液晶电视智能水工情信息显示终端的研制与应用

房灵常，顾雪冬，王东雪

（水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012）

0 引言

随着现代化进程的不断推进，人们对水雨情等信息的了解需求也变得越来越迫切。水/工情信息显示终端是水利水文及工程安全信息的展现窗口和人机界面，是水利水文水电工程必备的信息显示设备，是工程运行和安全信息的最终展现平台。

传统信息显示终端采用的显示模块一般为数码条、数码屏、手持等显示设备，这些显示模块不是体积太大就是太小，而且外观陈旧，功能单一，例如数码屏，体积大质量大，需要特定的安装支架和位置，需要专业的设备制造商进行维护，安装、使用携带和维护都很不方便。当用户需要增加显示内容时，只能选择更换显示设备来实现，因此，传统信息显示终端不仅需要一定的建设成本，而且需要巨大的维护、升级成本，并对信息的时效性产生一定影响。

根据水利工程的现场实际情况，为了满足水/工情信息系统的实时接收显示、易安装、易升级、易维护等要求，经过对元器件选型和结构设计，研制了一种对大量动态的水/工情信息进行接收并显示的液晶电视智能水/工情信息显示终端（以下简称显示终端），能够直观实时地显示水位、雨量、温度等水情和气象信息，可以广泛应用于水库、江河和有关防汛部门。显示终端由主板、无线数据传输、显示接口、解调板、电源模块、遥控器等设备组成，可实现大量动态信息的翻页显示。

1 液晶电视智能水/工情信息显示终端的研制

液晶电视智能水/工情信息显示终端主要包括视频输入箝位和放大电路、视频信号同步分离电路、字符叠加器和视频输出缓冲放大电路[1]。显示终端以液晶电视作为显示载体，利用外接的数据传输设备接收数据或连接各类传感器，采用在屏显示技术（OSD）实现人机界面的交互，在视频图像上叠加需要显示的内容，使显示屏能够为用户提供更多的附加信息，实现翻页或滚屏显示水/工情数据，可轻松修改显示内容，调整显示方式，升级方便，维护成本低，可靠性高。硬件配置原理图如图 1 所示。

1.1 视频输入箝位和放大电路

视频输入箝位和放大电路对提供给字符叠加器的视频输入信号进行前端处理，MAX7452 芯片是业内首款用于视频信号的调理器[2]，集成了输入视频箝位器、自动增益控制（AGC）、同步丢失（LOS）检测器和带外噪声/低通滤波器，还包含可以由用户选择的缓冲器增益（0 或 ±6 dB）及 AGC 禁止功能，因此该电路优选为基于 MAX7452 芯片的电路，如图2 所示。

图1 硬件配置原理图

图2 基于 MAX7452 芯片的电路

1.2 视频信号同步分离电路

视频信号同步分离电路对视频输入信号进行行和场 2 种同步信号的分离，并将 2 种同步信号提供给字符叠加器作为字符显示标准，为了避免外围电路对信号处理产生干扰，影响水/工情信息显示的准确性，必须注重所选电路的集成度。LM1881 是一种较为可靠的视频同步信号分离芯片，电路集成度高，只需少量外围电路就可以从 0.5～2.0 V 的标准 NTSC 制、PAL 制、SECAM 制视频信号中有效地提取复合同步，场同步，奇偶场识别等信号[3]，因此，该电路优选为基于 LM1881 芯片的电路，如图 3 所示。

1.3 字符叠加器和视频输出缓冲放大电路

1.3.1 叠加器和放大电路工作情况

字符叠加器根据字符显示标准，对前端处理后的视频输入和字符信号进行叠加，产生复合视频信号。

视频输出缓冲放大电路对产生的复合视频信号进行缓冲、放大处理后通过屏幕显示，考虑到水/工情信息系统中，部分现场不具备交流供电的条件，只能利用蓄电池等设备供电，而且对数据显示的实时性要求较高，这就要求所用设备具有功耗低、处理速度快等特点。ADA4851 芯片是一种低功耗、高转换速度、单电源、电压反馈 R-R 输出运算放大器[4]，基于该芯片能够设计成工作电压为 +3～+10 V，且具有宽频带的视频输出缓冲放大电路，因此，放大电路优选为基于 ADA4851 芯片的电路，如图 4 所示。

1.3.2 字符叠加器工作原理

字符叠加器优选采用 MB90092 芯片[5]，MB90092 芯片是一款用 CMOS 工艺制成的专用视频字符叠加芯片，内部集成了显示内存（VRAM）、外挂字符接口和视频信号发生器，功能强大，接口简单，编程方便，可方便嵌入各种数字视频监控系统中，使用时只需连接少量的元件即可显示汉字和图形。MB90092 芯片提供“主屏”和“副屏”2 个屏幕叠加方法，可以单独或者相互重叠出现在屏幕上。MB90092 芯片支持的字符显示点阵为 24×32，每个字符可以有不同的颜色。MB90092 芯片有视频信号输入脚，在内部即可完成视频信号与字符信号的叠加，直接输出复合视频信号；内部可自行产生同步信号，因此无需外加视频和同步信号，可直接输出字符信号至屏幕，在屏幕上显示不同背景、字符颜色的文本[6]。

图3 基于 LM1881 芯片的电路

图4 基于 ADA4851 芯片的电路

基本原理如下：首先对视频信号中行、场同步信号进行提取，再通过对行、场同步信号进行处理，产生与行、场同步信号有稳定关系的控制信号，然后用这个控制信号控制切换开关，进行叠加字符与视频信号间的切换，最终在屏幕上显示出叠加有字符的图像[7]。

由于字符叠加器对能够接收的视频输入信号有性能要求，如 MB90092 芯片能够接收的视频输入信号电平是 2 Vp-p，而且需要有 1V 的直流偏置，所以视频输入信号在接入字符叠加器之前要进行放大和箝位[8]。

为使所需叠加的字符点阵脉冲准确地出现在视频信号的对应位置上，系统应给字符叠加器提供输入视频信号中的行、场同步信号，作为字符显示的基准，采用视频信号同步分离电路能够完成复合信号中的行和场 2 种同步信号的分离。

经字符叠加器输出的视频信号，需要经过视频输出缓冲放大电路将其还原为电平为 1 Vp-p，基电压为 0 V 左右的标准视频信号。

1.3.3 与字符叠加器相关的其它电路和芯片

与字符叠加器相连接的微处理器采用 89C52 芯片，这种处理器平台能够为各种低功耗和便携式应用提供最终解决方案。

输出视频信号检测电路对视频输出缓冲放大电路输出的视频信号进行检测，并将结果反馈给微处理器。

铁电存储器（FRAM）采用 FM25L256 芯片，将ROM 的非易失性和 RAM 的无限次读写、高速读写及低功耗等优势结合在一起，提供一种与 RAM 一致的性能，但又有与 ROM 一样的非易失性。

字库采用 Am29F080 芯片[9]，采用 +5 V 单电源供电，具有结构紧凑、存储容量大、接口简单、操作方便等特点，特别适合存放大量的数据。

1.3.4 字符叠加器工作流程

字符叠加器根据微处理器的软件命令实现字符的叠加，基本工作过程如下：

1）字符叠加器通过 SIN（串行数据）引脚接收微处理器发送的字符地址和代码，确定字符在屏幕上的坐标；

2）字符叠加器通过 ADR0～ADR18 引脚访问字库，读取字符数据；字符叠加器在接收到字符代码后访问 FRAM，FRAM 通过 DQ0～DQ7 引脚将字符数据送回字符叠加器；

3）字符叠加器将字符数据转换成视频信号，并根据字符坐标与原有的视频信号叠加显示在屏幕上。

字符叠加器工作流程如图 5 所示。

图5 字符叠加器工作框图

字符叠加器是通过 CS（选片）、SCLK（串行时钟）、SIN 这 3 个引脚接收外部控制指令和显示数据的[10]，字符叠加器与微处理器的外部接口时序图如图 6 所示。

显示终端优选采用国标标准 ACDC 内置电源等原件，采用标准铝壳加彩色丝网印刷，整个显示终端更加稳定可靠，坚固美观，且耐腐蚀能力强。

图6 接口时序图

2 液晶电视智能水/工情信息显示终端实现的功能

液晶电视智能水/工情信息显示终端可以广泛用于各类水利水文工程的数据采集、传输和显示工作中，也可以为水利工程管理自动化系统配套使用，方便地实现水利水文工程信息的采集、存储、传输及显示，主要功能如下：

1）显示终端具有格雷码，RS-485，RS-232，4-20 mA 和脉冲接口，可以连接各类水位计、雨量计等传感器，在一定的时间间隔内采集传感器的数据，并将信息显示到液晶电视屏幕上；

2）显示终端可以连接超短波电台、GPRS 模块、短信模块，实时接收远端测站的数据，并将信息显示到液晶电视屏幕上；

3）可以设置水位和雨量等数据的分辨率、站号、水位基数，并提供压力水位计等传感器的标定功能；

4）可以通过设置，选择液晶电视上的显示内容和方式（单一画面或 2 画面切换），也可在观看电视节目的同时，将实现信息在屏幕下方滚动显示；

5）可连接目前液晶电视和老式显像管电视等所有电视机；

6）支持本地串口、USB 口、U 盘等多种数据下载方式，并且可以自动将数据转换成指定格式；

7）配备时钟芯片，实现各种数据的精确记录和显示；

8）支持 IC 卡设备，与 IC 卡设备一起，实现水量的记录显示；

9）配置了专用存储器，包括 64 MB 专用数据存储器，2 MB 专用参数铁电存储器，可实现单参数存储 10 a。

3 工程应用

液晶电视智能水/工情信息显示终端常用的应用方式示意图如图 7 所示。

图7 常用的应用方式示意图

液晶电视智能水/工情信息显示终端的主要优势在于：可以充分利用目前已经普及的各类电视机作为显示载体，根据具体的显示内容，甚至在需要增加显示内容的情况下，选择切屏或滚屏的方式显示，不需专门安装电子屏等大型显示屏，不需要专门的显示屏维护人员，不需要因显示内容增加而更换显示屏。在任何场所、环境下，特别是在一些临时施工的工地，可以利用工地的电视机作为显示载体短期使用，便于设备的拆除和再利用。

目前，液晶电视智能水/工情信息显示终端已在深圳市三防办、深圳市葵涌街道办、大鹏街道办、龙城街道办等多个街道办和水库得以应用，主要通过超短波和 GPRS 信道接收全市各区和街道的水位、雨量数据，并利用屏幕切换和滚屏显示的功能，准确无误地记录并显示水雨情数据，在防汛防洪工作中发挥了良好的作用。

4 结语

本文围绕传统信息显示终端存在的问题和以往字符叠加技术的应用，结合水利工程现场的实际情况和水/工情信息显示的特点，通过输入箝位和放大电路、视频信号同步分离电路、字符叠加器和视频输出缓冲放大电路工作情况的分析及芯片的选择，完成了液晶电视智能水/工情信息显示终端的研制，有利于解决各种现场条件下水/工信息接收、显示的问题，该终端适用于水库和街道等水利管理部门，预计将来在水利防汛信息发布方面将有较高的应用前景和推广价值。

为了适应液晶显示技术的不断进步和满足人们对图像显示要求的不断提高，今后有必要对显示终端的视频输出接口、图像的分辨率进行更加深入的研究。

[1]何辅云，张海燕. 电视原理与数字视频技术[M]. 合肥：合肥工业大学出版社，2003: 10.

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[4]Analog Devices, Inc. ADA4851 Datasheets[S]. Norwood:Analog Devices, Inc, 2005.

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[6]钱怀风. OSD 芯片 MB90092 的原理及应用[J]. 国外电子元器件，2005 (1): 52-55.

[7]Atmel Corporation. ATmega2561 Datasheets[S]. USA: Atmel Corporation, 2007.

[8]李锡瑞，吕建平. 基于 MB90092 型专用字符叠加电路的视频监控系统的设计与实现[J]. 国外电子元器件，2006(1):18-21.

[9]Advanced Micro Devices,Inc.Am29F080 Datasheets[S]. USA:Advanced Micro Devices, Inc , 1997.

[10]江一帆，刘家康，陈星宇. 一种新型的视频字符叠加器的设计[J]. 电视技术，2002 (1): 56-58.