在船舶交管和樓宇保安等視頻監(jiān)控中，為了快速判斷某圖像來自何時何處，通常會在圖像上疊加時間地點信息，這些信息一般是若干個字符。完成此功能的字符疊加器一般采用分立的集成電路或專用OSD芯片來實現(xiàn)。本文提出一種基于CPLD的簡易字符疊加器，具有成本低、抗干擾性能好等特點，適用于視頻監(jiān)控。由于采用了CPLD器件，增強了系統(tǒng)集成度和設計靈活性。

系統(tǒng)組成及基本原理

這種字符疊加器的系統(tǒng)方框圖如圖1所示。圖中CPLD采用ispLSI1016，完成地址生成、總線切換、并串轉換、地址鎖存等核心功能。外圍器件還包括微控制器、顯示緩存RAM、以及RS-232串口電平轉換芯片等。

其中，字符時鐘提供CPLD固定的時鐘信號，以保證CPLD在一定的時序下正常工作，并產(chǎn)生視頻疊加所需的各種信號。微控制器采用AT89C52，其在場同步脈沖的外中斷觸發(fā)下，在視頻信號回掃消隱期間，接收上位PC機通過串口下傳的字符信息，寫入顯示RAM中。也可根據(jù)上位PC機的指令將固化在其內(nèi)部FLASH ROM中的點陣字符信息直接寫入顯示RAM中。場、行同步脈沖是字符顯示的基準，所以輸入的視頻信號先經(jīng)同步分離電路分離出場、行同步脈沖。視頻同步分離器采用LM1881，該芯片能夠分離出PAL、NTSC、SECAM制式視頻信號中的復合同步信號、場同步信號、消隱信號、奇偶場信號。此芯片也適用于非標準的視頻信號。視頻切換是將兩路視頻信號合成為一路視頻信號，若對于數(shù)字信號可采用數(shù)據(jù)選擇器，但對于模擬信號來說，只能采用模擬開關，其原理如圖2所示。當沒有字符控制信號的時候，將視頻輸入X0和輸出X短路，即視頻信號直通，若此時字符控制信號輸入端有字符信號時，則將輸出端X與可調節(jié)的固定電平X1相連。本設計中采用的是CD4066，顯示緩存RAM采用普通的8位RAM。RS-232串口電平轉換采用MAX232。

CPLD芯片的內(nèi)部邏輯設計

CPLD內(nèi)部電路主要由定時、并串轉換、地址總線切換以及地址鎖存等組成。

定時部分

該部分由八分頻器、行計數(shù)器、列計數(shù)器以及消隱處理單元組成。

由于CPLD器件內(nèi)部未內(nèi)置時鐘振蕩器，所以其主振信號采用外部已經(jīng)整形的脈沖信號。此設計中采用了帶驅動的方形石英振蕩器。通過計算，點時鐘脈沖應該為8MHz左右。

將外部產(chǎn)生的時鐘脈沖作為最高點脈沖。由于RAM的數(shù)據(jù)總線寬度是8位，這里將點脈沖進行8分頻，得到字符脈沖，完成此功能的是一個3位同步計數(shù)器。然后再對字符時鐘進行6位二進制計數(shù)，即列計數(shù)，由此可以知道一行橫向最多可以顯示64個英文字母或者32個漢字(受到CPLD容量和顯示RAM空間的限制)，完成此功能的是一個6位同步計數(shù)器。以上兩個計數(shù)器的清零端接外部的行同步脈沖的反相信號。當行同步信號到來的時候，掃描進入回掃期，這時兩個計數(shù)器都清零并不再計數(shù)，直到行同步信號消失。6位同步計數(shù)器計滿需要52μs，正好與我國電視標準掃描正程時間相等。對其用外部行同步信號清零，則可以保證產(chǎn)生的字符信號與外部視頻信號保持同步。此外，再用一個9位同步計數(shù)器來完成對行同步脈沖的計數(shù)，并用視頻信號的場同步脈沖反相信號對其清零，該行同步計數(shù)器取值應小于312。最后，將行計數(shù)器和列計數(shù)器的輸出依次接在顯示RAM地址線上，建立起掃描時刻和顯示RAM單元的聯(lián)系，即顯示RAM成了屏幕顯示的映象。當掃描線掃到某固定位置，同時讀出顯示RAM相應單元的數(shù)據(jù)，這樣就可以在屏幕上任意位置顯示字符。

并串轉換部分

該部分由并串轉換單元和字符輸出單元組成。

因為顯示RAM的數(shù)據(jù)寬度是并行8位，所以為了視頻疊加需要把它轉換成串行的視頻數(shù)據(jù)流，即需要一個并串轉換電路。本文電路由一個帶置數(shù)端的8位移位寄存器構成。當8分頻的字符時鐘到來時，將數(shù)據(jù)總線上顯示RAM送出的8位字符數(shù)據(jù)存入寄存器，隨后用點脈沖將數(shù)據(jù)逐一移出。為了保證在掃描回程中沒有視頻信號出現(xiàn)，字符輸出單元將串行的視頻數(shù)據(jù)流和行同步、場同步以及地址切換信號相與后再輸出字符信息。 地址總線切換部分

由于并串轉換部分需要不斷從顯示RAM中讀取數(shù)據(jù)，以便轉換成相應的視頻數(shù)據(jù)流，同時微控制器也需通過隨時修改顯示RAM中的內(nèi)容以達到改變屏幕顯示的目的，顯示RAM需要能夠處理兩條總線上的內(nèi)容。為了使只有一條數(shù)據(jù)地址總線的普通RAM能夠處理兩條總線上的數(shù)據(jù)，需要有地址信號切換電路，這里選用雙16位數(shù)據(jù)選擇器。為了屏幕顯示不受總線切換的影響，則要求總線切換必須在掃描逆程進行。 地址鎖存部分

由于MCS-51系列的微控制器總線是數(shù)據(jù)地址復用的，而本設計中的微控制器采用的又是總線控制方式，所以地址和數(shù)據(jù)信號需要采用鎖存器進行分離。在本設計中，將鎖存器也置入CPLD內(nèi)部，從而使外部的電路變得更簡單。

對于該CPLD芯片的邏輯設計一般可采用硬件描述語言VerilogHDL或VHDL來完成，亦可采用如本設計中的原理圖輸入法來完成。

微控制器程序的設計

初始化程序主要用于系統(tǒng)的初始化配置、開放外中斷及對顯示RAM的清除，其流程及外部中斷子程序流程圖如圖3、圖4所示。

實踐證明，通過以上硬件和軟件設計，該字符疊加器在視頻監(jiān)控中能夠實現(xiàn)很好的效果。特別是由于采用了CPLD器件，大大增強了設計的靈活性。