基于DSP的漢字及圖形疊加實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的字符疊加都是使用專用的OSD芯片，一般價(jià)格較高，而且通常只能實(shí)現(xiàn)英文字母和數(shù)字的疊加，使用不靈活，還要占用較多的PCB板空間，故障率也較高。

這里介紹的字符疊加方案是基于TI的2000系列DSP的，經(jīng)過(guò)調(diào)試驗(yàn)證效果良好。

TMS320F2812是TI新近推出的高性能定點(diǎn)DSP，內(nèi)部集成的EV模塊使它很適用于高性能的電機(jī)控制應(yīng)用場(chǎng)合。如要求高精度、高速的云臺(tái)和機(jī)床等。以云臺(tái)為例，通常需要隨著電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)顯示角度、坐標(biāo)、距離等信息，以及一些簡(jiǎn)單的控制菜單，甚至可能要疊加簡(jiǎn)單的地圖。用通常的OSD芯片根本無(wú)法完成如此復(fù)雜的涉及任意圖形的疊加。而該疊加方案巧妙利用了2812的內(nèi)部資源――SPI串口模塊，實(shí)現(xiàn)了這些內(nèi)容的疊加。

圖形疊加是把視頻信號(hào)的每一行虛擬分成H個(gè)點(diǎn)，垂直分為V行，疊加圖像就是H×V分辨率的單色位圖。利用視頻信號(hào)提取出的復(fù)合同步信號(hào)及場(chǎng)同步信號(hào)，確定疊加圖像的有效點(diǎn)（即需要覆蓋掉原視頻圖像的點(diǎn)），在這些點(diǎn)把視頻信號(hào)切換到一個(gè)固定電平（可以由DSP控制）即可實(shí)現(xiàn)視頻疊加。

該功能模塊主要由四部分組成：復(fù)合視頻信號(hào)交流耦合及直流恢復(fù)、視頻同步信自成提取、視頻疊加灰度控制、視頻切換疊加。下面對(duì)各部分及軟件實(shí)現(xiàn)做簡(jiǎn)要的描述。

視頻信號(hào)交流耦合可以對(duì)前后級(jí)形成有效的隔離以起到很好的保護(hù)作用。但交流耦合后的復(fù)合視頻信號(hào)會(huì)丟掉原信號(hào)的直流分量，導(dǎo)致丟失一部分背景亮度信息。而交流耦合帶來(lái)的最嚴(yán)重的問(wèn)題是：信號(hào)直流成分的丟失會(huì)導(dǎo)致同步頭的上下漂移，使信號(hào)同步信息丟失。

圖1交流耦合視頻信號(hào)示意圖

從圖1可以看到交流耦合后的信號(hào)是趨于平均電平對(duì)齊的，對(duì)不同亮度背景的信號(hào)，同步頭電平差異很大，無(wú)法通過(guò)與一個(gè)固定的參考電平進(jìn)行比較來(lái)提取同步信息。

于是需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行直流恢復(fù)，這里采用三極管鉗位電路（圖2）。三極管鉗位電路具有成本低、控制靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。這里鉗位電路起到的作用就是將視頻信號(hào)的低電平自動(dòng)（即同步信號(hào)）對(duì)齊。為使峰值1V的視頻信號(hào)比較適合后續(xù)3.3V供電系統(tǒng)作處理，將視頻信號(hào)的低電平設(shè)置為1.1V（高電平為2.1V，相對(duì)3.3V電源，上下均有1.1V左右的電平裕量），于是R29與R30分壓為1.1V+0.7V＝1.8V。由此確定R29與R30值分別為4.7K和3.6K。

圖2直流恢復(fù)－鉗位電路

恢復(fù)后的視頻圖像如圖所3示：

圖3直流恢復(fù)后的視頻信號(hào)示意圖

這樣便完成了視頻信號(hào)的直流恢復(fù)�？梢院苋菀椎挠煤�(jiǎn)單比較器電路提取同步信息。另外，采用鉗位電路的另一個(gè)好處是，75歐負(fù)載是在耦合電容前面，耦合電容后面的本地視頻信號(hào)所在的網(wǎng)絡(luò)阻抗很大（約30K），只需要1uF的磁片電容就可以實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的良好耦合――有效帶寬與75歐電阻配400uF電解電容相當(dāng)。這就大大縮小了耦合電容的體積，并提高了電容壽命。

復(fù)合同步主要用于行同步，比較容易提取，只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的積分濾掉高頻雜波，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)比較電路就能得到。傳統(tǒng)的場(chǎng)視頻信號(hào)提取是利用濾波和微分電路實(shí)現(xiàn)的，那種方式不容易實(shí)現(xiàn)場(chǎng)同步信號(hào)與復(fù)合同步信號(hào)的嚴(yán)格對(duì)齊，會(huì)造成疊加內(nèi)容的上下抖動(dòng)。這里使用了一種其它的方法――利用前面得到的復(fù)合同步脈沖里的槽脈沖經(jīng)過(guò)一點(diǎn)簡(jiǎn)單的處理即可得到場(chǎng)同步信號(hào)。因?yàn)椴勖}沖的寬度為29.65us，而行同步頭寬度只有4.7us。所以用一個(gè)積分電路和一個(gè)比較電路就能由復(fù)合同步信號(hào)提取出場(chǎng)同步信號(hào)――圖4的R35和C48就是該積分電路，時(shí)間常數(shù)取介于4.7us與29.65us之間的15us（時(shí)間裕量較大），于是取值分別為15K與1nF。另外，通過(guò)計(jì)算還找到一個(gè)合適的值，使場(chǎng)同步信號(hào)提取與復(fù)合同步信號(hào)提取使用同一個(gè)參考電平以減少元器件。提取的同步脈沖直接送到2812的中斷輸入引腳。圖4為同步信號(hào)提取電路圖：

圖4同步脈沖提取電路

比較器不需要速度很快，只需延遲時(shí)間一致就可以，于是采用低成本的雙路比較器LM2903。

圖5疊加灰度控制電路

視頻疊加是通過(guò)快速在視頻圖像與灰度電平之間切換實(shí)現(xiàn)的。圖像背景不同，往往需要改變疊加內(nèi)容的灰度才能達(dá)到理想的視覺(jué)效果。于是利用2812剩余的一路PWM信號(hào)積分后代替DA來(lái)產(chǎn)生灰度電平（兩個(gè)電機(jī)控制使用4個(gè)PWM腳，還剩余2個(gè)）。初步積分地需選用前面的數(shù)字地，以保障流暢的PWM信號(hào)回路（數(shù)字部分）。對(duì)1MHz的PWM信號(hào)，可以取R26、C45的值為1K與0.1uF，使輸出紋波低于5mV。然后再經(jīng)過(guò)一級(jí)針對(duì)模擬地的RC濾波，使輸出灰度電平紋波達(dá)到uV級(jí)。

疊加通過(guò)一個(gè)視頻切換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，為減少原視頻信號(hào)失真，選用TI的帶寬達(dá)300MHz的視頻切換芯片TS3V330，并且使用兩路并連以提高導(dǎo)通電阻的一致性。該芯片通道切換時(shí)間低于10ns，可以很好的滿足應(yīng)用需求。具體電路如下圖6所示：

圖6切換疊加電路

疊加功能中視頻信號(hào)與固定電平的切換是通過(guò)DSP自帶的SPI口完成的。2812的SPI最大傳輸比特率為37.5Mb/s，并且SPI模塊自帶16級(jí)16位的FIFO。這里顯示水平分辨率H剛好可以取256，可以滿足一般顯示應(yīng)用需求，而且剛好能利用SPI模塊的FIFO實(shí)現(xiàn)每行僅進(jìn)行一次SPI寫操作，極大的減少了CPU占用時(shí)間。DSP每次檢測(cè)到復(fù)合同步脈沖觸發(fā)的硬件中斷，進(jìn)行一次對(duì)SPI　FIFO寫的操作，檢測(cè)到場(chǎng)同步中斷即進(jìn)行行數(shù)清0的操作。按照每64us進(jìn)入中斷進(jìn)行一次16字（16bit*16）的搬移計(jì)算，CPU占用量不及1%。

垂直分辨率V取256，奇偶場(chǎng)不需區(qū)分――也就是相鄰幀的同一行疊加內(nèi)容相同，這樣在滿足應(yīng)用需求的前提下可以減少奇偶場(chǎng)判斷所需的軟件資源。對(duì)PAL制和NTSC制信號(hào)，可以取V的一部分，即有效疊加內(nèi)容少于256行。

我們采用的DSP（TMS320F2812）內(nèi)帶128k×16bit的FLASH和18k×16bit的RAM。利用64k的FLASH裝載一級(jí)漢字庫(kù)及ASC字形庫(kù)和一個(gè)4k的自定義LOGO或其它圖形。其余64k裝載程序。為減少字符疊加及疊加內(nèi)容維護(hù)占用DSP的計(jì)算量，給字符疊加專門分配一塊4k×16bit的RAM作為OSD緩存。只有疊加內(nèi)容需要更改的時(shí)候才對(duì)RAM內(nèi)容進(jìn)行寫操作。

該方案所需的軟件涉及的內(nèi)容較少也比較簡(jiǎn)單。主要是兩個(gè)中斷函數(shù)，里面執(zhí)行一些簡(jiǎn)單的行數(shù)處理和對(duì)SPI　FIFO的寫操作。另外還涉及一些字符處理的子函數(shù)，如在某個(gè)位置疊加/清除一個(gè)字符以及滿屏圖像疊加和清屏等。這些子函數(shù)是對(duì)RAM內(nèi)圖形緩沖進(jìn)行寫操作，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很低，管理起來(lái)也很方便。

目前該方案的軟硬件都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，占用DSP資源少，效果良好，字符穩(wěn)定。不會(huì)影響電機(jī)控制，DSP還有非常大的計(jì)算裕量。單字符及圖形疊加模塊增加的成本只有不足5RMB，極大限度的利用了2812的剩余資源。該方案也可修改后用低成本的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

圖7最終疊加效果圖