船用OSD和雙絞線傳輸系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

彭曉鈞，李文甫

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

在船用測(cè)控系統(tǒng)中，需要在不同通道的模擬視頻信號(hào)中混入船只的不同類型的實(shí)況信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而在測(cè)控中心監(jiān)視器的指定位置上實(shí)現(xiàn)與圖像信號(hào)的同時(shí)顯示(On－Screen Display，OSD)。這樣就可以為測(cè)控設(shè)備提供必要的提示信息，作為數(shù)據(jù)分析與解算的依據(jù)[1]。

隨著多信息綜合布線系統(tǒng)的快速發(fā)展及普及，在船用環(huán)境中采用雙絞線傳輸視頻基帶信號(hào)的技術(shù)越來越受到重視。但視頻信號(hào)在雙絞線中傳輸時(shí)常遇到“頻率失真”問題，其特點(diǎn)是:1)低頻衰減最小，頻率越高衰減越嚴(yán)重;2)雙絞線越長，頻率失真越嚴(yán)重，雙絞線長度加倍，衰減的分貝數(shù)加倍。因此，雙絞線傳輸設(shè)備的基本作用就是提供一定的放大增益，補(bǔ)償雙絞線的傳輸衰減。

基于船用測(cè)控系統(tǒng)的特定需求，本文設(shè)計(jì)了一套多路視頻字符疊加和雙絞線傳輸系統(tǒng)。將用戶感興趣船只的相關(guān)數(shù)據(jù)疊加到指定的視頻信號(hào)上，然后經(jīng)由采用有源差分信號(hào)發(fā)送放大器和接收器搭建的雙絞線視頻傳輸系統(tǒng)，可將視頻信號(hào)傳輸至1～2 km，圖像質(zhì)量接近光纖傳輸?shù)男Ч?/p>

1 系統(tǒng)的硬件組成、接口及主要功能

1.1 系統(tǒng)組成

船用OSD和雙絞線傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。主要包括MCU(Micro－programmed Control Unit，微程序控制器)、多路視頻字符疊加模塊、多機(jī)通信模塊和雙絞線視頻基帶傳輸模塊。

圖1 船用視頻切換及雙絞線視頻基帶傳輸系統(tǒng)組成框圖

1.2 各模塊的功能與特性

綜合考慮系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)需求，MCU選用PIC16F877A，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制多路視頻的字符疊加，同時(shí)負(fù)責(zé)與前端的3個(gè)探測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)RS－485通信。

多路視頻字符疊加模塊基于MAX7456搭建。它負(fù)責(zé)將前端探測(cè)器傳送過來的船只的各種信息，諸如船橫搖(縱搖、升沉)的角度、工作目標(biāo)位置流速(流向等)、當(dāng)前位置流速(流向)、船只當(dāng)前航速(節(jié))、當(dāng)前位置(經(jīng)緯度)，還包括人工測(cè)量的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如表面流速(流向)、海水水溫、潮汐潮高等，分別疊加到不同的視頻上，最終傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的DVS(Digital Video Server，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器)[2－3]，并可根據(jù)需要顯示到不同的監(jiān)視器上。

多機(jī)通信模塊基于GM8123設(shè)計(jì)。通過SN65176分別與前端的探測(cè)器相連接，即可實(shí)現(xiàn)MCU與多個(gè)探測(cè)器的實(shí)時(shí)RS－485通信。

雙絞線視頻基帶傳輸模塊由視頻發(fā)送和視頻接收組成。其中，視頻發(fā)送包括非平衡－平衡轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)，視頻接收包括接收匹配補(bǔ)償及平衡－非平衡轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 多路視頻字符疊加模塊的電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，相鄰的3路視頻信號(hào)和3路探測(cè)器信號(hào)組成一個(gè)“前端模塊”，經(jīng)由雙絞線傳輸至監(jiān)控中心的DVS。理論上，可根據(jù)需要及DVS的輸入視頻通道數(shù)擴(kuò)展多個(gè)這樣的“前端模塊”。

MAX7456是單通道OSD發(fā)生器，用戶可以方便地利用它在動(dòng)態(tài)視頻上疊加定制的字符和圖形[4]。其不需要外部視頻驅(qū)動(dòng)器、同步分離器和視頻開關(guān)，大大降低了系統(tǒng)成本。另外，MAX7456預(yù)裝了256個(gè)字符和圖形，并可通過SPI接口在線編程，這樣，用戶可根據(jù)需要任意調(diào)用或改寫其上的字符存儲(chǔ)器中的內(nèi)容。

MAX7456提供一個(gè)TTL時(shí)鐘輸出(CLKOUT)，可驅(qū)動(dòng)另一個(gè)MAX7456的CLKIN引腳。使用外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)或多個(gè)MAX7456元件。這樣，即可通過一片帶有晶振的MAX7456為多個(gè)MAX7456元件提供時(shí)鐘信號(hào)。MAX7456極大地簡化了視頻字符疊加器的設(shè)計(jì)，有效克服了傳統(tǒng)視頻字符疊加器的缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。

多路視頻字符疊加模塊的主要電路可參見文獻(xiàn)[5]中的圖25。

2.2 多機(jī)通信模塊的電路設(shè)計(jì)

每個(gè)前端模塊包括3個(gè)探測(cè)器，它們均通過RS－485總線不定時(shí)地與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換?？紤]到這種通信的“隨機(jī)性”，采用GM8123和SN65176搭建了多機(jī)通信模塊。GM8123芯片的外部控制少、應(yīng)用靈活、編程使用簡單，可為用戶提供最簡單和高性能的串口擴(kuò)展方案。這樣，3個(gè)探測(cè)器可同時(shí)與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。多機(jī)通信模塊的主要電路如圖2所示。

2.3 雙絞線傳輸模塊的電路設(shè)計(jì)

圖2 多機(jī)通信原理圖

為解決視頻信號(hào)在雙絞線介質(zhì)中傳輸時(shí)所遇到的“頻率失真”問題，在設(shè)計(jì)視頻傳輸模塊時(shí)，應(yīng)保證其“補(bǔ)償特性”與雙絞線的“頻率失真”特性相反、互補(bǔ)，即“補(bǔ)償特性”應(yīng)該是:視頻傳輸模塊的增益必須具有“頻率越高增益越大”的基本特點(diǎn)。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)特性的真正恢復(fù)。同時(shí)考慮到每個(gè)前端模塊中的視頻通道數(shù)，選用 EL5371[2]和 EL5372[3]來搭建視頻傳輸模塊。EL5371是差分信號(hào)發(fā)送放大器，可同時(shí)完成3路非平衡信號(hào)到平衡信號(hào)的轉(zhuǎn)換。EL5372是差分信號(hào)接收放大器，可同時(shí)完成3路平衡信號(hào)到非平衡信號(hào)的轉(zhuǎn)換。另外，它們的增益均由外接電阻設(shè)定，因此可根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境靈活地調(diào)整視頻信號(hào)的電壓增益。

基于EL5371和EL5372的雙絞線視頻基帶傳輸模塊如圖3所示。

圖3 基于EL5371和EL5372的雙絞線視頻傳輸系統(tǒng)組成框圖

圖3中，EL5371的電壓增益由外接電阻RF和RG設(shè)定，計(jì)算公式為

EL5372的電壓增益由外接電阻RF和RG設(shè)定，計(jì)算公式為

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序同樣采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、系統(tǒng)初始化子程序、中斷判斷及子串口選擇子程序、信息接收子程序和字符疊加子程序等模塊組成[6]，主程序流程圖如圖4所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

在溫度為41℃、濕度為92%的船用環(huán)境中，經(jīng)雙絞線傳輸950 m后，測(cè)控中心監(jiān)視器得到的視頻截圖如圖5、圖6所示，所有視頻清晰流暢、無拖尾，字符醒目、無閃爍。

5 結(jié)論

船用環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果表明:本系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，完全滿足船用測(cè)控系統(tǒng)的需求，同時(shí)也順應(yīng)了多信息綜合布線技術(shù)的發(fā)展潮流。設(shè)計(jì)采用模塊化方式，硬件系統(tǒng)具有集成度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、后期維護(hù)方便的特點(diǎn)。

另外，本系統(tǒng)中的各個(gè)子模塊具有良好的可移植性，比如“多路視頻字符疊加模塊”可廣泛應(yīng)用于任意的“需要在模擬視頻信號(hào)中混入信息數(shù)據(jù)”的場(chǎng)合，“雙絞線傳輸模塊”適用于任何需要進(jìn)行“非平衡－平衡轉(zhuǎn)換”和“平衡－非平衡轉(zhuǎn)換”的應(yīng)用。

[1]彭曉鈞，吳敏淵，王衛(wèi)平，等.基于雙線陣CCD的EPC/CPC測(cè)量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 光電子技術(shù)，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]汪輝，王昌明，宋高順，等.基于MAX7456的字符疊加系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)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]彭曉鈞，何平安，袁炳夏.基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 光電子·激光，2007，18(7):803－807.