0 引言
    目前，各種數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高速公路、電力、銀行等領域得到了廣泛應用。實時圖像跟蹤系統(tǒng)的應用也日益廣泛與深入，對它的終端視頻監(jiān)視系統(tǒng)能實時、直觀地反映目標跟蹤情況提出更高的要求，因此它的顯示作用也變得尤為重要。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)常常采用在屏顯示OSD(On Screen Display)技術來實現(xiàn)人機界面的交互。實際上，在屏顯示技術就是在視頻圖像上疊加文字，從而使顯示屏幕能夠為用戶提供更多的附加信息。
    隨著數(shù)字技術和單片機技術的高速發(fā)展，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷钠占?，可設計用一片高性能單片機，利用現(xiàn)場可編程器件FPGA對采集的視頻數(shù)字圖像做預處理，完成時序控制邏輯，實現(xiàn)視頻、圖形、字符疊加，經(jīng)融合后的視頻信號實時送給監(jiān)視系統(tǒng)進行顯示。

1 系統(tǒng)硬件結構設計
    實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基本思路是：以單片機C8051F121作為主控制芯片，結合現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、高速數(shù)字信號處理器DSP和其他輔助電路，構成視頻圖像與跟蹤處理系統(tǒng)。
1．1 硬件系統(tǒng)結構圖
    硬件系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示，其主要功能模塊有視頻信號預處理模塊、高速模數(shù)變換模塊、FPGA數(shù)字處理模塊、數(shù)字圖像存儲器模塊、DSP數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)通信接口模塊、同步和疊加顯示模塊。

    它的工作過程是：由攝像機輸出的視頻信號經(jīng)嵌位、放大、濾波等預處理電路，再通過高速模／數(shù)轉換器轉換為8位數(shù)字信號輸出。同時同步機對輸入的視頻信號進行行、場同步分離，驅動地址發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的存儲地址，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)在跟蹤窗口的范圍內依照地址產(chǎn)生器的地址按照順序存入圖像采集存儲器。
    系統(tǒng)的時序控制采用美國Xilinx公司的FPGA實現(xiàn)。閃存FLASH用作存放開機自舉的程序機器碼以及有關參數(shù)數(shù)據(jù)。SDRAM是容量為512K× 32 b×4 bank的同步動態(tài)存儲器，該存儲器可用作存儲以DMA方式從雙端口存儲器RAM傳輸過來的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。數(shù)字信號處理器DSP執(zhí)行芯片內的程序存儲區(qū)的程序，對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行處理，與主機進行數(shù)據(jù)通信等工作。由高速數(shù)字信號處理器DSP和數(shù)字圖像存儲器組成的圖像數(shù)據(jù)分析處理單元對目標信號做各種圖像數(shù)據(jù)分析處理，串口部分的作用是實現(xiàn)與主機的數(shù)據(jù)中轉傳輸。處理窗口電路的作用是根據(jù)處理窗口數(shù)據(jù)形成顯示窗口和采集窗口。顯示窗口送至視頻復合電路供顯示和指示跟蹤效果用；采集窗口為場采集窗口和行采集窗口，可用作選通或形成圖像數(shù)據(jù)的存儲地址。視頻混合電路的作用是將顯示窗口、十字線、字符和圖像信號疊加起來，供監(jiān)視器顯示。
1．2 主要部分功能
1．2．1視頻預處理
    視頻預處理電路采用Maxim公司的一分四的視頻分配功率放大器MAX4138進行視頻信號的放大，以得到更清晰的信號來進行視頻處理和顯示。
1．2．2 視頻選擇開關
    本系統(tǒng)中的多路選擇器件選用Maxim公司的4通道高速視頻多路復用器MAX441，它能根據(jù)不同的工作場合來選擇是紅外視頻還是電視視頻輸入。
1．2．3 同步分離模塊
    本系統(tǒng)采用一款由National Semiconductor公司生產(chǎn)的專用視頻同步分離器LM1881，該器件能接收PAL制、NTSC制和SECAM制的全電視信號。輸出復合同步信號、垂直同步信號、奇偶場信號和色同步脈沖信號。
    本設計視頻輸入是PAL制的全電視信號，LM1881從標準的負同步PAL視頻信號中分離出有效的行／場同步信號等，并將其送入FPGA以產(chǎn)生系統(tǒng)的各級邏輯控制時序。
1．2．4 FPGA邏輯控制模塊
    由于系統(tǒng)中各個芯片的功能相對獨立，要協(xié)調這些芯片的運作，就需要一片起控制邏輯作用的可編程芯片，為此，選用了Xilinx公司的SPARTAN-Ⅱ系列的XC2S50TQ144芯片，它不僅能滿足系統(tǒng)的控制要求，而且也可以為將來系統(tǒng)的功能擴展提供控制邏輯。
1．2．5 單片機
    C8051F121是CYGNAL公司的一款高性能的單片機，該芯片具有高速、片內大容量存儲、豐富靈活的外設接口等特點。因此在本設計中采用它作為主控制芯片。
    在本設計中，將C8051F121的系統(tǒng)時鐘配置成80 MHz，因此峰值速度達到80 MIPS，視頻圖形的場頻為50 Hz，這樣對圖形存儲器的每場刷新時間是滿足的。
    C8051F121字符存儲采用“圖形方式”，用EPROM來存儲字符或圖形的點陣數(shù)據(jù)，其點陣形式由設計者自己決定，具有更大的靈活性。其基本工作原理如下：CPU從ROM字庫中取出要顯示字符的點陣數(shù)據(jù)，根據(jù)所設定的在屏幕上的顯示位置，送到顯示RAM的對應位置中去；然后由FPGA產(chǎn)生地址信號對顯示RAM進行掃描，將字符點陣信號并行讀出；最后經(jīng)過并串變換電路轉化為串行碼輸出；再與視頻圖像信號疊加后送
監(jiān)視器屏幕顯示。
    該設計具有顯示字符多、顯示編輯功能強、硬件電路簡化、軟件設計簡單、可靠性強、實用性好、價格適中等優(yōu)點，是視頻漢字字符疊加的一種較好的選擇方案。
1．2．6 圖形緩沖模塊
    由于所要疊加的圖形、漢字數(shù)據(jù)大概占20行，如按一行顯示40個字符，一個字符的容量為32個字節(jié)，因此容量需求為：40×32×20=25 KB，因此圖形存儲器選擇IDT公司的IDT70V08(64K×8 b)雙口RAM來存儲所要疊加的圖形、漢字數(shù)據(jù)。
    IDT70V08是IDT公司的一款高速低功耗64K×8 b的雙端口靜態(tài)RAM。提供兩個端口，允許獨立、異步地對存儲器的存儲單元進行讀寫。應用領域包括內部／多處理器設計，通信狀態(tài)緩沖和雙端口視頻／圖像存儲器。
1．2．7 視頻疊加電路
    用于實現(xiàn)視頻與圖形、字符的疊加，并最終由視頻監(jiān)視器顯示疊加結果。

2 系統(tǒng)軟件設計
    單片機軟件是設計的核心部分。通過軟件實現(xiàn)的功能如圖2所示。其主程序流程圖如圖3所示。

3 結語
    由于在本設計中嵌入式高性能單片機和大規(guī)?，F(xiàn)場可編程器件的靈活運用，采用了在線系統(tǒng)編程技術，使系統(tǒng)更具有靈活性，系統(tǒng)升級方便。不僅使得設計變得更加簡潔，硬件設計大為簡化，縮減了硬件開支，減小了設備體積，大大節(jié)約了成本，而且也提高了設備的可靠性。
    因此這一技術可廣泛應用于工業(yè)、商業(yè)、金融、交通、公安、軍事及住宅小區(qū)等社會生活的各個方面。