毕业设计（论文）-视频字符叠加芯片.doc

摘摘 要要 随着视频技术的发展 人们对以往的单一形式的视频影像输出形 式有了更高的要求 希望在影像输出的同时能够增加一些对视频信息 的补充 最直接的方式就是将简明的字符或图文信息叠加至视频信号 同时增加的信息提高了视频信号的可读性与安全性 视频叠加技术也 就随之产生 发展起来 应允而来的就是各大电子公司纷纷推出适应 这一技术的专用芯片 本文论述了使用 NEC 公司生产的专用视频叠加芯片 PD6450 以及 新型单片机 AVR 单片机制成的视频叠加电路的原理及应用举例 依据 NEC 公司提供的芯片资料制备出了视频叠加的外围电路 该 电路可实现输入视频信号的字符及简单图文信息的叠加 可整体移动 显示区域位置 可手动切换字符闪烁模式 改变字符大小 切换内外 信号等功能 关键词 视频叠加关键词 视频叠加 PD6450 PD6450 AVRAVR单片机单片机 ABSTRACT Along with video technology development the people had a higher request to the former sole form video image output form hoped can overlap some information supplement while image output to the video The most direct way is the concise character or the chart article information superimposition to the video signal At the same time overlap the information enhanced the video signal readability and the security The video frequency superimposition technology also produces along with it develops The compliance but comes is each big electronic company promotes in abundance adapts this technical special purpose chip The video frequency which this article elaborated has used which NEC Corporation to produce special purpose video frequency superimposition chip PD6450 as well as the new type Microcontroller AVR MCU makes to superimpose the electric circuit the principle and the application gives an example The chip data sheet provides which based on NEC Corporation prepared the video superimposition periphery electric circuit this circuit might realize the input video signal character and the Jan sketch map article information superimposition but the whole migration demonstrated the regional setting but the manual cut character glittered the pattern the change character size cut function and so on inside and outside signal Keywords Video overlap PD6450 AVR MCU I 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 1 技术发展简介 1 1 2 研究目的及所须解决问题 1 1 3 系统设计思想 2 第二章第二章 视频叠加电路视频叠加电路 3 3 2 1 叠加芯片 PD6450 3 2 2 芯片外围电路 8 第三章第三章 单片机控制系统单片机控制系统 1414 3 1 单片机发展历史 14 3 2 AVR 单片机简介 15 3 3 AT Mega16 单片机 16 3 4 PD6450 与单片机接口设计 18 3 5 单片机外围电路设计 19 3 6 单片机软件设计 21 第四章第四章 视频显示技术视频显示技术 2424 4 1 显示设备 24 4 2 视频制式 27 4 3 视频信号显示电平 28 第五章第五章 结果分析结果分析 2929 5 1 系统实物 29 5 2 实验结果 30 结结 论论 3333 致致 谢谢 3434 参考文献参考文献 3535 1 第一章 绪 论 视频字符叠加芯片是在视频信号中混入字符或简单图文信息 从 而在屏幕的特定位置上与图像信号同时进行显示的设备 这项技术是 电视技术中的一个重要领域 在应用电视系统中和监控系统中发挥着 重要的作用 它可在摄像机的套件中用于显示录像带的计数 时间 日期和简短信息 也可用在电视屏幕上显示频道号 时间和台标等或 在监控屏幕上显示监控参数等必要信息 1 1 技术发展简介 此种技术的发展经历了以下几个时期 第一阶段是 图解显示控制 阶段 它是利用中小规模数字集成 电路来实现各部分所要求的严格的时序关系 并将形成的字符信号与 视频信号在预定的时间关系上混合并显示在屏幕上 第二阶段是用单片机这类集成电路的阶段 它将 图解显示控制 方式 中的中小规模集成器件构成的电路集成化 字符 或图形 等 以点阵方式存储在外围的ROM或E2PROM中 它使电路大为简化 因 而使用较为方便 第三阶段是单片 屏幕显示 器件阶段 因为在与电视有关的产 品上 并不需要显示很多的字符或图形 因此将以上所提到的控制器 中外部存储器与其集成在一起而形成所谓单片屏幕显示器件 这类器 件主要是为家用电视这类产品而设计的 并得到了广泛的应用 1 2 研究目的及所须解决问题 PD645X系列 是NEC公司生产的专用字符叠加芯片 即为上面 所提到的第三阶段的产品 其应用方便 外围电路简单 是现代显示 系统中的主流产品 其主要应用于电视系统 监控系统以及其它的一 些显示领域 PD645X系列芯片 是一种集成了内部微控制器的智能型芯片 2 因此 需使用外部的微控制器对其进行指令的控制 所要解决的主要 问题是 PD645X芯片与微控制器的接口问题 同时 PD645X芯片的指 令输入是串行输入的形式 因此须要注意指令输入的时序问题 1 3 系统设计思想 本课题使用 PD6450 叠加芯片与新型的 AVR 单片机进行接口对 叠加芯片进行控制 同时为使 PD6450 芯片正常工作 须使用专用视 频分离芯片 LM1881 进行视频信号的行场同步信号分离 系统框图如下 同同步步分分离离电电路路 视视频频信信号号输输入入 视视频频叠叠加加电电路路 叠叠加加视视频频信信号号输输出出 微微控控制制器器 显显示示器器 行同步信号 场同步信号 DATA STB CLKBUSY 晶晶振振信信号号 XI XO HSYNC VSYNC Video in Video out 图 1 1 叠加系统框图 3 第二章 视频叠加电路 本章将对视频叠加系统中的主要部分 视频叠加电路进行详细 介绍 2 1 叠加芯片 PD6450 下面的内容将对叠加芯片 PD6450 的特点 指令输入方法进行一 下介绍 2 1 1 芯片特性 PD6450 是日本 NEC 公司推出的一种以 CMOS 工艺制成的 OSD on screen display 在屏显示 可编程大规模集成电路芯片 可用于计算机 控制的录像机 VCD 等的屏幕字符显示 该芯片有视频信号的输入 输 出功能 也可作为一种通用的 OSD 芯片完成视频信号与字符叠加显示 PD6450 也可以自己产生内部视频信号 芯片内部有 128 字的固定字 库 可在屏幕上显示 12 行 24 列字符 包括所有的英文字母 数字 少 量汉字 指定符号及日文片假名等 也可将这种芯片串接于视频信号 源和监视器的通路中 视频信号输入此芯片后 可得到已经叠加了字 符的视频输出 另外 当无外部视频信号输入时 可通过对芯片编程 使该芯片不需外部信号 而直接由内部产生视频信号 从而在监视器 上显示字符 有 5 种颜色的内部视频信号 可以作为显示时的背景色 但它的字符颜色只能为黑色或白色 字符的边缘色也只有黑色一种 芯片主要参数芯片主要参数 显示字符数量 可显示 12 24 个字符 单个字符尺寸 最大显示区域 12 18 个点 可设置字符消隐频率 分别为 1 3 1 1 及 3 1 字符背景 可设置 4 种不同字符背景 芯片信号 外部输入复合视频信号 并且通过编 4 程可生成内部视频信号 控制接口 与单片机采用 8 位串行接口 功耗 5V 供电 芯片为 CMOS 低功耗芯 片 2 1 2 叠加原理介绍 字符信号是一种包含了亮度与色度信息的复合信号 在与复合视 频 信号进行叠加时 这种包含了色度与亮度的信号是间插在复合视频信 号的高端 为了保证字符能够正确叠加于视频信号上 视频信号与叠加电路 要 求保证严格的同步关系 因此在芯片内部集成了行场脉冲计数器 以 保证输入视频信号与叠加芯片时钟的同步 由上面对视频信号以及同步信号的论述 我们可以根据图 2 1 所 示的 PD645X 系列叠加芯片的原理框图 对芯片的工作原理进行深入 的论述 5 输输 入入 缓缓 冲冲 器器 CLK STB DATA BUSY LoscOUT LoscIN HSYNC VSYNCVideo Out 内内 部部 晶晶 振振 控控 制制 同同步步分分离离电电路路 XoscOUT XoscIN 译译码码 电电路路 行行 场场计计数数 电电路路 视视频频ROM 视视频频RAM 输输出出控控制制电电路路 数数据据总总线线 显显示示控控制制 显显示示位位置置 内内外外信信号号选选择择 晶晶振振控控制制 字字符符大大小小 显显示示区区域域控控制制 显显示示控控制制 控控制制指指令令 Video In VclVblVvlVblk 图 2 1 PD645X 系列叠加芯片的原理框图 芯片的指令控制通过输入缓冲器 按照一定时序送入芯片内部译 码 电路 指令经译码后送入数据总线 分别送到芯片内的各部分 首先 对显示控制区进行设置 如对字符大小 显示位置 显示 区域位置的设置 以上设置经数据总线写入视频 RAM 同时控制区同 时受分离电路以及振荡信号的影响 二者同时控制 RAM 为接下来的 叠加做必要的设置准备 其次 显示控制电路 根据用户输入到数据总线上的数据要求 调视频 ROM 中固化的字符代码 送入视频 RAM 中进行配置 最后 视频 RAM 将字符位置 叠加区域位置及字符信号送入视 频输入 输出电路进行叠加 同时外部的输出后级 可以加入一个匹配 的电路使与后级的显示设备匹配 2 1 3 芯片封装 PD6450CX 002 芯片采用了 SOP 18 的封装形式 其管脚图 如 6 图 2 2 所示 图 2 2 PD6450CX 002 封装 2 1 4 管脚功能介绍 表 2 1 PD6450CX 002 引脚功能 BUSY通知微机选通输入是否准备好 CLK时钟输入端 输入读数据时钟 STB选通输入端 DATA串行数据输入端 VDD电源端口 CKOUT时钟输出端 Losc OUTLC振荡器输出端 Losc INLC振荡器输入端 VSS接地端 Xosc IN晶振输入端 Xosc OUT晶振输出端 VSYNC场同步信号输入端 7 HSYNC行同步信号输入端 Vcl字符电平调整端 Vbl字符背景电平调整端 Vvl内部图像信号电平调整端 Video out字符迭加图像输出端 Video in复合视频信号输入端 2 1 5 指令时序介绍 每个指令由 9bit 组成 指令能实现对字符显示的各种控制 如表 2 1 所示 表2 2 指令通式 功能位X11111F0F1 由于芯片内部与外部串行接口所用的内部数据缓冲器为 8bit 所以 指令被分开放在两个存储单元内 存储单元的切换通过功能位设定指令 的 F0 位来实现 PD6450 与外部 CPU 的接口有自己独特的时序 如图 2 3 所示 在 每个时钟的上升沿 DATA 数据的 1bit 进入 PD6450 内部的串行缓冲寄 存器 当 8bit 的 DATA 数据全部进入串行缓冲寄存器后 向 PD6450 输 入一个选通脉冲 STB PD6450 接收到 STB 脉冲后 BUSY 输出高电平 内 部处理完毕后 BUSY 降为低电平 通知 CPU 可以接收下一个数据 图 2 3 PD6450 接口时序 8 2 1 6 指令功能介绍 PD6450 提供了 10 条控制指令 这些指令涵盖了其自身功能的各 个方面 在接下来的这一节中我们就来详细的介绍一下这些指令及其 应用的注意事项 表 2 3 列出了 PD6450 的关键指令及其实现功能 表2 3 设置指令及实现功能 命令类型实现功能 显示及内部晶振控制 确定是否允许显示字符 字符的闪烁频率 以及控制内部 LC 振荡器的停振和起振 字符背景内部信号色彩用来确定背景类型以及内部视频信号颜色 内 外信号选择 显示制 式以及外部晶振控制 该命令用来选择显示制式 内 外部信号并 控制外部晶振的停振和起振 叠加区域位置控制 可以根据需要将单个字符在垂直方向上进 行多行显示 以扩大字符尺寸 显示字符的闪烁控制用于控制字符的消隐 可设置不同频率 显示字符的选择 在芯片内部 ROM 中固化了 128 个字符的 代码 用户可根据需要调用这些字符 字符行 列地址控制 内部视频 RAM 中的 12 24 个单元 对应 了该控制字中的 0000 1011 行 00000 10111 列 所确定的单元 可以 依此来确定显示字符在显示区域中的位置 显示字符的大小控制 可以根据需要将单个字符在垂直方向上进 行多行显示 以扩大字符尺寸 对与 PD6450 的各条指令的具体设定 NEC 公司提供的器件手册 已经详细的给出 这里就不再引述 9 2 2 芯片外围电路 以下部分内容是对芯片及外围电路组成的叠加电路部分进行一下 介绍 2 2 1 晶振电路部分 PD6450 在使用时 需要两个振荡电路的支持 一个是由芯片 7 脚与 8 脚外接 LC 组成的内部晶振电路 另一个是由 10 脚 11 脚外接 晶振与电容组成的外部晶振电路 这两个振荡电路中的电容均有一个 是可调的 用以调节振荡频率 这两个振荡器都对字符的叠加起着重 要作用 2 2 1 1 LC 振荡电路 LC 振荡电路是为芯片提供 点阵时钟 的 所谓 点阵时钟 就 是单个字符 的显示区域是由 12 18 个点组成的 字符也是由这些点 通过特定的组合而来 这是其主要作用 因此必须对此部分多加注意 那么点阵时钟就是为叠加字符产生字形驱动时钟 同时为将字符 代码由视频 ROM 写入视频 RAM 而使用的 所以要在进行视频 RAM 写入前将 LC 振荡器启动 LC 振荡器如图 2 4 所示接入芯片 图 2 4 LC 振荡电路 10 此时 我们可以调节 C2 电容值 使 LC 振荡频率保持在 6MHz 8MHz 之间 波形如图 2 5 所示 在叠加字符后 调节此电容 我们会发现 CRT 上显示的字符随着电容值的不同 会在水平方向上发 生宽度的变换 通过实验 表明电容值为 16pF 时 字符宽度适当 显 示清晰 图 2 5 LC 振荡器波形 在示波器中可以观察到 在经过显示及内部晶振控制指令的设置后 我们可由7脚Losc OUT 输出 此时的频率为6 3MHz 同时 LC 振荡器还有另一个重要的作用 就是为字符叠加区的起 始位置计算提供时钟 其计算公式见式 2 1 及式 2 2 A 2 1 2222 2 line 9H 0 0 2 1 2 2 3 3 4 4 VVVVV B 2 2 16 H2 H2 H2 H2 H 2 12 1 0 1 1 2 2 3 3 4 4 MHzfMHzf OSCOSC A B 分别表示显示区域垂直距 CRT 上端 水平距 CRT 左端的距 11 离 式中的 V H 表示了叠加区域控制指令中的二进制代码 与控制 字中的位是对应的 在设置该位时应充分考虑该位 使用先计算再实 验的方法确定起始位置 并配合区域中显示位置的设定 以达到自定 义显示位置的要求 图 2 6 给出了显示区域单元以及起始位置确定的示意图 图 2 6 显示区域及起始位置示意图 如图 2 6 所示 在片内视频 RAM 中的地址空间与显示区域单元是 一一对应的 同时每个显示单元又是由 12 18 个点组成的 如图 2 7 所示 通过点阵时钟即 LC 振荡器的作用产生如图中所示的字符效果 12 图 2 7 字符单元点阵 2 2 1 2 外部晶振电路 外部晶振是为内部视频信号发生器提供时钟以及驱动内部视频分 离电路而提供时钟的器件 外部晶振如图 2 8 所示接入芯片 图 2 8 外部晶振接入电路 图中晶振 Y1 选择与复合视频信号的制式有关 具体选值可参阅 表 2 4 表 2 4 外部晶振值与视频制式关系 PAL17 734475MHz NTSC14 318180MHz PAL N14 328225MHz PAL M14 302448MHz 当使用内部视频信号时 调节 C7 可影响显示区域的位置以及大小 13 这是由于 该外部晶振是产生内部视频信号的时钟 当改变该时钟时 会对内部信号扫描制式产生影响 使叠加区域随之发生改变 外部晶 振波形如图 2 9 所示 至此 我们已经将视频叠加电路部分以及相关的调试方法以及两 个对于我们正确叠加字符起到关键作用的信号介绍完毕 在下一章中 我们将着重介绍叠加系统的控制电路部分 为了能 更好的说明芯片的控制电路我们给出了频叠加部分的总体电路图 图 中包括了叠加芯片与单片机接口的信息 通过调节图中的可变电阻 我们可以调节视频消隐电平值 我们 将在后续章节中做详细介绍 这里不再累述 图 2 9 外部晶振电路波形 如内部晶振电路波形 同样我们可以依样观察外部晶振的波形 以及启振与否 通过示 波器 我们可以观察到 在设置了内 外信号选择 显示制式以及外部晶振控制指令后 开外 部晶振 有图中所示波形输出 此时振荡频率为外部晶振频率 为16 51MHz 同时其增益小 于内部振荡器 14 图 2 10 视频叠加电路 15 第三章 单片机控制系统 所谓单片机就是在一片半导体硅片上集成了微处理器 CPU 存 储器 RAM ROM E2PROM 以及各种 I O 接口 这样的一片硅片 就具有了计算机的功能 因此称为单片微型计算机 简称单片机 3 1 单片机发展历史 自上世纪 70 年代单片机问世以来 在工业自动化 自动检测 智 能仪器仪表 家用电器 电力电子 机电一体化设备等各个领域得到 了广泛的应用 8 1946 年第一台电子计算机诞生至今 依靠微电子技术和半导体技 术的进步 从电子管 晶体管 集成电路 大规模集成电路 现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管 使得计算 机体积更小 功能更强 特别是近 20 年时间里 计算机技术获得飞速 的发展 同时 也就带动了单片机的发展 最初的所谓单片机 在现在看来还仅能称之为 微处理器 因为 其单硅片内 只是简单的集成了 CPU 还必须外接各种设备 才能构 成一台功能完备的计算机 1976 年 INTEL 公司推出了 MCS 48 单片机 这个时期的单片机才 是真正的 8 位单片微型计算机 在 MCS 48 的带领下 其后 各大半 导体公司相继研制和发展了自己的单片机 如 Zilog 公司的 Z8 系列 到了 80 年代初 单片机已发展到了高性能阶段 如 INTEL 公司的 MCS 51 系列 Motorola 公司的 6801 和 6802 系列 Rokwell 公司的 6501 及 6502 系列等等 此外 日本的著名电气公司 NEC 和 HITACHI 都 相继开发了具有自己特色的专用单片机 80 年代 世界各大公司均竞 相研制出品种多功能强的单片机 约有几十个系列 300 多个品种 此时的单片机均属于真正的单片化 大多集成了 CPU RAM ROM 数目繁多的 I O 接口 多种中断系统 甚至还有 一些带 A D 转换器的单片机 功能越来越强大 RAM 和 ROM 的容量 16 也越来越大 寻址空间甚至可达 64kB 可以说 单片机发展到了一个 全新阶段 应用领域更广泛 许多家用电器均走向利用单片机控制的 智能化发展道路 1982 年以后 16 位单片机问世 代表产品是 INTEL 公司的 MCS 96 系列 16 位单片机比起 8 位机 数据宽度增加了一倍 实时处理能 力更强 主频更高 集成度达到了 12 万只晶体管 RAM 增加到了 232 字节 ROM 则达到了 8kB 并且有 8 个中断源 同时配置了多路 的 A D 转换通道 高速的 I O 处理单元 适用于更复杂的控制系统 但 8 位单片机仍以它的价格低廉 品种齐全 应用软件丰富 支持环 境充分 开发方便等特点而占着主导地位 而 INTEL 公司凭着他们雄 厚的技术 性能优秀的机型和良好的基础 目前仍是单片机的主流产 品 在保持其主流地位的同时 8 位机也在各个方面进行着改进 以适 应各个领域的不同需要 本文所采用的就是一种新型的单片机 AVR 单片机 3 2 AVR 单片机简介 AVR 单片机是 1997 年由 ATMEL 公司研发的增强型内置 Flash 的 RISC Reduced Instruction Set CPU 精简指令集高速 8 位单片机 AVR 的单片机可以广泛应用于计算机外部设备 工业实时控制 仪器 仪表 通讯设备 家用电器等各个领域 在 AVR 单片机中 又可分成三个系列 低档 Tiny 系列 主要有 Tiny11 12 13 15 26 28 等型号 中档 AT90S 系列 主要有 AT90S1200 2313 8515 8535 等型号 高档 AT Mega 系列 主要有 AT Mega8 16 32 64 128 片内 Flash 存储容量为 8 16 32 64 128 KB 以及 AT Mega8515 8535 等型号 AVR 单片机有如下的特点 AVR 单片机是高速单片机 硬件采用哈佛 Harward 结构 达到一 个时钟周期可以执行一条指令 绝大部分指令都为单周期指令 而 MSC 51 要 12 个时钟周期执行一条指令 17 AVR 单片机支持程序的在系统编程 ISP 开发门槛较低 只需一 条 ISP 并口下载线 就可以把程序写入 AVR 单片机 所以进入 AVR 单 片机门槛很低 花钱少 其中 MEGA 系列还支持在应用编程 IAP AVR 单片机采用了可多次擦写的 FLASH 存贮器给用户的开发生 产和维护带来方便 AVR 单片机的 Flash 程序存储器 可擦写 1000 次 以上 而新工艺 AVR 器件 程序存储器擦写可达 10000 次以上 因此大 家可以放心的实验和调试下载程序 AVR 单片机有丰富的外设 如 RTC WATCHDOG AD 转换器 PWM UART 接口等 部分型号还可以使用片内振荡器提供系统 1 8 MHz 的系统时钟 使该类单片机无外加晶振器件即可工作 I O 口功能强 驱动能力大 AVR 单片机的 I O 口是真正的 I O 口 能 正确反映 I O 口输入 输出的真实情况 I O 口有输入 输出 三态高阻 输入 也可设定内部拉高电阻作输入端的功能 以便于各种应用所需 工 业级产品 具有大电流 灌电流 10 40mA 可直接驱动可控硅 SSR 或继 电器 节省了外围驱动器件 具有较大容量 E2PROM 有可擦写 10 万次的 E2PROM 为掉电后 数据的保存带来方便 来电后能记住掉电时的工作状态 E2PROM 容量 为 64B 4KB AVR 是低功耗单片机 具有休眠省电功能 Power Down 及闲置 Idle 低功耗功能 一般耗电在 1 2 5mA 对于典型功耗情况 WDT 关 闭时为 100nA 更适用于电池供电的应用设备 有的器件最低 1 8V 即 可工作 高度保密性 不可破解的位加密锁 Lock Bit 技术 且具有多重密 码保护锁死 Lock 功能 AVR 单片机摆脱了 51 系列中对累加器 ACC 的依赖 那么也 就解决了 51 系列的执行指令的 瓶颈 问题 这也是 AVR 单片机能 够高速运算的一个原因 18 3 3 AT Mega16 单片机 本文采用 AVR 单片机中的高端产品系列 AT Mega 系列中的 AT Mega16 单片机作为系统的控制器 AT Mega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微 控制器 由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间 AT Mega16 的数据吞吐率高达 1 MIPS MHz 从而可以缓减系统在功耗和 处理速度之间的矛盾 3 3 1 AT Mega16 特点 16K 字节的系统内可编程 Flash 具有同时读写的能力 即 RWW 512 字节 E2PROM 1K 字节的 SRAM 32 个通用 I O 口线 32 个通用 工作寄存器 用于边界扫描的 JTAG 接口 支持片内调试与编程 三 个具有比较模式的灵活的定时器 计数器 T C 片内 外中断 可编程串 行 USART 有起始条件检测器的通用串行接口 8 路 10 位具有可选 差分输入级可编程增益的 ADC 具有片内振荡器的可编程看门狗定时 器 一个 SPI 串行端口 以及六个可以通过软件进行选择的省电模式 工作于空闲模式时 CPU 停止工作 而 USART 两线接口 A D 转换 器 SRAM T C SPI 端口以及中断系统继续工作 掉电模式时晶体 振荡器停止振荡 所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作 在 省电模式下 异步定时器继续运行 允许用户保持一个时间基准 而 其余功能模块处于休眠状态 ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了 异步定时器与 ADC 以外所有 I O 模块的工作 以降低 ADC 转换时的 开关噪声 Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行 其余功能模块 处于休眠状态 使得器件只消耗极少的电流 同时具有快速启动能力 扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作 同时芯片还使用了 Atmel 高密度非易失性存储器技术进行生产 片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口 或者通用编程器进 行编程 也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程 引导 程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash 存储区 19 Application Flash Memory 中 在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash 区 Boot Flash Memory 的程序继续运行 实现了 RWW 操作 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内 使 AT Mega16 成为一个功能强大的单片机 为许多嵌入式控制应用提供了灵 活而低成本的解决方案 3 3 2 AT Mega16 封装及管脚定义 芯片有两种封装 本文采用双列直插 DIP 40 封装以及管脚功能 如图 3 1 图 3 1 AT Mega16 管脚配置 3 4 PD6450 与单片机接口设计 PD6450 采用的是非标准四线串行数据输入方式 同时 指令输 入又要求特定的输入时序 这就决定了在接口设计中 不能使用 AVR 20 单片机的串口 只有将 PD6450 的四条数据线与单片机的 I O 引脚进 行接口 并使用这些引脚进行模拟所要求的指令时序 AVR 单片机共有 23 个数字 I O 端口 分成 3 个 8 位的端口 分别 为 B C 和 D 这其中 C 口是 7 位的 同时 这些 I O 端口都是双向 口 每一个端口内部均带有可选的上拉驱动电路 这些引脚除了作为 简单的 I O 引脚又都具有端口第二功能 其第二功能在图 3 1 的括号中 给出 本文中仅需要简单的输入输出功能即可 因此引脚的第二功能在 此不再引述 因为三组端口均为双向端口 并且无需驱动大功率电路 因此选 用 PB 口作为四线的模拟端口 其接口顺序如下 PB0 AVR 1 BUSY PD6450 1 PB1 AVR 2 CLK PD6450 2 PB2 AVR 3 STB PD6450 3 PB3 AVR 4 DATA PD6450 4 3 5 单片机外围电路设计 为保证单片机正常工作需设计单片机最小系统 为实现叠加区域 的手动转移 字符消隐频率的转换 字符大小调整等附属功能 还需 对 AVR 单片机的外围进行设计 3 5 1 AVR 最小系统 AT Mega16 内部集成了 Flash 存储器以及 SRAM 数据存储器 故 在通常情况下不需要扩展存储器 只需在 XTAL1 与 XTAL2 之间接入 0 8MHz 的晶振 并通过 20pF 左右的电容接地为单片机提供时钟 在 RESET 引脚加上低电平复位的复位电路并为单片机加上 4 6V 的 电压 即可保证单片机正常工作 从而构成了单片机的最小系统 其 21 它的外部电路 都是在此基础上发展来的 3 5 2 附属功能实现电路 附属电路的功能是为实现输入视频信号的字符及简单图文信息叠 加后 整体移动显示区域位置 手动切换字符闪烁模式 改变字符大 小 切换内外信号等功能 以上功能均有独立键盘完成 各键功能如下 S1 系统复位 S2 移动显示区域 按一次区域左移一个字符位置 并自动换行 S3 切换消隐模式 每按一下换一种频率 4 次后返回无闪烁模 式 S4 改变中央行字符大小 在最大最小间切换 S5 切换内外信号 初始为外部信号 图 3 2 给出了 AT Mega16 单片机最小系统及外围附属电路图 22 图 3 2 AT Mega16 单片机最小系统 3 6 单片机软件设计 单片机的软件设计是为了正确设置叠加芯片 实现预计功能 本 章着重介绍了软件实现的流程 图 3 3 给出了系统的软件流程 23 系系统统延延时时 6450初初始始化化 转转入入相相应应的的按按 键键子子程程序序 开开始始 等等待待并并判判断断是是否否 有有键键按按下下 是是 否否 图 3 3 系统软件流程 为了保证单片机系统以及叠加系统的稳定复位 在程序的开始阶 段设置了一个系统的延时 保证各芯片稳定上电可靠工作 同时 PD645X 系列芯片的上电稳定时间有所不同 其延时时间 可以随芯 片型号的不同 做相应修改 这种设计增加了系统的可移植性 图 3 4 给出了 6450 初始化的软件流程 从图中我们可以看出 程序是顺序的向下执行的 没有特殊 的要求 但是在设置时需要注意的是对 LC 振荡器以及外部晶振的设 置 要特别注意的是开启的顺序 切记最后开启显示 否则会导致 LC 振荡器关闭 使字符信息无法写入视频 RAM 因为芯片的控制字是采用的 9 位串行输入 在此可以通过在初始 化中反复调用同一个子程序 在寄存器中送入相应代码的方法 这样 做的好处是在调试中可以轻松改变相应代码值 同时还压缩了程序空 间 为系统升级扩展提供了有利的基础 24 视频RAM总清 内外模式选择 外 部晶振控制以及视 频信号制式选择 显示起始位置行 列设定 字符显示区内行列 单元设定 字符尺寸以及放 大字符位置设定 写入显示字符代 码 显示设置 开显示 返回 图 3 4 6450 初始化的软件流程 图 3 5 是键处理子程序的流程图 按键程序均需要去抖 以防止按键中的抖动 对系统产生的影响 系统去抖采用了软件去抖 即在检测到管脚的电平变化后延时一段时 间 再次检测是否有电平变化 无变化说明是正常按键 否则继续判 断 这样就消除了抖动的影响 去抖后 还可以判断键是否释放 如 不加此判断 就可以实现按住键盘 使键功能连续执行的效果 25 判判断断相相应应管管脚脚 是是否否为为0 延时20ms 执执行行相相应应子子程程序序 返返回回主主程程序序 6450初初始始化化 判判断断相相应应管管脚脚 是是否否为为0 按按键键 去去抖抖 判判断断相相应应管管脚脚 是是否否为为1 0 0 1 1 1 0 图 3 5 键处理流程图 部分源程序将在附录中给出 第四章 视频显示技术 4 1 显示设备 视频显示技术随着光电技术的发展 新式电光器件的不断推出也 26 在不断更行发展 现今 主流的显示技术有三种 液晶显示器 LCD 等离子显示 板 PDP 阴极射线管 CRT 液晶显示器 液晶显示器 Liquid crystal display LCD 主要构成材料为液晶 所谓液晶就是在某一温度范围内 从外观 上看属于具有流动性的液体 但同时又是具有光学双折射性的晶体 液晶可分为层列 向列 胆甾晶体等几大类 液晶的显示技术 是应用了其各向异性的性质 来实现的 通过 选择性的扫描电机与信号电极组成的任意交点 象素 上施加电压 即可实现对字符 图形 电视画面的显示 等离子板显示器 等离子板显示器 Plasma display panel PDP 利用气体放电发光进行显示的平面显示板 可以看成是由大量小 型日光灯排列构成的 所谓的等离子体是指由正负电荷共存 处于电 中性的放电气体的状态 PDP 中如上所述的小荧光灯 称为放电胞 胞中封闭了放电气体 通过放电气体与胞内壁的荧光涂层作用 产生 三基色可见光 再通过三基色的组合 在视觉上产生丰富多彩的颜色 阴极射线管 阴极射线管 Cathode ray tube CRT CRT 的最早应用是在上世纪 30 年代的早期示波器中 现今彩色 CRT 仍广泛应用于电视显像管中 能在如此之长的时间内经久不衰 我们可以很明显的看出其优势 即可以在相对低的价格下获得所需的 各种功能与性能 并且 可以进行大画面高密度的显示 同时 CRT 的 电子束扫描方式 与其他电子显示矩阵阵列的扫描方式不同 所需的 驱动电极数极少 同时在显示效果上 CRT 也处于有利地位 显示亮度 可以随要求调节 在同等的亮度要求下 CRT 是最三种介绍的显示技术 中 最廉价并且调节范围最大的 综合考虑以上因素后 本文决定采用 CRT 作为显示的终端系统 接下来将对 CRT 显示的实现做简单论述 27 4 1 1 CRT 显示技术 本文采用的仅是单色 CRT 所以这里所提到的均指单色 CRT 而言 彩色 CRT 不作为研究对象 其主要组成部分为 圆锥形玻璃壳 荧光屏 玻璃壳中的电子枪 系统 玻璃壳外的磁轭 如图 4 1 所示 图 4 1 单色 CRT 原理 在电子枪中 阴极被灯丝间接加热 当加热至温度接近 2000K 时 阴极便大量发射电子 电子束经加热 聚焦后轰击荧光屏 使之发出 可见光 电子束的电流是受显示信号控制的 信号电压高 电子束的 电流也越高 荧光体发光亮度也越高 通过偏转磁轭控制电子束在荧 光屏上扫描 就可以将一幅图像或文字完整地显示在荧光屏上 4 1 2 CRT 扫描方式 文字及图像都是由一个个成为像素的点构成的 使这些点顺次显 示的方法成为扫描 一般 CRT 的电子束扫描是由偏转磁轭进行磁偏转 28 控制的 光栅扫描方式在垂直方向上是从左上向右下的顺序进行扫描 扫 描有两种方式分别是 顺序扫描 逐行扫描 和飞跃扫描 隔行扫描 其扫描路径如图 4 2 所示 图 4 2 CRT 扫描方式 逐行扫描时 需要带宽很高 使得频带的使用率降低 增加了系 统的复杂性 所以在实际系统中多采用隔行扫描的方式来降低图像信 号的频带 隔行扫描就是把一帧画面分成两场来扫描 第一场扫奇数行 1 3 5 第二场扫偶数行 2 4 6 图 4 2 以 7 行为例 两 场扫描行组成的光栅相互交叉 构成一整幅画面 为了简明起见 我们忽略了扫描的逆程 只关注扫描的进程 在 第 7 行扫描过一半之后 奇场扫描结束 偶场扫描开始 故第 7 行的 后一半挪到偶场开始扫描 这样就是在光栅上端的中点开始的 结果 使偶数行正好插在奇数行之间 两场组成了一个光栅 4 1 3 CRT 显示器驱动电路 电路结构如图 4 3 所示 主要包括视频电路 偏转电路 高压电 路 电源电路等基本电路 以及所选择的动态聚焦电路 水平偏转电 路等 29 图 4 3 CRT 显示器驱动电路 4 2 视频制式 视频信号是一种模拟信号 由视频模拟数据和视频同步数据构成 用来使接收端正确地显示图像表示的图像信息 信号的细节取决于应 用的视频标准或者称为 制式 NTSC 美国全国电视标准委员会 National Television Standards Committee PAL 逐行倒像 Phase Alternate Line 以及 SECAM 顺序传送与存储彩色电视系统 是法国采用的一种电视制式 SEquential Couleur Avec Memoire 通常 一个视频信号是由一个视频源生成的 比如摄像机 VCR 或者电视调谐器等 为传输图像 视频源首先要生成一个垂直同步信 号 VSYNC 这个信号会重设接收终端设备 保证新图像从屏幕的 顶部开始显示 发出 VSYNC 信号之后 视频源接着扫描图像的第一 行 完成后 视频源又生成一个水平同步信号 重设接收端 以便从 屏幕左侧开始显示下一行 并针对图像的每一行 都要发出一条扫描 线 以及一个水平同步脉冲信号 另外 NTSC 标准还规定视频源每 秒钟需要发送 30 幅完整的图 帧 假如不作其它处理 闪烁现象会 非常严重 为解决这个问题 每帧又被均分为两部分 每部分 262 5 行 一部分全是奇数行 另一部分则全是偶数行 显示的时候 先扫 30 描奇数行 再扫描偶数行 就可以有效地改善图像显示的稳定性 减 少闪烁 PAL 制式 是由西德在 1962 年指定的彩色电视标准 我国采 用的是 PAL D 制式 要想电视等设备显示出一幅完整的图像 都是由一个个的像数点组 成 只有 R G B 信号是不够的 你还得告诉电视这个像数点该在屏幕 的什么位置显示 显示何种颜色是由 R G B 信号决定 应该在屏幕 的那里显示就是由行场同步信号 H V SYNC 决定的 为了大家比较好 理解 这里就不谈具体原理 简单的说 一个像数点的在水平方向的 位置是由行同步信号 H 决定的 垂直方向的位置由场同步信号 V 决 定 同时 行场同步信号还决定画面的垂直分解率和一秒内所显示的 帧数 将行同步信号和场同步信号复合在一起成为一个信号就称复合 同步信号 4 3 视频信号显示电平 I R E 单位是国际无线电工程师学会制定的国际通用电视电平计算 法 它以消隐电平为零电平基准点 向上将 0 7V p p 值 的视频信 号分为 10 等分 以 100I R E 700mV 为计量单位 向下将 0 3V p p 值 的同步信号分为 4 等分 每一单元为 10IRE 该计量方式以整数 为单位 非常方便 所以这种计量方法广泛应用于电视电平的计算中 通常我们将视频的输出幅值定为 75I R E 即输出电平峰值为 0 525V 可以据此来调节变阻器的值 或者采用最直接的方法就是 在叠加显 示时 调节至使用者满意的亮度 实验表明 当输出电平为 90I R E 时 显示效果最好 即输出电平幅值为 0 63V 31 第五章 结果分析 至此 我们已经将由 PD6450 与 AVR 单片机组成的视频叠加系 统的相关内容进行了详细的介绍 以下对系统进行总结 给出实验结 论 5 1 系统实物 图5 1 图5 2是系统实物图 32 图 5 1 PD6450 视频叠加系统 图 5 2 PD6450 视频叠加系统 5 2 实验结果 将程序通过 AVR 单片机的下载功能 烧录至芯片内部集成的 Flash 存储器内 实现了系统的脱机使用 将摄像头输出复合视频信号通过视频屏蔽线送入莲花座红色插座 白色插座为叠加视频输出 也通过屏蔽线连接至 CRT 监视器 正确连接电源 检查电路有无短路现象 上电 系统延时阶段 视频信号应无叠加输出 如图 5 3 系统延时结束 33 后 单片机将会对叠加芯片进行设置 待初始化程序运行结束后 所 要叠加字符就会出现在屏幕左上角图 5 3 此时 我们就可以通过功能 键进行设置 如图 5 4 在按住 S2 键后 将左角的字符叠至屏幕中央 再按 S5 键切换为内部信号模式 为能清楚比较 字符大小的改变 显示字符切换为如图 5 5 所见 形式 这时按 S4 键 将中间行字符变为其它行的两倍 图 5 6 再按 S4 键字符恢复图 5 5 所示 图 5 3 叠加于左上角 34 图 5 3 使用内部信号字符叠加于中央 我们可以看出 在内部信号模式下 未经调节输出电平 则显示相对外部模式要暗许多 图 5 4 单倍字符尺寸 图 5 4 四倍字符尺寸 在经过了四倍放大后 原字符的顺序也随之发生了变化 这是由于单个字符变大 占用 了原字符的空间 使得排列顺序改变 35 结结 论论 本文论述了基于视频叠加芯片 PD6450 与新型单片机 AT Mega16 的视频叠加系统 实现了字符信息的正确显示 显示位置的自定义功 能 可有目的的对字符进行设置 以达到各种环境的使用要求 此种 系统可广泛应用于电视显示 监控系统叠加信息等领域 本套视频叠加系统已经制作并调试完毕 实现了最初设定的基本 功能 如果进行定性测试 足以满足实际要求 但由于时间关系 系 统还有很多地方需要进一步提高性能 首先 字符只能预先进行设定 不能随情况进行脱机的转换 这 给变换显示字符 带来了很大的麻烦 每次都要重新擦写芯片 其次 不能将芯片的功能 使用键盘进行全部的设置 仅仅实现 了一少部分较简单功能 复杂功能只有靠重新写入程序的方法来实现 在后续的工作中要对系统进行如下改进 以提高系统使用性 构 建一个矩阵编码键盘 设置相关的功能键 实现脱机输入字符编码 进行字符的转换等 在科技日新月异的当今社会 高尖端的技术将越来越发挥其无可 比拟的力量 将会有更多的高性能 高品质的电子产品展现在公众面 前 不仅能提高人们的生活质量 还为人们的生活带来了方便与快捷 这都与科学工作者的辛苦努力分不开 谨在此对科学工作者致以最崇 高的敬意 36 参考文献参考文献 1 NEC Corporation PD6450Data sheet J Ic 2320a 1990 2 National Semiconductor Corporation LM1881 Data sheet J DS009150 2001 3 Atmel Corporation AT Mega16 Data sheet J 248ps avr 2002 4 杨吉祥 智能仪器 M 南京 南京工学院出版社 1986 5 杨永才 何国兴 马