船用OSD和雙絞線傳輸系統的模塊化設計

彭曉鈞，李文甫

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064;2.中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

在船用測控系統中，需要在不同通道的模擬視頻信號中混入船只的不同類型的實況信息數據，進而在測控中心監視器的指定位置上實現與圖像信號的同時顯示(On－Screen Display，OSD)。這樣就可以為測控設備提供必要的提示信息，作為數據分析與解算的依據[1]。

隨著多信息綜合布線系統的快速發展及普及，在船用環境中采用雙絞線傳輸視頻基帶信號的技術越來越受到重視。但視頻信號在雙絞線中傳輸時常遇到“頻率失真”問題，其特點是:1)低頻衰減最小，頻率越高衰減越嚴重;2)雙絞線越長，頻率失真越嚴重，雙絞線長度加倍，衰減的分貝數加倍。因此，雙絞線傳輸設備的基本作用就是提供一定的放大增益，補償雙絞線的傳輸衰減。

基于船用測控系統的特定需求，本文設計了一套多路視頻字符疊加和雙絞線傳輸系統。將用戶感興趣船只的相關數據疊加到指定的視頻信號上，然后經由采用有源差分信號發送放大器和接收器搭建的雙絞線視頻傳輸系統，可將視頻信號傳輸至1～2 km，圖像質量接近光纖傳輸的效果。

1 系統的硬件組成、接口及主要功能

1.1 系統組成

船用OSD和雙絞線傳輸系統組成框圖如圖1所示。主要包括MCU(Micro－programmed Control Unit，微程序控制器)、多路視頻字符疊加模塊、多機通信模塊和雙絞線視頻基帶傳輸模塊。

圖1 船用視頻切換及雙絞線視頻基帶傳輸系統組成框圖

1.2 各模塊的功能與特性

綜合考慮系統的硬件設計需求，MCU選用PIC16F877A，它是整個系統的核心，控制多路視頻的字符疊加，同時負責與前端的3個探測器進行實時RS－485通信。

多路視頻字符疊加模塊基于MAX7456搭建。它負責將前端探測器傳送過來的船只的各種信息，諸如船橫搖(縱搖、升沉)的角度、工作目標位置流速(流向等)、當前位置流速(流向)、船只當前航速(節)、當前位置(經緯度)，還包括人工測量的各項數據，如表面流速(流向)、海水水溫、潮汐潮高等，分別疊加到不同的視頻上，最終傳輸到監控中心的DVS(Digital Video Server，網絡視頻服務器)[2－3]，并可根據需要顯示到不同的監視器上。

多機通信模塊基于GM8123設計。通過SN65176分別與前端的探測器相連接，即可實現MCU與多個探測器的實時RS－485通信。

雙絞線視頻基帶傳輸模塊由視頻發送和視頻接收組成。其中，視頻發送包括非平衡－平衡轉換和驅動，視頻接收包括接收匹配補償及平衡－非平衡轉換。

2 系統的硬件設計

2.1 多路視頻字符疊加模塊的電路設計

在本系統中，相鄰的3路視頻信號和3路探測器信號組成一個“前端模塊”，經由雙絞線傳輸至監控中心的DVS。理論上，可根據需要及DVS的輸入視頻通道數擴展多個這樣的“前端模塊”。

MAX7456是單通道OSD發生器，用戶可以方便地利用它在動態視頻上疊加定制的字符和圖形[4]。其不需要外部視頻驅動器、同步分離器和視頻開關，大大降低了系統成本。另外，MAX7456預裝了256個字符和圖形，并可通過SPI接口在線編程，這樣，用戶可根據需要任意調用或改寫其上的字符存儲器中的內容。

MAX7456提供一個TTL時鐘輸出(CLKOUT)，可驅動另一個MAX7456的CLKIN引腳。使用外部時鐘驅動器可驅動兩個或多個MAX7456元件。這樣，即可通過一片帶有晶振的MAX7456為多個MAX7456元件提供時鐘信號。MAX7456極大地簡化了視頻字符疊加器的設計，有效克服了傳統視頻字符疊加器的缺點，提高了系統的可靠性，降低了系統成本。

多路視頻字符疊加模塊的主要電路可參見文獻[5]中的圖25。

2.2 多機通信模塊的電路設計

每個前端模塊包括3個探測器，它們均通過RS－485總線不定時地與MCU進行數據交換。考慮到這種通信的“隨機性”，采用GM8123和SN65176搭建了多機通信模塊。GM8123芯片的外部控制少、應用靈活、編程使用簡單，可為用戶提供最簡單和高性能的串口擴展方案。這樣，3個探測器可同時與MCU進行數據交換。多機通信模塊的主要電路如圖2所示。

2.3 雙絞線傳輸模塊的電路設計

圖2 多機通信原理圖

為解決視頻信號在雙絞線介質中傳輸時所遇到的“頻率失真”問題，在設計視頻傳輸模塊時，應保證其“補償特性”與雙絞線的“頻率失真”特性相反、互補，即“補償特性”應該是:視頻傳輸模塊的增益必須具有“頻率越高增益越大”的基本特點。只有這樣，才能實現視頻信號特性的真正恢復。同時考慮到每個前端模塊中的視頻通道數，選用 EL5371[2]和 EL5372[3]來搭建視頻傳輸模塊。EL5371是差分信號發送放大器，可同時完成3路非平衡信號到平衡信號的轉換。EL5372是差分信號接收放大器，可同時完成3路平衡信號到非平衡信號的轉換。另外，它們的增益均由外接電阻設定，因此可根據不同的現場應用環境靈活地調整視頻信號的電壓增益。

基于EL5371和EL5372的雙絞線視頻基帶傳輸模塊如圖3所示。

圖3 基于EL5371和EL5372的雙絞線視頻傳輸系統組成框圖

圖3中，EL5371的電壓增益由外接電阻RF和RG設定，計算公式為

EL5372的電壓增益由外接電阻RF和RG設定，計算公式為

3 系統的軟件設計

系統程序同樣采用模塊化設計，由主程序、系統初始化子程序、中斷判斷及子串口選擇子程序、信息接收子程序和字符疊加子程序等模塊組成[6]，主程序流程圖如圖4所示。

4 試驗結果

在溫度為41℃、濕度為92%的船用環境中，經雙絞線傳輸950 m后，測控中心監視器得到的視頻截圖如圖5、圖6所示，所有視頻清晰流暢、無拖尾，字符醒目、無閃爍。

5 結論

船用環境下的試驗結果表明:本系統工作穩定可靠，完全滿足船用測控系統的需求，同時也順應了多信息綜合布線技術的發展潮流。設計采用模塊化方式，硬件系統具有集成度高、穩定性好、抗干擾能力強、后期維護方便的特點。

另外，本系統中的各個子模塊具有良好的可移植性，比如“多路視頻字符疊加模塊”可廣泛應用于任意的“需要在模擬視頻信號中混入信息數據”的場合，“雙絞線傳輸模塊”適用于任何需要進行“非平衡－平衡轉換”和“平衡－非平衡轉換”的應用。

[1]彭曉鈞，吳敏淵，王衛平，等.基于雙線陣CCD的EPC/CPC測量系統的電路設計與實現[J]. 光電子技術，2006，26(1):57－61.

[2]STIPANICEV D，MARASOVIC J.Networked embedded greenhouse monitoring and control[C]//Proc.2003 IEEE Conference on Control Applications.Istanbul:IEEE Press，2003:1350－1355.

[3]ARJESH K，SRIDHARAN K，SRINIVASAN K.The design and development of a web－based data acquisition system[J].IEEE Trans.Instruction and Measurement，2002，51(3):427－432.

[4]汪輝，王昌明，宋高順，等.基于MAX7456的字符疊加系統設計[J].電子設計工程，2010，18(7):181－183.

[5]MAX7456.Single－channel monochrome on－screen display with integrated EEPROM[EB/OL].[2012－02－20].http://datasheets.maxim－ic.com/en/ds/MAX7456.pdf.

[6]彭曉鈞，何平安，袁炳夏.基于CPLD的線陣CCD驅動電路設計與實現[J]. 光電子·激光，2007，18(7):803－807.