:8路輸入、16路輸出或16路輸入、8路輸出。需要特別注意的是，對于每一個輸入通道而言，輸出通道0～15(或0～7)并不完全對應于相應的二進制地址0000～1111(或000～111)。例如輸入通道為1，輸出通道為12，則輸入通道的開關地址為001，而輸出通道的開關地址為0110。
字符疊加模塊
本模塊中，字符疊加采用了NEC公司推出的專用字符疊加芯片μPD6453，該芯片的控制方式與μPD6450基本相似，顯示編輯功能也非常強。主要區別在于:該芯片內部固化了240個12×18點陣的日文、英文字母和數字等字符的字模，同時還提供16個字符的空RAM區以供用戶填入自定義字符，這樣就為漢字顯示提供了可能。在視頻同步信號的提取上，采用專用集成芯片LM1881實現行、場同步信號的分離。
2.2 結構框架和工作原理
本系統的三個模塊:控制模塊、矩陣切換模塊和字符疊加模塊的構成、功能和相互關系如圖3所示。
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其中控制模塊接收并分析鍵盤信號，將所接收的48路標題信息以及矩陣切換的控制信息，包括選路，掃描始路值、末路值、掃描時間等都存儲在不掉電的RAM中，將時間設置信息存儲在DS12887中，這樣重新開機時系統能根據上次關機時的設置進行初始化。另外，該模塊還向矩陣切換模塊發送相應的開關地址和開關數據，并且依據通信協議，由串口向字符疊加模塊發送標題和時間。
在疊加模塊中，3個89C52控制12路的字符疊加，每個CPU控制4路。就整個系統而言，該模塊上的89C52處于從機的地位，接收控制模塊中80C320發送的各種設置信息。由于在兩個CPU之間存在著數據通信，相應地定義了一個通信協議，限于篇幅這里不作過多敘述。下面僅就μPD6453在漢字顯示時遇到的一些問題進行簡單介紹。
首先，對于國內用戶來說，大量的漢字都沒有固化在μPD6453芯片內部，需要將其先寫入片內16個字符的空RAM區，再發出指令讓其顯示。μPD6453內部的字模(包括16個字符的空RAM區)均為12×18點陣，而12×18點陣的漢字字庫很難找到。因此設計中采用了12×12點陣的字庫數據，顯示時將要顯示的數據直接寫入μPD6453片內的12×18點陣的RAM區，但這樣顯示的字符看起來比較小。幸運的是μPD6453同時提供了調整字符大小的功能，字符可以以單倍、雙倍、三倍和四倍模式顯示。但需注意的是，該芯片外接的電感電容對顯示字符的橫向長度影響很大。經過反復試驗，我們認為電感取15μH，電容取56pF時，12×12點陣的漢字字符以雙倍顯示比較合適。其次，89C52只能直接管理64K的存儲空間，當采用12×12點陣的漢字字庫時，存儲所有的國標一級漢字需要128K的ROM，這樣就需要進行分頁管理，最高位的地址線從I/O口引出。第三，行、場同步信號的分離除了采用專用集成芯片，如LM1881，也可以使用分立模擬元件。在本系統中，由于在一塊電路板上集成了12個疊加電路，采用專用集成芯片進行行場分離可以防止模擬信號間的相互串擾。但此方法成本較高，一般情況下建議使用分立模擬元件設計該電路。
以上介紹了監控系統中矩陣切換和字符疊加的兩種實現方案，其中第一種方案適用于小容量、非漢字字符疊加系統，第二種方案適用于較大容量、漢字字符疊加系統。這兩種方案都已投入產品化的批量生產，技術成熟，性能穩定可靠。在實際應用中，讀者可以根據需要，將這兩種方案的矩陣切換部分和字符疊加部分進行相互組合以達到設計要求。
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參考文獻
1 中國廣播電視設備工業協會應用電視專業協會.應用電視——設備原理與工程實踐.第1版，北京:電子工業出版社，1992