基于MAX7456的视频电子分划叠加系统设计

长期以来，部队执勤、反恐所使用的轻武器大部分使用机械瞄准，即三点一线，这种依靠射手目视估计运动目标的距离、方向、速度，判断瞄准位置的方式射击命中率低，射击人员暴露，对人身安全带来威胁。为了提高部队作战灵活性、昼夜作战能力以及自我保护能力，近年来单兵武器配备符合机动性要求的小型化(微光、热成像、可见光CCD)视频电子瞄具，已成为重要的发展方向。轻武器视频瞄准器是美军
“地面勇士”系统中单兵作战头盔化夜视眼镜的基本载体。
    视频字符叠加是在模拟视频信号中混入按照视频时序格式排列的字符点阵电压，实现把封装在存储器中的字符数据，按照像元位置与扫描时间的映射关系，通过模拟开关与原始视频图像信号切换，合成为新的标准视频信号输出，从而在屏幕的指定位置上显示出人为添加的字符信息。轻武器视频电子分划瞄准系统摒弃了传统的机械瞄准，将瞄准十字分划与视频图像信号进行电子叠加，用十字分划压住目标进行射击，瞄准精度较高，而且可根据环境温度、风速等因素改变瞄准分化，构成简易电子火控系统，提高射击的一次命中率。同时，这也能改变传统射击方式，真正实现人枪分离，提高官兵的自我保护能力。它与普通视频字符叠加系统的关键区别就是叠加分划线要进行可控二维满屏移动、叠加的字符具有实时显示更新功能、分划线位置精度要达到像素级水平。设计采用模块化方式，硬件系统可靠性强，集成度高，具有
通用性，能与火控系统结为一体，也能与其他功能模块结合，形成能够自动测距、测速、调整放大倍率和修正偏差的全天候观、测、瞄合一的综合瞄准设备，提高了武器的作战效能，使单兵战斗武器具备全天候的精确射击能力。

1 MAX7456结构及工作原理
    MAX7456单通道单色随屏显示(OSD)发生器为本视频分划瞄准系统的核心，其内部结构和引脚如图1所示。它集成了产生用户定义的OSD并加载到输出信号所需的全部功能。MAX7456能够接收NTSC制式或PAL制式复合视频信号。器件包括输入钳位、同步分离器、视频时序发生器、OSD插入复用器、非易失字符存储器、显示存储器、OSD发生器、晶体振荡器以及读／写OSD数据的SPI兼容接口和视频驱动器等。此外，MAX 7456还为系统同步提供场同步、行同步和同步丢失输出信号。时钟输出信号支持多个器件的菊型链接。复合基带视频信号输入到芯片后，首先经过一个钳位电路，产生一个直流偏置电平，可方便片上同步检测和视频信号处理，同时还可以消除低频噪声。同步分离器可从视频信号中分离出行同步和场同步，并可用作字符叠加同步与失同步的检测。显示存储器中存储了480个字符地址，叠加的字符或图片信息根据这些地址被存到字符存储器中相应单元，字符存储器是一个256行64 Byte宽度的非易失存储器，预装了256个字符和图形，用户可通过SPI兼容串行接口可以设置工作模式、显示存储器以及字符存储器。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(CNDO)寄存器都可读，可以对其进行写操作和读操作。每个字符由12行×18列像素点组成，每个像素点用2 Byte数据表示表示3种状态即白色、黑色和透明，因此每个字符需要54 bit像素数据来存储。另外，它还具有特殊的字符显示功能，例如：闪烁、反色、背景控制等。OSD发生器产生OSD点阵像素的状态和是否叠加的控制信号，OSD叠加器根据控制信号来选择输出视频信号还是输出OSD信号。补偿电路可以通过较小的输出耦合电容来降低线路失真。该器件的视频驱动器输出具有2 V／V增益，6 MHz的信号带宽，可以驱动两路150 Ω视频负载。

2 系统总体设计
    本主系统由CCD视频图像采集器、单片机、MAX7456视频叠加显示芯片、供电电路、显示器、键盘及相关电路系统组成，同时预留温度传感器、风速风向传感器、电子罗盘、激光测距仪接口，实现了叠加图像与场景图像同显、手动调节瞄准用十字分划位置。外接12 V锂电池供电，经7805转化为供单片机使用的5 V，系统设置提供掉电存储。其系统硬件设计原理框图如图2所示。

    考虑到实现功能以及设计小型化的要求，系统采用STC12C5608单片机作为主控芯片，它采用了高性能的处理器结构，可以满足多方面的性能要求，高性能、低成本、低功耗、小体积特别适合于集成度要求高、充电不便的场合。同时，本款单片机同时具备SPI串行接口和UART串行接口，由于MAX7456视频叠加模块只有SPI兼容串行接口而没有UART接口，所以单片机不但充当上位机通过串口发送数据到MAX7456视频叠加芯片的中介，而且也作为十字分划线在键盘控制下实现全屏幕移动的主控芯片，以及传感器信息的处理器。
    每个单片机控制一片视频叠加芯片，SPI通信方式采用单主机单从机的配置模式，在设计中，将单片机的4个引脚P1.4(＼SS)、P1.5(N-OSI)、P1.6(MISO)、P1.7(SCLK)分别和MAX7456视频叠加芯片的对应端口相接。为了方便观察与调试，设置单片机电源指示灯，通电红指示灯亮。在单片机引脚上加了一个端口指示灯，当单片机下载程序时，指示灯红、绿灯闪烁。当单片机程序运行正常时，指示灯绿灯正常闪烁。图3所示给出的是MAX7456的硬件电路。

3 系统软件设计
    为适应对多种目标在各种环境下的瞄准射击，可用十字分划瞄准射击。轻武器视频电子枪瞄准叠加与普通视频字符叠加的关键区别就是，叠加分划线要进行可控二维满屏移动，分划线能在水平和垂直方向进行移动。在分划线移动时，由于图形是以字符的形式存储和显示，所以，为了实现分划线按像素移动，需特别注意软件的实现。设计主要包括：PC机的软件设计和单片机软件设计，它们共同完成十字分划瞄
准线、相关字符提示信息以及传感器获取信息的叠加。PC机软件主要完成对MAX7456字库点阵信息的编码，字符信息的更改，字符、十字分划线位置的移动，以及对系统的管理。单片机程序是系统软件的重点，主要实现修改字符串、显示字符串、清除字符串、十字分划线的全屏移动等功能。如图4所示。

3．1 修改字符串
    MAX7456芯片的字符存储器中存储256个字符信息，当需要更换叠加信息时，通过修改字符串程序，将PC机产生的字库点阵信息写到字符存储器中，写完后打开显示使能
   
   
     }
3．2 十字分划线产生
    视频叠加芯片MAX7456关于叠加图像点阵数据在字符存储器(E2PROM)中的存放采用的是“屏幕存储映射”方式，即屏幕上每一个像素点都和一个显示存储单元对应，分划线和字符在屏幕上显示的行列位置取决于它在显示存储区的存储位置。显示字符串程序通过对相应寄存器的设置，实现字符叠加及相应显示属性的定义。要产生十字符只要在把十字符信息存储到相应的显示存储器存储区。

3．3 十字分划线的全屏移动
    芯片在对视频信号进行叠加的过程中，除了在需要叠加的地方叠加了字符信息之外，在不需叠加的地方并非没有叠加任何信息，而是叠加了透明字符块，只是表面上感到没有叠加信息。通过这一启示，本设计采用了写透明字符块来取代清屏的方法，从而既清除了原有的字符叠加信息，达到了叠加新字符的目的，同时又跳过了清屏这一操作，解决了将视频图像中的原有字符全部清掉，再把整屏需要叠加的信息送
入芯片进行叠加而引起的闪屏和更新速度慢的问题。
    视频电子枪瞄准叠加与普通视频字符叠加的关键区别就是叠加分划线要进行可控二维满屏移动，为了实现十字分划线的全屏移动，即当需要改变瞄准分划时，十字分划线通过PC机或者是按键的方式实现左右、上下移动，使十字分划线的中心位置就是轻武器射击时的弹着点。
   
   

4 结束语
    设计的视频分划瞄准系统以MAX7456视频叠加显示模块为基础，使用简单的外围电路，实现了相应功能。系统工作稳定性高，性价比高，体积小，采用按键方式改变视频电子分划位置，能实现视频分划按像素的全屏可控移动，设计操纵简单，便于在轻武器上安装使用，真正实现提高射击人员的射击精度，以及人枪分离下武器装备的全天候精确射击能力。