视频字符叠加是在视频信号中混入字符或简单图文信息，从而在屏幕的特定位置上与图像信号同时进行显示的设备。这项技术是应用电视技术中的一个重要领域，在应用电视系统中和监控系统中发挥着重要的作用。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。
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。
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。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。
uPD6453在视频上可叠加的字符通常为12行x24列，共288个字符；显示的字符类型为RON中已固化的英文字母、数字和日文等240个字符以及用户自定义的16个字符；字符大小可选择为1～4倍；每个字符可以选择8种颜色中的任意一种：显示字符的背景可选择无背景、实背景、方背景中的任意一种；字符像素矩阵为12×18模式，字符间无间距；每个字符是否闪烁可控制；视频RAM中的数据可通过上电或控制命令来清除。UPD6453的控制命令有3种模式，分别是1字节命令、2字节命令和多字节命令。其中1字节命令和2字节命令都由命令部分和数据部分组成。而多字节命令中的所有控制命令均采用以8 bit为单位的可变长度串行输入模式；多字节命令由两个或两个以上的字节组成，它可以以简化的模式输入。多字节命令主要用于字符显示。UPD6453内部数据的处理是以输入的每个字节为单位的。
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 | X | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | F0 | FR |
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
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
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，存储所有的国标汉字需要128K的ROM，这样就需要进行分布管理，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。
以上介绍了芯片uPD6450和uPD6453在视频字符叠加系统中的应用，包括它们的性能特点、控制命令、串行口时序、硬件外围电路设计以及软件设计等。采用这两种芯片进行视频字符叠加系统的设计时，具有显示编辑功能强、设计简单、可靠性高、实用性好待优点，是视频字符叠加的一种较好的选择方案。
[1]. uPD6450 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/uPD6450_1009200.html.
[2]. uPD6453 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/uPD6453_1076290.html.
[3]. 89C52 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/89C52_105388.html.
[4]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[5]. LM1881 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM1881_1060868.html.
[6]. DS12887 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DS12887_1076577.html.
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