基于MAX7456的OSD系统设计与实现

康明星

摘 要：给出了一种基于MAX7456的OSD系统的设计和实现方法，该方法利用ARM7进行配置和控制，并通过RS232及RS485接口实现配置参数的在线修改，可实现在视频信号中叠加显示字符、汉字及用户自定义图形。

关键词：ARM7；OSD；MAX7456；视频监控

中图分类号：TN919.8 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）03-0052-02

0 引 言

当前视频监控技术广泛应用在国民经济生活的各个领域，在公共安全、交通、监狱、机房等需要大规模集中监控的应用场合，面对动辄多达数百路、乃至上千路的视频信号，对各路视频信号来源进行标识以便有效区分各路视频信号，具有重要的工程应用价值。同时，许多人机界面和视频播放场合也需要能够叠加各种图文信息的技术。OSD是指在视频信号中叠加字符或图形，从而在指定屏幕位置与图像信号同时显示，属于视频叠加技术的一种[1]。OSD的实现主要包括3种方式：第一是基于计算机视频编解码技术的软件实现方式，其特点是需要计算机的支持，占用一定的CPU资源，但显示参数的改动方便，OSD功能本身不需要额外的成本开销；第二是基于FPGA或DSP的嵌入式系统实现方式，通过在FPGA内置OSD软核，或者在DSP中运行OSD算法来实现，这种实现方式在一些采用嵌入式解决方案的视频服务器、网络摄像机上比较常见；第三是基于OSD专用集成芯片的硬件实现方式，单片OSD器件可省去大量外围电路，可有效降低系统设计复杂度和成本，但显示内容的多样性受限。

本文给出了基于MAX7456和ARM7的OSD系统设计方案，包括硬件设计与软件设计两大部分，并通过实际制作验证了方案的可行性。

1 系统硬件设计

1.1 系统总体设计

MAX7456是美信（MAXIM）公司推出的集成了EEROM的单通道、单色OSD芯片，其内部EEROM预置了符合NTSC和PAL制式的256个用户可编程字符，字符大小为12×18像素，可对每个字符进行闪烁、反色和背景控制等操作[2]。MAX7456带输出衰减补偿功能，具有状态（STAT）寄存器、显示存储器数据输出（DMDO）寄存器和字符存储器数据输出（CMDO）寄存器，用户可通过SPI接口灵活设置MAX7456的各项参数，比如设置字符类型、尺寸等显示参数。

系统原理框架如图1所示，采用意法半导体公司的ARM7微控制器STM32F103C8T6单片机对MAX7456进行参数配置和控制，该ARM7为32位微控制器，最高工作频率72 MHz，具备工业级稳定性，内置64 KB FLASH和20KB SRAM存储空间，充足的存储空间足以满足MAX7456缓存需求；外设资源非常丰富，配有多达3路UART及2路SPI接口，便于与其他系统交互，提供多种接口供用户对系统进行参数预设值和在线修改。

图1 系统原理框图

1.2 系统电源电路设计

从数据手册可知，MAX7456采用5 V供电，最大电流约为200 mA。为扩展系统输入电压范围，可采用LM2576-5稳压芯片提供5 V电压供给MAX7456。ARM7则采用3.3 V供电，但其工作电流不大，为简化设计，可采用SPX3819-3.3对5 V电源降压产生3.3 V电压供给ARM7，同时也实现了MAX7456与ARM7的电源隔离。SPX3819是一款低压差稳压芯片（LDO），其满载（500 mA）情况下的压降也仅为340mV。具体电源电路设计如图2所示。

图2 系统电源隔离设计电路

1.3 MAX7456电路设计

MAX7456自身时钟可工作在27 MHz，其SPI接口最高工作频率为10 MHz，而ARM7的SPI时钟最大可以达到18 MHz（此时系统时钟为72 MHz），足以满足MAX7456的需求。在本系统设计中，ARM7作为SPI通信主机（Master），SPI通信所用的时钟信号由ARM7的SPI单元输出。为避免因对MAX7456进行读写操作导致OSD输出图像出现瞬间变暗现象，ARM7读写MAX7456内部寄存器前，先检测MAX7456的VSYNC引脚，只有该引脚电平为低，才对MAX7456内部显示存储区进行写操作。ARM7的每个I/O引脚均具备中断功能， MAX7456的LOS引脚接在ARM7的PA0，而PA0具备唤醒功能，当MAX7456出现丢失同步时，LOS输出置高以唤醒ARM7，再由ARM7进行相应出错处理。这样一来，不需要配置MAX7456时，ARM7可处于低功耗模式。

1.4 接口电路设计

所用ARM7外设接口丰富，集成了3个UART、2个SPI、1个CAN，其中SPI1用来与MAX7456通信，UART1用于同PC或其他系统进行RS232通信，UART2用作RS485接口。考虑到带云台的视频监控场合，云台的控制大多采用RS485，因此设计上预留RS485接口，使得OSD系统可部署在监控现场，用户远程即可配置MAX7456的显示参数。从接口转换的角度来看，ARM7可理解为协议转换器，用户通过RS232和RS485发送配置MAX7456显示叠加字符的指令，ARM7对指令进行解读，转换为MAX7456寄存器操作必须遵循的一系列指令组合，再通过SPI接口进行传输。

2 系统软件设计

2.1 MAX7456接口时序

MAX7456的SPI命令长度为16位：高8位（MSB）代表寄存器地址，低8位（LSB）代表数据，即不管是读还是写命令，都需要先从SDIN引脚输入地址码，之后再根据是读还是写来读取或者写入后续8位数据。MAX7456对同一个寄存器进行读操作和写操作，其对应的寄存器地址是不同的。使能SPI通信之后，MAX7456从SDIN读入第一个字节，以确定正在执行的操作类型。

图3所示为MAX7456写入数据的时序图[3]，当CS片选引脚置低时，开启SPI传输，在时钟信号SCLK上升沿采集SDIN输入数据，高8位为目标寄存器的地址码，低8位为写入的数据值；当CS置高时，数据被锁存到输入寄存器。如果在数据传输期间片选信号置高，则本次写入操作失败，最终数据不会被写入目标寄存器。

图3 MAX7456写数据的时序图

图4所示为MAX7456读取数据的时序图[3]，当CS置低时，开启SPI传输，从SDIN依次输入7位目标寄存器的地址码，此时SDOUT的输出没有意义，地址码输入完成后，被选中的目标寄存器的数据从SDOUT输出。CS置高时，结束本次操作。

图4 MAX7456读数据的时序图

2.2 OSD程序流程图

不同的实际应用场合，所需的程序各有不同，本文给出一种基本的程序设计流程，系统上电复位之后，ARM7先初始化相关I/O、UART及SPI接口等，接着检测是否需要配置MAX7456。之后ARM7进入睡眠模式，在此模式下，来自RS232、RS485接收中断信号及MAX7456的LOS引脚触发的外部中断信号均可以唤醒ARM7，执行相应的中断处理程序，比如接收到来自RS232接口的指令后，便可根据指令更改MAX7456的显示参数。其程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

3 结 语

本系统采用ARM7为控制核心实现对MAX7456的参数配置和控制，用户自定义的字符数据存储在ARM7中，并可通过RS232和RS485进行在线更改。本文首先介绍了基于MAX7456的OSD系统硬件电路设计方法，并给出了具体的设计电路图，接着分析了MAX7456接口时序，给出了程序流程图。本文所述方案经过了实际测试，验证了其可行性和可靠性，具有实际应用价值。

参 考 文 献

[1]孙泓波，顾红，苏为民.视频字符叠加技术的发展及四种实现方案[J].电子技术应用，2000（11）：44-46.

[2]匡炎.基于FPGA和DSP的图像采集处理系统的研究与实现[D].广州：华南理工大学，2010.

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

[4]吴川，杨冬.基于UPD6464的视频字符叠加技术的研究[J]. 电子技术，2010（2）： 18-20

[5]费莉梅.网络视频录像机OSD子系统软件设计[D].杭州：浙江大学，2012.

图3所示为MAX7456写入数据的时序图[3]，当CS片选引脚置低时，开启SPI传输，在时钟信号SCLK上升沿采集SDIN输入数据，高8位为目标寄存器的地址码，低8位为写入的数据值；当CS置高时，数据被锁存到输入寄存器。如果在数据传输期间片选信号置高，则本次写入操作失败，最终数据不会被写入目标寄存器。

图3 MAX7456写数据的时序图

图4所示为MAX7456读取数据的时序图[3]，当CS置低时，开启SPI传输，从SDIN依次输入7位目标寄存器的地址码，此时SDOUT的输出没有意义，地址码输入完成后，被选中的目标寄存器的数据从SDOUT输出。CS置高时，结束本次操作。

图4 MAX7456读数据的时序图

2.2 OSD程序流程图

不同的实际应用场合，所需的程序各有不同，本文给出一种基本的程序设计流程，系统上电复位之后，ARM7先初始化相关I/O、UART及SPI接口等，接着检测是否需要配置MAX7456。之后ARM7进入睡眠模式，在此模式下，来自RS232、RS485接收中断信号及MAX7456的LOS引脚触发的外部中断信号均可以唤醒ARM7，执行相应的中断处理程序，比如接收到来自RS232接口的指令后，便可根据指令更改MAX7456的显示参数。其程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

3 结 语

本系统采用ARM7为控制核心实现对MAX7456的参数配置和控制，用户自定义的字符数据存储在ARM7中，并可通过RS232和RS485进行在线更改。本文首先介绍了基于MAX7456的OSD系统硬件电路设计方法，并给出了具体的设计电路图，接着分析了MAX7456接口时序，给出了程序流程图。本文所述方案经过了实际测试，验证了其可行性和可靠性，具有实际应用价值。

参 考 文 献

[1]孙泓波，顾红，苏为民.视频字符叠加技术的发展及四种实现方案[J].电子技术应用，2000（11）：44-46.

[2]匡炎.基于FPGA和DSP的图像采集处理系统的研究与实现[D].广州：华南理工大学，2010.

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

[4]吴川，杨冬.基于UPD6464的视频字符叠加技术的研究[J]. 电子技术，2010（2）： 18-20

[5]费莉梅.网络视频录像机OSD子系统软件设计[D].杭州：浙江大学，2012.

图3所示为MAX7456写入数据的时序图[3]，当CS片选引脚置低时，开启SPI传输，在时钟信号SCLK上升沿采集SDIN输入数据，高8位为目标寄存器的地址码，低8位为写入的数据值；当CS置高时，数据被锁存到输入寄存器。如果在数据传输期间片选信号置高，则本次写入操作失败，最终数据不会被写入目标寄存器。

图3 MAX7456写数据的时序图

图4所示为MAX7456读取数据的时序图[3]，当CS置低时，开启SPI传输，从SDIN依次输入7位目标寄存器的地址码，此时SDOUT的输出没有意义，地址码输入完成后，被选中的目标寄存器的数据从SDOUT输出。CS置高时，结束本次操作。

图4 MAX7456读数据的时序图

2.2 OSD程序流程图

不同的实际应用场合，所需的程序各有不同，本文给出一种基本的程序设计流程，系统上电复位之后，ARM7先初始化相关I/O、UART及SPI接口等，接着检测是否需要配置MAX7456。之后ARM7进入睡眠模式，在此模式下，来自RS232、RS485接收中断信号及MAX7456的LOS引脚触发的外部中断信号均可以唤醒ARM7，执行相应的中断处理程序，比如接收到来自RS232接口的指令后，便可根据指令更改MAX7456的显示参数。其程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

3 结 语

本系统采用ARM7为控制核心实现对MAX7456的参数配置和控制，用户自定义的字符数据存储在ARM7中，并可通过RS232和RS485进行在线更改。本文首先介绍了基于MAX7456的OSD系统硬件电路设计方法，并给出了具体的设计电路图，接着分析了MAX7456接口时序，给出了程序流程图。本文所述方案经过了实际测试，验证了其可行性和可靠性，具有实际应用价值。

参 考 文 献

[1]孙泓波，顾红，苏为民.视频字符叠加技术的发展及四种实现方案[J].电子技术应用，2000（11）：44-46.

[2]匡炎.基于FPGA和DSP的图像采集处理系统的研究与实现[D].广州：华南理工大学，2010.

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

[4]吴川，杨冬.基于UPD6464的视频字符叠加技术的研究[J]. 电子技术，2010（2）： 18-20

[5]费莉梅.网络视频录像机OSD子系统软件设计[D].杭州：浙江大学，2012.