摘要：重點介紹了北京市嵌入式系統重點實驗室自主研發的OSD產生芯片BES7456的組成和原理，并給出應用該芯片的具體方法和實現效果。闡述了OSD原理及芯片設計的原理，接著給出根據具體要求需要的外圍設計方案，給出了系統軟硬件的設計步驟，最后給出實測結果。
關鍵詞：OSD；BES7456；應用平臺

引言
    BES7456芯片是北京市嵌入式系統重點實驗室應珠海安聯銳視科技有限公司的要求，開發的一款用于安全視頻監控市場的隨屏字幕顯示芯片。該芯片應具有黑白字幕疊加功能，可以兼容當前市面主流攝像頭視頻制式，內置RAM與外置非易失性存儲器用I2C連接，能夠滿足大多數情況下監控系統對字幕信息的需求。由于OSD(OnScreen Display)芯片的開發在國內尚處于起步階段，所以該項目的研究對相關技術的發展有著重要的現實意義。
    BES7456是單色單通道隨屏顯示(OSD)發生器，主要應用于黑白模擬電視信號上疊加字幕。它將外部視頻驅動器、同步分離器、視頻開關、存儲器集成在一起，有效降低成本。BES7456采用符合NTSC和PAL制式的256個用戶可編程字符，這些字符預先加載并通過SPI接口進行在線編程。BES7456適用范圍廣，可以方便地顯示任意字符、尺寸的各種信息，例如公司標識、常用圖形、日期時間等。BES7456提供LQFP(Low-pro-file Quad Flat Package)48封裝，外形尺寸較小，寄生參數減小，工作于擴展級(-40～+85℃)溫度范圍。

1 OSD顯示原理與BES7456芯片
    BES7456的內部工作原理是當視頻信號經過鉗位電路(clamp)時進行“直流重建”，由同步分離電路(SYNCseparator)得到要顯示的位置信息，視頻時序發生器產生所有內部和外部(Vsync和Hsync)時序信號，經由隨屏顯示發生器(OSD generlator)產生數字信號形式，再經過DAC轉換為模擬信號像素，在視頻開關(MUX)處切換字符與原電視信號，最后經過功率放大器(driver)輸出到電視接收端，在電視中可以看到經過疊加后的混合視頻信號。
1．1 BES7456的內部結構
    BES7456內部集成有產生OSD像素以及將其插入復合視頻信號所需的全部功能，與外部EEPROM聯合使用。該器件內置有輸入箝位、同步發生器、視頻定時發生器、OSI)插入MUX、字符存儲器RAM、顯示存儲器SRAM、OSD發生器、晶體振蕩器、可讀／寫OSD數據的SPI兼容接口以及視頻驅動器。BES7456芯片的內部結構如圖1所示。

1．2 BES7456主要模擬模塊概述
    (1)鉗位電路
    采用BES7456芯片的OSD系統使用較為流行的交流耦合輸入／輸出結構，而在隨之帶來的場一時間失真的問題上，這里通過在輸入級內部使用鉗位電路的方法來解決。鉗位電路需要將VIN的同步脈沖的黑色電平穩定地鉗位到相對于模擬地稍高的位置上，使得后續的同步分離電路能正確地分離出同步脈沖。
    (2)同步分離器
    在OSD系統中，OSD芯片需要告訴外部控制器何時可以訪問芯片內部狀態寄存器或更新屏幕上的字符顯示，否則就會發生存儲器訪問的混亂。根據視頻掃描原理，如果利用消隱時間對顯示存儲器的內容進行修改，就可以實現字幕的實時更新。利用行同步信息可以確定字符像素
在電視畫面中的水平坐標，利用場同步信息可以計算出字符像素在畫面中的垂直位置。場同步輸出與第一個輸入脈沖的鋸齒波的上升沿，同步結束于第一個后均衡脈沖的后沿，因此它比2．5 Hz的場同步要稍微寬一些。
    (3)數模轉換器(DAC)
    在本設計的OSD系統中，DAC的作用是將字符生成器模塊產生的OSD數字流轉換為模擬電平信號，從而產生實時的字符圖像。實際上，正常工作使用內同步信號時字符生成模塊會持續輸出帶有行、場同步信號的黑白視頻流，經過DAC轉換成1 Vp-p的標準黑白視頻信號，視頻開關只在需要插入OSD圖像的時刻才將輸入切換到DAC的輸出。
    為滿足常見的OSD顯示的需要，對于DAC，至少需要7位有效位才能區分出所有這些電平來。如果要在電視屏幕上同時并排顯示30個字符，每個字符為12列×18行，即每行圖像應能分辨出360個像素點，根據PAL制式每行的圖像掃描時間52μs，DAC的采樣時鐘頻率至少應為6．94 MHz(每個采樣點的周期為144 ns)。由于DAC的下一級為視頻開關，并且為直流耦合，DAC所輸出的OSD信號(最大1．14 Vp-p)需要有合適的偏置電壓才能正常通過視頻開關和視頻驅動器模塊。

2 OSD芯片應用平臺的設計與實現
2．1 軟件應用平臺的建立
2．1．1 使用、調試注意事項
    在運行整個OSD系統時必須在MCU上運行軟件來控制BES7456芯片的時序，本系統的MCU采用的是Maxim公司生產的MAXQ2000單片機，這款單片機主要的好處是有專用的SPI接口。與MCU的在線通信調試可以通過JTAG接口，運行于Windows平臺下的IAR EmbeddedWorkbench 2．10A是專門用于MAXQ系列微控制器的集成開發工具之一，目前已被大多數MAXQ系列芯片開發所使用。在IAR下建立新工程時，應該注意需要設置的
編譯選項：General Option／Target／Device 并選MAX200X，以及General Option／Debugger／JTAG，并在COM port中選擇相應的接口，可以在電腦的設備管理器中查看所安裝的接口。
2．1．2 SPI接口、時序、使用方法
    BES7456支持高達10 MHz接口時鐘(SCLK)。圖2為寫數據時序，圖3是從器件讀數據的時序。寫寄存器時，拉低可使能串行接口。在SCLK的上升沿從SDIN讀取數據。當變為高電平時，數據鎖存到輸入寄存器。如果傳輸過程中變高，程序終止(即數據不寫入寄存器)。變低之后，器件等待從SDIN讀入第一個字節，以確定正在執行的數據傳輸類型。

    讀寄存器時，如上文所述，拉低CS在SCLK的上升沿鎖入SDIN。然后數據在SCLK的下降沿從SDOUT輸出。SPI命令長度為16位：最高8位(MSB)代表寄存器地址，最低8位(LSB)代表數據(如圖2、圖3所示)。這種格式有兩個例外：
    ①自動遞增寫模式，用于訪問顯示存儲器，是一個8位操作。寫數據前必須寫入起始地址。對顯示存儲器執行自動遞增寫命令時，8位地址由內部產生，串口只需8位數據，如圖4所示。

    ②從顯示存儲器讀字符數據時，若處于16位工作模式，應該是24位(8位地址+16位數據)。執行讀操作時，只需要8位地址，如圖3所示。
2．1．3 應用信息
    (1)字符存儲器CM(Character-Memory)操作
    BES7456的字符存儲器一次只能寫入或讀出全部的字符(54字節)，這可通過SPI端口，經過MCU(MAxQ2000)實現。這里給出寫入字符操作，讀出操作類似可以相應得出：寫入VM0[3]=0以禁止OSD顯示→寫入CMAH[7：0]-xxH，選擇寫入字符(0～255)→寫入CMAL[7：0]=xxH，選擇寫入字符的4個像素字節(0～63)→寫入CMDI[7：0]=xxH設置字符所選部分像素值→重復前兩步，直到字符數據的54個字節寫入RAM中→寫入VM0[3]=1，使能OSD圖像。
    (2)顯示存儲器DM(Display Memory)的操作
    對顯示存儲器的操作更多一些，這里給出常用的操作，其他情況對應寄存器表可以很快得出。以下步驟支持對OSD圖像的查看，讀寫顯示存儲器時不需要這些動作：寫入VM0[3]=1，使能OSD圖像顯示；寫入OSDBL[4]=0，使能自動OSD黑電平控制，保證正確的OSD圖像亮度，該寄存器包含4個預設為[3：0]，不能修改，因此，修改第4位時，首先讀取OSDBL[7：0]，修改第4位，然后寫回更新后的字節。
    8位模式下，寫入顯示存儲器的步驟為：向顯示存儲器寫入字符時，8位工作模式最靈活，這一模式支持為每一個字符寫入單獨的字符屬性字節，這一模式與16位工作模式不同，在16位模式下，當寫入一個字符時，從DMM[5：3]自動復制其字符屬性。寫入DMM[6]=1，選擇8位工作模式。
    16位模式下，讀取顯示存儲器的步驟：寫入DMM[6]=0，選擇16位工作模式。寫入DMAH[0]，選擇需要讀取數據的地址MSB寫入DMAL[7：0]=xxH，選擇需要讀取數據地址的MSB以外的低位數據該地址確定字符在顯示器上的位置讀取DMDO[7：0]，從顯示存儲器中的所選位置讀取數據。
2．2 硬件應用平臺的建立
    用BES7456芯片作為OSD系統的核心部件時，需要添加相應的外圍器件才行。圖5為OSD模塊的硬件結構框圖。其中，BES7456負責對輸入的模擬視頻信號進行加字幕處理；MAxQ2000作為一顆低壓微功耗單片機，本身自帶SPI接口，可以運行10 Mbps的速率，速度快，為BES7456提供相應的控制信號，并負責通過串口與．PC通信，以獲得用戶自定義的字符集和配置信息，也可通過GPIO模擬SPI接口時序，但速度慢；MAX-3002是一顆雙向電平轉換芯片，經過設定，它可在1．2～5．5 V之間的信號進行相互轉換，把它作為MAXQ2000的2．5 V系統信號轉化為BES-7456可以使用的1．2 V數字系統信號，以及3．3 V的模擬信號都綽綽有余；MAX3311是與MAXQ2000配套的串口芯片，提供與PC通信的串口信號轉換；MAX8881作為電源轉換芯片，在此可將5 V的供電轉化為單片機和buffer芯片需要的2．5 V電源，AMS117負責將5 V電源轉為3．3 V，而IP3878ADJ則負責將3．3 V電源轉為BES7456需要的1．2 V電源。

2．3 實現效果
    采用BEST456芯片作為OSD核心部件的系統顯示，非常穩定適合于模擬電視信號的視頻字幕的疊加。而且這一系統能夠隨時調整顯示字幕的內容，方便修改并可通過I2C接口編輯字幕庫。

    圖6中最左邊的低電平部分為視頻信號的VSYNC信號，右邊最高電平的一部分為疊加上去的，其余的是正常視頻信號。圖7中背景為實驗室的測試屋一角，高亮白電平為自己編輯的字幕，可以自由改變其內容。

結語
    如上所述，使用自主研發BEST456芯片作為字幕疊加處理芯片完全可以到達很好的顯示和應用效果。使用它不僅可以擺脫國外產品對我國此類芯片的壟斷，有效節約成本，也能促進我國集成電路產業的發展。