船用OSD和双绞线传输系统的模块化设计

彭晓钧，李文甫

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;2.中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004)

在船用测控系统中，需要在不同通道的模拟视频信号中混入船只的不同类型的实况信息数据，进而在测控中心监视器的指定位置上实现与图像信号的同时显示(On－Screen Display，OSD)。这样就可以为测控设备提供必要的提示信息，作为数据分析与解算的依据[1]。

随着多信息综合布线系统的快速发展及普及，在船用环境中采用双绞线传输视频基带信号的技术越来越受到重视。但视频信号在双绞线中传输时常遇到“频率失真”问题，其特点是:1)低频衰减最小，频率越高衰减越严重;2)双绞线越长，频率失真越严重，双绞线长度加倍，衰减的分贝数加倍。因此，双绞线传输设备的基本作用就是提供一定的放大增益，补偿双绞线的传输衰减。

基于船用测控系统的特定需求，本文设计了一套多路视频字符叠加和双绞线传输系统。将用户感兴趣船只的相关数据叠加到指定的视频信号上，然后经由采用有源差分信号发送放大器和接收器搭建的双绞线视频传输系统，可将视频信号传输至1～2 km，图像质量接近光纤传输的效果。

1 系统的硬件组成、接口及主要功能

1.1 系统组成

船用OSD和双绞线传输系统组成框图如图1所示。主要包括MCU(Micro－programmed Control Unit，微程序控制器)、多路视频字符叠加模块、多机通信模块和双绞线视频基带传输模块。

图1 船用视频切换及双绞线视频基带传输系统组成框图

1.2 各模块的功能与特性

综合考虑系统的硬件设计需求，MCU选用PIC16F877A，它是整个系统的核心，控制多路视频的字符叠加，同时负责与前端的3个探测器进行实时RS－485通信。

多路视频字符叠加模块基于MAX7456搭建。它负责将前端探测器传送过来的船只的各种信息，诸如船横摇(纵摇、升沉)的角度、工作目标位置流速(流向等)、当前位置流速(流向)、船只当前航速(节)、当前位置(经纬度)，还包括人工测量的各项数据，如表面流速(流向)、海水水温、潮汐潮高等，分别叠加到不同的视频上，最终传输到监控中心的DVS(Digital Video Server，网络视频服务器)[2－3]，并可根据需要显示到不同的监视器上。

多机通信模块基于GM8123设计。通过SN65176分别与前端的探测器相连接，即可实现MCU与多个探测器的实时RS－485通信。

双绞线视频基带传输模块由视频发送和视频接收组成。其中，视频发送包括非平衡－平衡转换和驱动，视频接收包括接收匹配补偿及平衡－非平衡转换。

2 系统的硬件设计

2.1 多路视频字符叠加模块的电路设计

在本系统中，相邻的3路视频信号和3路探测器信号组成一个“前端模块”，经由双绞线传输至监控中心的DVS。理论上，可根据需要及DVS的输入视频通道数扩展多个这样的“前端模块”。

MAX7456是单通道OSD发生器，用户可以方便地利用它在动态视频上叠加定制的字符和图形[4]。其不需要外部视频驱动器、同步分离器和视频开关，大大降低了系统成本。另外，MAX7456预装了256个字符和图形，并可通过SPI接口在线编程，这样，用户可根据需要任意调用或改写其上的字符存储器中的内容。

MAX7456提供一个TTL时钟输出(CLKOUT)，可驱动另一个MAX7456的CLKIN引脚。使用外部时钟驱动器可驱动两个或多个MAX7456元件。这样，即可通过一片带有晶振的MAX7456为多个MAX7456元件提供时钟信号。MAX7456极大地简化了视频字符叠加器的设计，有效克服了传统视频字符叠加器的缺点，提高了系统的可靠性，降低了系统成本。

多路视频字符叠加模块的主要电路可参见文献[5]中的图25。

2.2 多机通信模块的电路设计

每个前端模块包括3个探测器，它们均通过RS－485总线不定时地与MCU进行数据交换。考虑到这种通信的“随机性”，采用GM8123和SN65176搭建了多机通信模块。GM8123芯片的外部控制少、应用灵活、编程使用简单，可为用户提供最简单和高性能的串口扩展方案。这样，3个探测器可同时与MCU进行数据交换。多机通信模块的主要电路如图2所示。

2.3 双绞线传输模块的电路设计

图2 多机通信原理图

为解决视频信号在双绞线介质中传输时所遇到的“频率失真”问题，在设计视频传输模块时，应保证其“补偿特性”与双绞线的“频率失真”特性相反、互补，即“补偿特性”应该是:视频传输模块的增益必须具有“频率越高增益越大”的基本特点。只有这样，才能实现视频信号特性的真正恢复。同时考虑到每个前端模块中的视频通道数，选用 EL5371[2]和 EL5372[3]来搭建视频传输模块。EL5371是差分信号发送放大器，可同时完成3路非平衡信号到平衡信号的转换。EL5372是差分信号接收放大器，可同时完成3路平衡信号到非平衡信号的转换。另外，它们的增益均由外接电阻设定，因此可根据不同的现场应用环境灵活地调整视频信号的电压增益。

基于EL5371和EL5372的双绞线视频基带传输模块如图3所示。

图3 基于EL5371和EL5372的双绞线视频传输系统组成框图

图3中，EL5371的电压增益由外接电阻RF和RG设定，计算公式为

EL5372的电压增益由外接电阻RF和RG设定，计算公式为

3 系统的软件设计

系统程序同样采用模块化设计，由主程序、系统初始化子程序、中断判断及子串口选择子程序、信息接收子程序和字符叠加子程序等模块组成[6]，主程序流程图如图4所示。

4 试验结果

在温度为41℃、湿度为92%的船用环境中，经双绞线传输950 m后，测控中心监视器得到的视频截图如图5、图6所示，所有视频清晰流畅、无拖尾，字符醒目、无闪烁。

5 结论

船用环境下的试验结果表明:本系统工作稳定可靠，完全满足船用测控系统的需求，同时也顺应了多信息综合布线技术的发展潮流。设计采用模块化方式，硬件系统具有集成度高、稳定性好、抗干扰能力强、后期维护方便的特点。

另外，本系统中的各个子模块具有良好的可移植性，比如“多路视频字符叠加模块”可广泛应用于任意的“需要在模拟视频信号中混入信息数据”的场合，“双绞线传输模块”适用于任何需要进行“非平衡－平衡转换”和“平衡－非平衡转换”的应用。

[1]彭晓钧，吴敏渊，王卫平，等.基于双线阵CCD的EPC/CPC测量系统的电路设计与实现[J]. 光电子技术，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]汪辉，王昌明，宋高顺，等.基于MAX7456的字符叠加系统设计[J].电子设计工程，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]彭晓钧，何平安，袁炳夏.基于CPLD的线阵CCD驱动电路设计与实现[J]. 光电子·激光，2007，18(7):803－807.