视频字符叠加芯片Word下载.docx
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字符（或图形）等以点阵方式存储在外围的ROM或E2PROM中。
它使电路大为简化，因而使用较为方便。
第三阶段是单片“屏幕显示”器件阶段：
因为在与电视有关的产品上，并不需要显示很多的字符或图形，因此将以上所提到的控制器中外部存储器与其集成在一起而形成所谓单片屏幕显示器件。
这类器件主要是为家用电视这类产品而设计的，并得到了广泛的应用。
1.2研究目的及所须解决问题
μPD645X系列，是NEC公司生产的专用字符叠加芯片。
即为上面所提到的第三阶段的产品，其应用方便，外围电路简单，是现代显示系统中的主流产品，其主要应用于电视系统，监控系统以及其它的一些显示领域。
μPD645X系列芯片，是一种集成了内部微控制器的智能型芯片，因此，需使用外部的微控制器对其进行指令的控制。
所要解决的主要问题是μPD645X芯片与微控制器的接口问题，同时μPD645X芯片的指令输入是串行输入的形式，因此须要注意指令输入的时序问题。
1.3系统设计思想
本课题使用μPD6450叠加芯片与新型的AVR单片机进行接口对叠加芯片进行控制，同时为使μPD6450芯片正常工作，须使用专用视频分离芯片LM1881,进行视频信号的行场同步信号分离。
系统框图如下：
图1.1叠加系统框图
第二章视频叠加电路
本章将对视频叠加系统中的主要部分——视频叠加电路进行详细介绍。
2.1叠加芯片μPD6450
下面的内容将对叠加芯片μPD6450的特点，指令输入方法进行一下介绍。
2.1.1芯片特性
μPD6450是日本NEC公司推出的一种以CMOS工艺制成的OSD（onscreendisplay,在屏显示）可编程大规模集成电路芯片,可用于计算机控制的录像机、VCD等的屏幕字符显示,该芯片有视频信号的输入/输出功能,也可作为一种通用的OSD芯片完成视频信号与字符叠加显示。
μPD6450也可以自己产生内部视频信号。
芯片内部有128字的固定字库,可在屏幕上显示12行×
24列字符,包括所有的英文字母、数字、少量汉字、指定符号及日文片假名等。
也可将这种芯片串接于视频信号源和监视器的通路中，视频信号输入此芯片后，可得到已经叠加了字符的视频输出。
另外，当无外部视频信号输入时，可通过对芯片编程使该芯片不需外部信号，而直接由内部产生视频信号，从而在监视器上显示字符。
有5种颜色的内部视频信号，可以作为显示时的背景色，但它的字符颜色只能为黑色或白色，字符的边缘色也只有黑色一种。
芯片主要参数：
显示字符数量：
可显示12×
24个字符。
单个字符尺寸：
最大显示区域12×
18个点。
可设置字符消隐频率：
分别为1:
3，1:
1及3:
1。
字符背景：
可设置4种不同字符背景。
芯片信号：
外部输入复合视频信号，并且通过编程可生成内部视频信号。
控制接口：
与单片机采用8位串行接口。
功耗：
＋5V供电，芯片为CMOS低功耗芯片。
2.1.2叠加原理介绍
字符信号是一种包含了亮度与色度信息的复合信号，在与复合视频
信号进行叠加时，这种包含了色度与亮度的信号是间插在复合视频信号的高端。
为了保证字符能够正确叠加于视频信号上，视频信号与叠加电路要
求保证严格的同步关系。
因此在芯片内部集成了行场脉冲计数器，以保证输入视频信号与叠加芯片时钟的同步。
由上面对视频信号以及同步信号的论述，我们可以根据图2.1所示的μPD645X系列叠加芯片的原理框图，对芯片的工作原理进行深入的论述。
图2.1μPD645X系列叠加芯片的原理框图
芯片的指令控制通过输入缓冲器，按照一定时序送入芯片内部译码
电路，指令经译码后送入数据总线，分别送到芯片内的各部分。
首先，对显示控制区进行设置，如对字符大小，显示位置，显示区域位置的设置，以上设置经数据总线写入视频RAM。
同时控制区同时受分离电路以及振荡信号的影响，二者同时控制RAM，为接下来的叠加做必要的设置准备。
其次，显示控制电路，根据用户输入到数据总线上的数据要求，调视频ROM中固化的字符代码，送入视频RAM中进行配置。
最后，视频RAM将字符位置，叠加区域位置及字符信号送入视频输入/输出电路进行叠加。
同时外部的输出后级，可以加入一个匹配的电路使与后级的显示设备匹配。
2.1.3芯片封装
μPD6450CX-002芯片采用了SOP-18的封装形式。
其管脚图，如图
2.2所示。
图2.2μPD6450CX-002封装
2.1.4管脚功能介绍
表2.1μPD6450CX-002引脚功能
BUSY
通知微机选通输入是否准备好;
CLK
时钟输入端,输入读数据时钟;
STB
选通输入端;
DATA
串行数据输入端;
VDD
电源端口;
CKOUT
时钟输出端;
LoscOUT
LC振荡器输出端;
LoscIN
LC振荡器输入端;
VSS
接地端;
XoscIN
晶振输入端;
XoscOUT
晶振输出端;
/VSYNC
场同步信号输入端;
/HSYNC
行同步信号输入端;
Vcl
字符电平调整端;
Vbl
字符背景电平调整端;
Vvl
内部图像信号电平调整端;
Videoout
字符迭加图像输出端;
Videoin
复合视频信号输入端。
2.1.5指令时序介绍
每个指令由9bit组成。
指令能实现对字符显示的各种控制,如表2.1所示。
表2.2指令通式
功能位
X
1
F0
F1
由于芯片内部与外部串行接口所用的内部数据缓冲器为8bit,所以指令被分开放在两个存储单元内,存储单元的切换通过功能位设定指令的F0位来实现。
μPD6450与外部CPU的接口有自己独特的时序,如图2.3所示。
在每个时钟的上升沿,DATA数据的1bit进入μPD6450内部的串行缓冲寄存器,当8bit的DATA数据全部进入串行缓冲寄存器后,向μPD6450输入一个选通脉冲STB。
μPD6450接收到STB脉冲后,BUSY输出高电平,内部处理完毕后,BUSY降为低电平,通知CPU可以接收下一个数据。
图2.3μPD6450接口时序
2.1.6指令功能介绍
μPD6450提供了10条控制指令，这些指令涵盖了其自身功能的各个方面，在接下来的这一节中我们就来详细的介绍一下这些指令及其应用的注意事项。
表2.3列出了μPD6450的关键指令及其实现功能。
表2.3设置指令及实现功能
命令类型
实现功能
显示及内部晶振控制
确定是否允许显示字符、字符的闪烁频率，以及控制内部LC振荡器的停振和起振
字符背景内部信号色彩
用来确定背景类型以及内部视频信号颜色
内/外信号选择，显示制式以及外部晶振控制
该命令用来选择显示制式，内/外部信号并控制外部晶振的停振和起振
叠加区域位置控制
可以根据需要将单个字符在垂直方向上进行多行显示，以扩大字符尺寸
显示字符的闪烁控制
用于控制字符的消隐，可设置不同频率
显示字符的选择
在芯片内部ROM中固化了128个字符的代码，用户可根据需要调用这些字符
字符行/列地址控制
内部视频RAM中的12×
24个单元，对应了该控制字中的0000～1011（行）00000～10111（列）所确定的单元，可以依此来确定显示字符在显示区域中的位置。
显示字符的大小控制
对与μPD6450的各条指令的具体设定，NEC公司提供的器件手册已经详细的给出，这里就不再引述。
2.2芯片外围电路
以下部分内容是对芯片及外围电路组成的叠加电路部分进行一下介绍。
2.2.1晶振电路部分
μPD6450在使用时，需要两个振荡电路的支持。
一个是由芯片7脚与8脚外接LC组成的内部晶振电路；
另一个是由10脚，11脚外接晶振与电容组成的外部晶振电路。
这两个振荡电路中的电容均有一个是可调的，用以调节振荡频率。
这两个振荡器都对字符的叠加起着重要作用。
2.2.1.1LC振荡电路
LC振荡电路是为芯片提供“点阵时钟”的。
所谓“点阵时钟”就是单个字符，的显示区域是由12×
18个点组成的，字符也是由这些点通过特定的组合而来。
这是其主要作用，因此必须对此部分多加注意。
那么点阵时钟就是为叠加字符产生字形驱动时钟，同时为将字符代码由视频ROM写入视频RAM而使用的。
所以要在进行视频RAM写入前将LC振荡器启动。
LC振荡器如图2.4所示接入芯片。
图2.4LC振荡电路
此时，我们可以调节C2电容值，使LC振荡频率保持在6MHz~8MHz之间，波形如图2.5所示。
在叠加字符后，调节此电容，我们会发现CRT上显示的字符随着电容值的不同，会在水平方向上发生宽度的变换。
通过实验，表明电容值为16pF时，字符宽度适当，显示清晰。
图2.5LC振荡器波形
在示波器中可以观察到：
在经过显示及内部晶振控制指令的设置后，我们可由7脚LoscOUT
输出，此时的频率为6.3MHz。
同时,LC振荡器还有另一个重要的作用，就是为字符叠加区的起始位置计算提供时钟，其计算公式见式（2.1）及式（2.2）。
A:
（2.1）
B:
（2.2）
A、B分别表示显示区域垂直距CRT上端，水平距CRT左端的距离，式中的V、H表示了叠加区域控制指令中的二进制代码，与控制字中的位是对应的，在设置该位时应充分考虑该位，使用先计算再实验的方法确定起始位置，并配合区域中显示位置的设定，以达到自定义显示位置的要求。
图2.6给出了显示区域单元以及起始位置确定的示意图。
图2.6显示区域及起始位置示意图
如图2.6所示，在片内视频RAM中的地址空间与显示区域单元是一一对应的。
同时每个显示单元又是由12×
18个点组成的，如图2.7所示。
通过点阵时钟即LC振荡器的作用产生如图中所示的字符效果。
图2.7字符单元点阵
2.2.1.2外部晶振电路
外部晶振是为内部视频信号发生器提供时钟以及驱动内部视频分离电路而提供时钟的器件。
外部晶振如图2.8所示接入芯片。
图2.8外部晶振接入电路
图中晶振Y1选择与复合视频信号的制式有关，具体选值可参阅表2.4。
表2.4外部晶振值与视频制式关系
PAL
17.734475MHz
NTSC
14.318180MHz
PAL-N
14.328225MHz
PAL-M
14.302448MHz
当使用内部视频信号时，调节C7可影响显示区域的位置以及大小，这是由于，该外部晶振是产生内部视频信号的时钟，当改变该时钟时会对内部信号扫描制式产生影响，使叠加区域随之发生改变。
外部晶振波形如图2.9所示。
至此，我们已经将视频叠加电路部分以及相关的调试方法以及两个对于我们正确叠加字符起到关键作用的信号介绍完毕。
在下一章中，我们将着重介绍叠加系统的控制电路部分。
为了能更好的说明芯片的控制电路我们给出了频叠加部分的总体电路图，图中包括了叠加芯片与单片机接口的信息。
通过调节图中的可变电阻，我们可以调节视频消隐电平值，我们将在后续章节中做详细介绍，这里不再累述。
图2.9外部晶振电路波形
如内部晶振电路波形，同样我们可以依样观察外部晶振的波形，以及启振与否，通过示波器，我们可以观察到：
在设置了内/外信号选择，显示制式以及外部晶振控制指令后，开外部晶振，有图中所示波形输出，此时振荡频率为外部晶振频率，为16.51MHz，同时其增益小于内部振荡器。
图2.10视频叠加电路
第三章单片机控制系统
所谓单片机就是在一片半导体硅片上集成了微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、E2PROM）以及各种I/O接口。
这样的一片硅片就具有了计算机的功能，因此称为单片微型计算机，简称单片机。
3.1单片机发展历史
自上世纪70年代单片机问世以来，在工业自动化、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个领域得到了广泛的应用[8]。
1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路，现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管，使得计算机体积更小，功能更强。
特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，同时，也就带动了单片机的发展。
最初的所谓单片机，在现在看来还仅能称之为“微处理器”，因为其单硅片内，只是简单的集成了CPU，还必须外接各种设备，才能构成一台功能完备的计算机。
1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，如Zilog公司的Z8系列。
到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，如INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等,此外,日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。
80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。
1982年以后，16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。
但8位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。
而INTEL公司凭着他们雄厚的技术，性能优秀的机型和良好的基础，目前仍是单片机的主流产品。
在保持其主流地位的同时8位机也在各个方面进行着改进，以适应各个领域的不同需要。
本文所采用的就是一种新型的单片机，AVR单片机。
3.2AVR单片机简介
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。
AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。
在AVR单片机中，又可分成三个系列。
低档Tiny系列：
主要有Tiny11/12/13/15/26/28等型号；
中档AT90S系列：
主要有AT90S1200/2313/8515/8535等型号；
高档ATMega系列：
主要有ATMega8/16/32/64/128（片内Flash存储容量为8/16/32/64/128KB）以及ATMega8515/8535等型号。
AVR单片机有如下的特点。
AVR单片机是高速单片机。
硬件采用哈佛（Harward）结构，达到一个时钟周期可以执行一条指令，绝大部分指令都为单周期指令。
而MSC-51要12个时钟周期执行一条指令；
AVR单片机支持程序的在系统编程ISP，开发门槛较低。
只需一条ISP并口下载线,就可以把程序写入AVR单片机，所以进入AVR单片机门槛很低、花钱少。
其中MEGA系列还支持在应用编程IAP；
AVR单片机采用了可多次擦写的FLASH存贮器给用户的开发生产和维护带来方便。
AVR单片机的Flash程序存储器,可擦写1000次以上，而新工艺AVR器件,程序存储器擦写可达10000次以上,因此大家可以放心的实验和调试下载程序；
AVR单片机有丰富的外设，如RTC、WATCHDOG、AD转换器、PWM、UART接口等。
部分型号还可以使用片内振荡器提供系统1～8MHz的系统时钟,使该类单片机无外加晶振器件即可工作；
I/O口功能强、驱动能力大。
AVR单片机的I/O口是真正的I/O口,能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。
I/O口有输入/输出、三态高阻输入,也可设定内部拉高电阻作输入端的功能,以便于各种应用所需。
工业级产品，具有大电流（灌电流）10～40mA,可直接驱动可控硅SSR或继电器,节省了外围驱动器件；
具有较大容量E2PROM，有可擦写10万次的E2PROM,为掉电后数据的保存带来方便,来电后能记住掉电时的工作状态，E2PROM容量为64B～4KB；
AVR是低功耗单片机，具有休眠省电功能（PowerDown）及闲置（Idle）低功耗功能。
一般耗电在1～2.5mA，对于典型功耗情况,WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。
有的器件最低1.8V即可工作；
高度保密性，不可破解的位加密锁LockBit技术，且具有多重密码保护锁死（Lock）功能。
AVR单片机摆脱了51系列中对累加器（ACC）的依赖，那么也就解决了51系列的执行指令的“瓶颈”问题，这也是AVR单片机能够高速运算的一个原因。
3.3ATMega16单片机
本文采用AVR单片机中的高端产品系列——ATMega系列中的ATMega16单片机作为系统的控制器。
ATMega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
3.3.1ATMega16特点:
16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节E2PROM，1K字节的SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；
掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；
在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；
ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有
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