基于MAX7456的OSD系統設計與實現

康明星

摘 要：給出了一種基于MAX7456的OSD系統的設計和實現方法，該方法利用ARM7進行配置和控制，并通過RS232及RS485接口實現配置參數的在線修改，可實現在視頻信號中疊加顯示字符、漢字及用戶自定義圖形。

關鍵詞：ARM7；OSD；MAX7456；視頻監控

中圖分類號：TN919.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0052-02

0 引 言

當前視頻監控技術廣泛應用在國民經濟生活的各個領域，在公共安全、交通、監獄、機房等需要大規模集中監控的應用場合，面對動輒多達數百路、乃至上千路的視頻信號，對各路視頻信號來源進行標識以便有效區分各路視頻信號，具有重要的工程應用價值。同時，許多人機界面和視頻播放場合也需要能夠疊加各種圖文信息的技術。OSD是指在視頻信號中疊加字符或圖形，從而在指定屏幕位置與圖像信號同時顯示，屬于視頻疊加技術的一種[1]。OSD的實現主要包括3種方式：第一是基于計算機視頻編解碼技術的軟件實現方式，其特點是需要計算機的支持，占用一定的CPU資源，但顯示參數的改動方便，OSD功能本身不需要額外的成本開銷；第二是基于FPGA或DSP的嵌入式系統實現方式，通過在FPGA內置OSD軟核，或者在DSP中運行OSD算法來實現，這種實現方式在一些采用嵌入式解決方案的視頻服務器、網絡攝像機上比較常見；第三是基于OSD專用集成芯片的硬件實現方式，單片OSD器件可省去大量外圍電路，可有效降低系統設計復雜度和成本，但顯示內容的多樣性受限。

本文給出了基于MAX7456和ARM7的OSD系統設計方案，包括硬件設計與軟件設計兩大部分，并通過實際制作驗證了方案的可行性。

1 系統硬件設計

1.1 系統總體設計

MAX7456是美信（MAXIM）公司推出的集成了EEROM的單通道、單色OSD芯片，其內部EEROM預置了符合NTSC和PAL制式的256個用戶可編程字符，字符大小為12×18像素，可對每個字符進行閃爍、反色和背景控制等操作[2]。MAX7456帶輸出衰減補償功能，具有狀態（STAT）寄存器、顯示存儲器數據輸出（DMDO）寄存器和字符存儲器數據輸出（CMDO）寄存器，用戶可通過SPI接口靈活設置MAX7456的各項參數，比如設置字符類型、尺寸等顯示參數。

系統原理框架如圖1所示，采用意法半導體公司的ARM7微控制器STM32F103C8T6單片機對MAX7456進行參數配置和控制，該ARM7為32位微控制器，最高工作頻率72 MHz，具備工業級穩定性，內置64 KB FLASH和20KB SRAM存儲空間，充足的存儲空間足以滿足MAX7456緩存需求；外設資源非常豐富，配有多達3路UART及2路SPI接口，便于與其他系統交互，提供多種接口供用戶對系統進行參數預設值和在線修改。

圖1 系統原理框圖

1.2 系統電源電路設計

從數據手冊可知，MAX7456采用5 V供電，最大電流約為200 mA。為擴展系統輸入電壓范圍，可采用LM2576-5穩壓芯片提供5 V電壓供給MAX7456。ARM7則采用3.3 V供電，但其工作電流不大，為簡化設計，可采用SPX3819-3.3對5 V電源降壓產生3.3 V電壓供給ARM7，同時也實現了MAX7456與ARM7的電源隔離。SPX3819是一款低壓差穩壓芯片（LDO），其滿載（500 mA）情況下的壓降也僅為340mV。具體電源電路設計如圖2所示。

圖2 系統電源隔離設計電路

1.3 MAX7456電路設計

MAX7456自身時鐘可工作在27 MHz，其SPI接口最高工作頻率為10 MHz，而ARM7的SPI時鐘最大可以達到18 MHz（此時系統時鐘為72 MHz），足以滿足MAX7456的需求。在本系統設計中，ARM7作為SPI通信主機（Master），SPI通信所用的時鐘信號由ARM7的SPI單元輸出。為避免因對MAX7456進行讀寫操作導致OSD輸出圖像出現瞬間變暗現象，ARM7讀寫MAX7456內部寄存器前，先檢測MAX7456的VSYNC引腳，只有該引腳電平為低，才對MAX7456內部顯示存儲區進行寫操作。ARM7的每個I/O引腳均具備中斷功能， MAX7456的LOS引腳接在ARM7的PA0，而PA0具備喚醒功能，當MAX7456出現丟失同步時，LOS輸出置高以喚醒ARM7，再由ARM7進行相應出錯處理。這樣一來，不需要配置MAX7456時，ARM7可處于低功耗模式。

1.4 接口電路設計

所用ARM7外設接口豐富，集成了3個UART、2個SPI、1個CAN，其中SPI1用來與MAX7456通信，UART1用于同PC或其他系統進行RS232通信，UART2用作RS485接口。考慮到帶云臺的視頻監控場合，云臺的控制大多采用RS485，因此設計上預留RS485接口，使得OSD系統可部署在監控現場，用戶遠程即可配置MAX7456的顯示參數。從接口轉換的角度來看，ARM7可理解為協議轉換器，用戶通過RS232和RS485發送配置MAX7456顯示疊加字符的指令，ARM7對指令進行解讀，轉換為MAX7456寄存器操作必須遵循的一系列指令組合，再通過SPI接口進行傳輸。

2 系統軟件設計

2.1 MAX7456接口時序

MAX7456的SPI命令長度為16位：高8位（MSB）代表寄存器地址，低8位（LSB）代表數據，即不管是讀還是寫命令，都需要先從SDIN引腳輸入地址碼，之后再根據是讀還是寫來讀取或者寫入后續8位數據。MAX7456對同一個寄存器進行讀操作和寫操作，其對應的寄存器地址是不同的。使能SPI通信之后，MAX7456從SDIN讀入第一個字節，以確定正在執行的操作類型。

圖3所示為MAX7456寫入數據的時序圖[3]，當CS片選引腳置低時，開啟SPI傳輸，在時鐘信號SCLK上升沿采集SDIN輸入數據，高8位為目標寄存器的地址碼，低8位為寫入的數據值；當CS置高時，數據被鎖存到輸入寄存器。如果在數據傳輸期間片選信號置高，則本次寫入操作失敗，最終數據不會被寫入目標寄存器。

圖3 MAX7456寫數據的時序圖

圖4所示為MAX7456讀取數據的時序圖[3]，當CS置低時，開啟SPI傳輸，從SDIN依次輸入7位目標寄存器的地址碼，此時SDOUT的輸出沒有意義，地址碼輸入完成后，被選中的目標寄存器的數據從SDOUT輸出。CS置高時，結束本次操作。

圖4 MAX7456讀數據的時序圖

2.2 OSD程序流程圖

不同的實際應用場合，所需的程序各有不同，本文給出一種基本的程序設計流程，系統上電復位之后，ARM7先初始化相關I/O、UART及SPI接口等，接著檢測是否需要配置MAX7456。之后ARM7進入睡眠模式，在此模式下，來自RS232、RS485接收中斷信號及MAX7456的LOS引腳觸發的外部中斷信號均可以喚醒ARM7，執行相應的中斷處理程序，比如接收到來自RS232接口的指令后，便可根據指令更改MAX7456的顯示參數。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3 結 語

本系統采用ARM7為控制核心實現對MAX7456的參數配置和控制，用戶自定義的字符數據存儲在ARM7中，并可通過RS232和RS485進行在線更改。本文首先介紹了基于MAX7456的OSD系統硬件電路設計方法，并給出了具體的設計電路圖，接著分析了MAX7456接口時序，給出了程序流程圖。本文所述方案經過了實際測試，驗證了其可行性和可靠性，具有實際應用價值。

參 考 文 獻

[1]孫泓波，顧紅，蘇為民.視頻字符疊加技術的發展及四種實現方案[J].電子技術應用，2000（11）：44-46.

[2]匡炎.基于FPGA和DSP的圖像采集處理系統的研究與實現[D].廣州：華南理工大學，2010.

[3]MAXIM. MAX7456 datasheet[EB/OL].[2010-10-23].http：//www.21icsearch.com/pdf-DE71981B8F687F0C/MAX7456.html.

[4]吳川，楊冬.基于UPD6464的視頻字符疊加技術的研究[J]. 電子技術，2010（2）： 18-20

[5]費莉梅.網絡視頻錄像機OSD子系統軟件設計[D].杭州：浙江大學，2012.

圖3所示為MAX7456寫入數據的時序圖[3]，當CS片選引腳置低時，開啟SPI傳輸，在時鐘信號SCLK上升沿采集SDIN輸入數據，高8位為目標寄存器的地址碼，低8位為寫入的數據值；當CS置高時，數據被鎖存到輸入寄存器。如果在數據傳輸期間片選信號置高，則本次寫入操作失敗，最終數據不會被寫入目標寄存器。

圖3 MAX7456寫數據的時序圖

圖4所示為MAX7456讀取數據的時序圖[3]，當CS置低時，開啟SPI傳輸，從SDIN依次輸入7位目標寄存器的地址碼，此時SDOUT的輸出沒有意義，地址碼輸入完成后，被選中的目標寄存器的數據從SDOUT輸出。CS置高時，結束本次操作。

圖4 MAX7456讀數據的時序圖

2.2 OSD程序流程圖

不同的實際應用場合，所需的程序各有不同，本文給出一種基本的程序設計流程，系統上電復位之后，ARM7先初始化相關I/O、UART及SPI接口等，接著檢測是否需要配置MAX7456。之后ARM7進入睡眠模式，在此模式下，來自RS232、RS485接收中斷信號及MAX7456的LOS引腳觸發的外部中斷信號均可以喚醒ARM7，執行相應的中斷處理程序，比如接收到來自RS232接口的指令后，便可根據指令更改MAX7456的顯示參數。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3 結 語

本系統采用ARM7為控制核心實現對MAX7456的參數配置和控制，用戶自定義的字符數據存儲在ARM7中，并可通過RS232和RS485進行在線更改。本文首先介紹了基于MAX7456的OSD系統硬件電路設計方法，并給出了具體的設計電路圖，接著分析了MAX7456接口時序，給出了程序流程圖。本文所述方案經過了實際測試，驗證了其可行性和可靠性，具有實際應用價值。

參 考 文 獻

[1]孫泓波，顧紅，蘇為民.視頻字符疊加技術的發展及四種實現方案[J].電子技術應用，2000（11）：44-46.

[2]匡炎.基于FPGA和DSP的圖像采集處理系統的研究與實現[D].廣州：華南理工大學，2010.

[3]MAXIM. MAX7456 datasheet[EB/OL].[2010-10-23].http：//www.21icsearch.com/pdf-DE71981B8F687F0C/MAX7456.html.

[4]吳川，楊冬.基于UPD6464的視頻字符疊加技術的研究[J]. 電子技術，2010（2）： 18-20

[5]費莉梅.網絡視頻錄像機OSD子系統軟件設計[D].杭州：浙江大學，2012.

圖3所示為MAX7456寫入數據的時序圖[3]，當CS片選引腳置低時，開啟SPI傳輸，在時鐘信號SCLK上升沿采集SDIN輸入數據，高8位為目標寄存器的地址碼，低8位為寫入的數據值；當CS置高時，數據被鎖存到輸入寄存器。如果在數據傳輸期間片選信號置高，則本次寫入操作失敗，最終數據不會被寫入目標寄存器。

圖3 MAX7456寫數據的時序圖

圖4所示為MAX7456讀取數據的時序圖[3]，當CS置低時，開啟SPI傳輸，從SDIN依次輸入7位目標寄存器的地址碼，此時SDOUT的輸出沒有意義，地址碼輸入完成后，被選中的目標寄存器的數據從SDOUT輸出。CS置高時，結束本次操作。

圖4 MAX7456讀數據的時序圖

2.2 OSD程序流程圖

不同的實際應用場合，所需的程序各有不同，本文給出一種基本的程序設計流程，系統上電復位之后，ARM7先初始化相關I/O、UART及SPI接口等，接著檢測是否需要配置MAX7456。之后ARM7進入睡眠模式，在此模式下，來自RS232、RS485接收中斷信號及MAX7456的LOS引腳觸發的外部中斷信號均可以喚醒ARM7，執行相應的中斷處理程序，比如接收到來自RS232接口的指令后，便可根據指令更改MAX7456的顯示參數。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3 結 語

本系統采用ARM7為控制核心實現對MAX7456的參數配置和控制，用戶自定義的字符數據存儲在ARM7中，并可通過RS232和RS485進行在線更改。本文首先介紹了基于MAX7456的OSD系統硬件電路設計方法，并給出了具體的設計電路圖，接著分析了MAX7456接口時序，給出了程序流程圖。本文所述方案經過了實際測試，驗證了其可行性和可靠性，具有實際應用價值。

參 考 文 獻

[1]孫泓波，顧紅，蘇為民.視頻字符疊加技術的發展及四種實現方案[J].電子技術應用，2000（11）：44-46.

[2]匡炎.基于FPGA和DSP的圖像采集處理系統的研究與實現[D].廣州：華南理工大學，2010.

[3]MAXIM. MAX7456 datasheet[EB/OL].[2010-10-23].http：//www.21icsearch.com/pdf-DE71981B8F687F0C/MAX7456.html.

[4]吳川，楊冬.基于UPD6464的視頻字符疊加技術的研究[J]. 電子技術，2010（2）： 18-20

[5]費莉梅.網絡視頻錄像機OSD子系統軟件設計[D].杭州：浙江大學，2012.