基于MAX7456的視頻電子分劃疊加系統(tǒng)設(shè)計

長期以來，部隊執(zhí)勤、反恐所使用的輕武器大部分使用機械瞄準，即三點一線，這種依靠射手目視估計運動目標的距離、方向、速度，判斷瞄準位置的方式射擊命中率低，射擊人員暴露，對人身安全帶來威脅。為了提高部隊作戰(zhàn)靈活性、晝夜作戰(zhàn)能力以及自我保護能力，近年來單兵武器配備符合機動性要求的小型化(微光、熱成像、可見光CCD)視頻電子瞄具，已成為重要的發(fā)展方向。輕武器視頻瞄準器是美軍
“地面勇士”系統(tǒng)中單兵作戰(zhàn)頭盔化夜視眼鏡的基本載體。
視頻字符疊加是在模擬視頻信號中混入按照視頻時序格式排列的字符點陣電壓，實現(xiàn)把封裝在存儲器中的字符數(shù)據(jù)，按照像元位置與掃描時間的映射關(guān)系，通過模擬開關(guān)與原始視頻圖像信號切換，合成為新的標準視頻信號輸出，從而在屏幕的指定位置上顯示出人為添加的字符信息。輕武器視頻電子分劃瞄準系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的機械瞄準，將瞄準十字分劃與視頻圖像信號進行電子疊加，用十字分劃壓住目標進行射擊，瞄準精度較高，而且可根據(jù)環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素改變瞄準分化，構(gòu)成簡易電子火控系統(tǒng)，提高射擊的一次命中率。同時，這也能改變傳統(tǒng)射擊方式，真正實現(xiàn)人槍分離，提高官兵的自我保護能力。它與普通視頻字符疊加系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)別就是疊加分劃線要進行可控二維滿屏移動、疊加的字符具有實時顯示更新功能、分劃線位置精度要達到像素級水平。設(shè)計采用模塊化方式，硬件系統(tǒng)可靠性強，集成度高，具有
通用性，能與火控系統(tǒng)結(jié)為一體，也能與其他功能模塊結(jié)合，形成能夠自動測距、測速、調(diào)整放大倍率和修正偏差的全天候觀、測、瞄合一的綜合瞄準設(shè)備，提高了武器的作戰(zhàn)效能，使單兵戰(zhàn)斗武器具備全天候的精確射擊能力。

1 MAX7456結(jié)構(gòu)及工作原理
MAX7456單通道單色隨屏顯示(OSD)發(fā)生器為本視頻分劃瞄準系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳如圖1所示。它集成了產(chǎn)生用戶定義的OSD并加載到輸出信號所需的全部功能。MAX7456能夠接收NTSC制式或PAL制式復(fù)合視頻信號。器件包括輸入鉗位、同步分離器、視頻時序發(fā)生器、OSD插入復(fù)用器、非易失字符存儲器、顯示存儲器、OSD發(fā)生器、晶體振蕩器以及讀／寫OSD數(shù)據(jù)的SPI兼容接口和視頻驅(qū)動器等。此外，MAX 7456還為系統(tǒng)同步提供場同步、行同步和同步丟失輸出信號。時鐘輸出信號支持多個器件的菊型鏈接。復(fù)合基帶視頻信號輸入到芯片后，首先經(jīng)過一個鉗位電路，產(chǎn)生一個直流偏置電平，可方便片上同步檢測和視頻信號處理，同時還可以消除低頻噪聲。同步分離器可從視頻信號中分離出行同步和場同步，并可用作字符疊加同步與失同步的檢測。顯示存儲器中存儲了480個字符地址，疊加的字符或圖片信息根據(jù)這些地址被存到字符存儲器中相應(yīng)單元，字符存儲器是一個256行64 Byte寬度的非易失存儲器，預(yù)裝了256個字符和圖形，用戶可通過SPI兼容串行接口可以設(shè)置工作模式、顯示存儲器以及字符存儲器。狀態(tài)(STAT)寄存器、顯示存儲器數(shù)據(jù)輸出(DMDO)寄存器和字符存儲器數(shù)據(jù)輸出(CNDO)寄存器都可讀，可以對其進行寫操作和讀操作。每個字符由12行×18列像素點組成，每個像素點用2 Byte數(shù)據(jù)表示表示3種狀態(tài)即白色、黑色和透明，因此每個字符需要54 bit像素數(shù)據(jù)來存儲。另外，它還具有特殊的字符顯示功能，例如：閃爍、反色、背景控制等。OSD發(fā)生器產(chǎn)生OSD點陣像素的狀態(tài)和是否疊加的控制信號，OSD疊加器根據(jù)控制信號來選擇輸出視頻信號還是輸出OSD信號。補償電路可以通過較小的輸出耦合電容來降低線路失真。該器件的視頻驅(qū)動器輸出具有2 V／V增益，6 MHz的信號帶寬，可以驅(qū)動兩路150 Ω視頻負載。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計
本主系統(tǒng)由CCD視頻圖像采集器、單片機、MAX7456視頻疊加顯示芯片、供電電路、顯示器、鍵盤及相關(guān)電路系統(tǒng)組成，同時預(yù)留溫度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、電子羅盤、激光測距儀接口，實現(xiàn)了疊加圖像與場景圖像同顯、手動調(diào)節(jié)瞄準用十字分劃位置。外接12 V鋰電池供電，經(jīng)7805轉(zhuǎn)化為供單片機使用的5 V，系統(tǒng)設(shè)置提供掉電存儲。其系統(tǒng)硬件設(shè)計原理框圖如圖2所示。

考慮到實現(xiàn)功能以及設(shè)計小型化的要求，系統(tǒng)采用STC12C5608單片機作為主控芯片，它采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，可以滿足多方面的性能要求，高性能、低成本、低功耗、小體積特別適合于集成度要求高、充電不便的場合。同時，本款單片機同時具備SPI串行接口和UART串行接口，由于MAX7456視頻疊加模塊只有SPI兼容串行接口而沒有UART接口，所以單片機不但充當(dāng)上位機通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到MAX7456視頻疊加芯片的中介，而且也作為十字分劃線在鍵盤控制下實現(xiàn)全屏幕移動的主控芯片，以及傳感器信息的處理器。