UPD6450和uPD6453在视频字符叠加系统中的应用

    摘要：介绍了NEC公司推出的专用字符叠加芯片uPD6450和uPD6453的性能特点及其在视频字符叠加系统中的应用，包括控制命令、串行口时序、硬件外围电路的设计以及软件设计等。

    关键词：视频字符叠加 uPD6450 uPD6453

近年来，随着视频监控系统的广泛应用，其系统容量在不断扩大。字符叠加电路是视频监控系统中不可缺少的一部分。因此，它的显示编辑功能、可靠性以及电路的规模和复杂程序，也就成为设计者十分关注的一个问题。

为了保证在系统容量较大的情况下，实现低成本、高性能的字符叠加，我们尝试了使用NEC公司推出的专用字符叠加芯片uPD6450和uPD6453。实践证明，以这两种芯片为核心设计的字符叠加电路，具有可靠性高、显示编辑功能强、硬件电路简化等优点，是视频字符叠加的一种较好的选择。下面对这两种芯片的性能特点以及它们在字符叠加电路中的具体应用进行简要的介绍。

1 性能特点

uPD6450和uPD6453是NEC公司推出的专用字符叠加芯片，它们的共同特点是显示编辑功能强，可以在屏幕上显示12行24列的字符，每个字符为12×18点阵，字符的大小、闪烁频率可以根据需要进行调整，同时为了达到显示的多样性，屏幕的背景色、字符的边缘色以及字符本身的颜色也可以进行修改。但在某些应用上，这两个芯片之间还是存在着一些差异，主要体现在两个方面，一是芯片uPD6450内部只固化了128个日文、斯文字母和数字等字符的字模，而没有提供自定义字符的RAM空间，因此不能外扩汉字，对我国的大多数用户来说，在使用上存在着一些局限性。UPD6453则较好地解决了这个问题，其内部不但提供240个字节的字模，而且还提供16个字符的RAM空间以供用户填入自定义字符，这就为汉字显示提供了可能。二是这两个芯片在颜色控制上也存在着一些差异，芯片uPD6450e 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；而芯片uPD6453字节的背景色、边缘色以及字符本身的景色均有7种，因此在颜色控制上，芯片uPD6453为用户提供了更多的选择。

2 控制命令和串行口时序

2.1 uPD6450控制命令和控制时序

2.1.1 控制命令

uPD6450一每控制命令均由两个字节组成，前一字节为“格式”，如下所示：

格  式X11111F0FR

格式命令主要用于释放测试模式（FR=1表示释放测试模式），并提供一位（F0）与下一字节相组合以确定命令类型。当连续几条控制命令的第一字节，即“格式”的内容相同时，可以共用一条“格式”命令。芯片uPD6450提供10条控制命令，表1列出了这些控制命令主要的功能特点。

表1 uPD6450控制命令的主要功能

命令类型主要功能显示控制
NTSC/PAL、内部/外部视频信号、晶振控制
显示块垂直/水平位置控制
背景类型、内部视频信号颜色控制
显示字符行/列地址控制
显示字符的大小控制
显示字符的闪烁控制
显示字符的选择确定是否允许显示字符、字符垢闪烁频率，及控制LC振荡的停振和起振
该命令用来选择显示模式和控制晶振的停振和起振。需要注意的是外部视频信号使用LC振荡，内部视频信号使用晶振
用来确定12位24列的字符显示块离屏幕最上端/最左端的距离
用来确定背景类型以及内部视频信号的颜色（有5种颜色选择）

确定字符的显示位置，12行24列对应地址为0000～1011和00000～10111
确定每一行显示字符的大小（一倍、两倍、三倍、四倍显示）
确定某单个字符是否闪烁
确定uPD6450内部固化的128个字符中哪个字符送出显示

2.1.2 控制时序

控制时序如图1所示。DATA、CLK、STB、BUSY分别芯片uPD6450的串行数据输入端、时钟输入端、选通信号输入端及忙信号输出端。只有当BUSY信号为低电平时，uPD6450才能读取CPU输入的串行数据为低电平时，uPD6450才可读取CPU输入的串行数据（先高位后低位），并在STB的上升沿将该8位串行数据写入其内部寄存器。

2.2 uPD6453控制命令和控制时序

2.2.1 控制命令

uPD6453的控制命令分为两种：单字节命令和双字节命令，这两种不同的命令格式具有不同的时序。表2列出了这些控制命令主要的功能特点。

表2 uPD6453控制命令主要功能

命令类型主要功能显示控制确定是否允许显示字符、字符的闪烁频率，及控制LC振荡的停振和起振背景控制确定背景的类型（无背景、字符边缘背景、字符块背景、全屏幕背景）背景颜色控制确定背景的颜色（有7种颜色选择）视频RAM复位此时晶振起振，视频RAM写模式，字符的颜色、大小等为默认设置显示块位置控制用来确定12行24列的字符显示块离屏幕最上端、最左端的距离显示字符行、列地址控制确定字符在12行24列的显示块中的行列位置字符大小、平滑控制确定每一行字符的显示大小，以及用多倍显示时是否采用字符的平滑措施字符RAM写地址控制uPD6453内部提供16个字符的RAM空间，每个字符为12×18点阵，该命令用来确定将点阵数据写入RAM空间中第几个字的第几行（一共18行），写完一行，行地址自动加1，写完一个字，字地址自动加1字符RAM写数据控制确定需要写入RAM空间的一行12个点的点阵数据显示字符控制确定芯片uPD6453的256个字符（包括固化的240个字符以及16个自定义字符）中哪个字符送出显示，以及该字符的显示颜色和是否闪烁

2.2.2 控制时序

图2给出了单字节命令和双字节命令的控制时序。

3 uPD6450和uPD6453在视频字符叠加系统中的应用

3.1 硬件电路设计

采用芯片uPD6453进行字符叠加时，其硬件结构框图如图3 所示。

在该电路设计中，需要注意以下几个问题：

（1）芯片uPD6453内部的字模（包括16个字符的空RAM区）均为12×18点阵的汉字离库很难找到，因此设计中采用了12×12点阵的字库数据，但这样显示的字符比较小。经过试验发现当电感取15μH、电容取56pF时，12×12点阵的汉字字符以双倍显示比较合适。

（2）89C52只能直接管理64K的存储空间，当采用12×12点阵的汉字字库时，存储所有的国标一级汉字需要128K的ROM，这样就需要进行分布管理，最高位的地址线由I/O口引出。

（3）行场同步信号的分离可以采用专用集成电路如LM1881，也可以使用分立模拟元件。关于其具体电路，在参考文献2中已详细论述，需要注意的是uPD6453的输出端只输出叠加的字符信号。

（4）在图3所示的设计框图中，可以在P0口再外接一个时钟芯片，如DS12887，以便能够在视频图像信号上叠加当前时间。

使用芯片uPD6450时，其硬件电路设计与使用uPD6453时存在着一些差异，主要体现在两个方面：一是由于uPD6450只能显示其内部固化的128个字符而不能显示汉字，因此电路设计上不再使用字库ROM；二是芯片uPD6450本身就有视频信号的输入输出管脚，经过字符叠加后的视频信号直接从该管脚输出，与uPD6453只输出字符信号不同。图4、图5给出了uPD6450视频输入输出电路的设计。

3.2 软件设计

一般而言，需要在视频图像信号上叠加标题和时间等信息，以便将来对录像存档的图像信号进行分辨和查找；同时，为了使叠加的字符信息不影响正常的图像显示，字符的显示位置也应是可调整的。基于这两点，将整个系统的软件设计分为6种状态，其状态图如图6所示。

软件编程时，可以在5个设置界面上选用背景色。进行标题设置时，如采用芯片uPD6453，则需要对用户填入的汉字区码进行编辑，从字库ROM中提取出点阵数据，然后通过uPD6453的合成，显示出相应字符；但若采用芯片uPD6453，则可以直接在设置界面上显示出该芯片内部固化的一些常用字符（如斯文字符和数字等），以供用户选择。另外，标题的设置应有字符替换、字符插入、字符删除的功能。时间设置的软件编程比较简单，只需将用户设置的当前时间进行显示并写入时钟芯片即可。在时间移动和标题移动的编程上，芯片uPD6450和uPD6453提供的显示位置调整功能为软件设计带来了很大方便。