MAX7456結構、工作原理及實現(xiàn)視頻分劃瞄準系統(tǒng)的設計

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系，通過模擬開關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、風速等因素改變瞄準分化，構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)結為一體，也能與其他功能模塊結合，形成能夠自動測距、測速、調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結構及工作原理

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，其內部結構和引腳如圖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單元，字符存儲器是一個256行 64 Byte寬度的非易失存儲器，預裝了256個字符和圖形，用戶可通過SPI兼容串行接口可以設置工作模式、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。該器件的視頻驅動器輸出具有2 V／V增益，6 MHz的信號帶寬，可以驅動兩路150 Ω視頻負載。

2 、系統(tǒng)總體設計

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、鍵盤及相關電路系統(tǒng)組成，同時預留溫度傳感器、風速風向傳感器、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、手動調節(jié)瞄準用十字分劃位置。外接12 V鋰電池供電，經(jīng)7805轉化為供單片機使用的5 V，系統(tǒng)設置提供掉電存儲。其系統(tǒng)硬件設計原理框圖如圖2所示。

考慮到實現(xiàn)功能以及設計小型化的要求，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構，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。

每個單片機控制一片視頻疊加芯片，SPI通信方式采用單主機單從機的配置模式，在設計中，將單片機的4個引腳P1.4（＼SS）、P1.5（N- OSI）、P1.6（MISO）、P1.7（SCLK）分別和MAX7456視頻疊加芯片的對應端口相接。為了方便觀察與調試，設置單片機電源指示燈，通電紅指示燈亮。在單片機引腳上加了一個端口指示燈，當單片機下載程序時，指示燈紅、綠燈閃爍。當單片機程序運行正常時，指示燈綠燈正常閃爍。圖3所示給出的是MAX7456的硬件電路。

3、 系統(tǒng)軟件設計

為適應對多種目標在各種環(huán)境下的瞄準射擊，可用十字分劃瞄準射擊。輕武器視頻電子槍瞄準疊加與普通視頻字符疊加的關鍵區(qū)別就是，疊加分劃線要進行可控二維滿屏移動，分劃線能在水平和垂直方向進行移動。在分劃線移動時，由于圖形是以字符的形式存儲和顯示，所以，為了實現(xiàn)分劃線按像素移動，需特別注意軟件的實現(xiàn)。設計主要包括：PC機的軟件設計和單片機軟件設計，它們共同完成十字分劃瞄準線、相關字符提示信息以及傳感器獲取信息的疊加。PC機軟件主要完成對MAX7456字庫點陣信息的編碼，字符信息的更改，字符、十字分劃線位置的移動，以及對系統(tǒng)的管理。單片機程序是系統(tǒng)軟件的重點，主要實現(xiàn)修改字符串、顯示字符串、清除字符串、十字分劃線的全屏移動等功能。如圖4所示。

3．1 修改字符串

MAX7456芯片的字符存儲器中存儲256個字符信息，當需要更換疊加信息時，通過修改字符串程序，將PC機產(chǎn)生的字庫點陣信息寫到字符存儲器中，寫完后打開顯示使能

}

3．2 十字分劃線產(chǎn)生

視頻疊加芯片MAX7456關于疊加圖像點陣數(shù)據(jù)在字符存儲器（E2PROM）中的存放采用的是“屏幕存儲映射”方式，即屏幕上每一個像素點都和一個顯示存儲單元對應，分劃線和字符在屏幕上顯示的行列位置取決于它在顯示存儲區(qū)的存儲位置。顯示字符串程序通過對相應寄存器的設置，實現(xiàn)字符疊加及相應顯示屬性的定義。要產(chǎn)生十字符只要在把十字符信息存儲到相應的顯示存儲器存儲區(qū)。

3．3 十字分劃線的全屏移動

芯片在對視頻信號進行疊加的過程中，除了在需要疊加的地方疊加了字符信息之外，在不需疊加的地方并非沒有疊加任何信息，而是疊加了透明字符塊，只是表面上感到?jīng)]有疊加信息。通過這一啟示，本設計采用了寫透明字符塊來取代清屏的方法，從而既清除了原有的字符疊加信息，達到了疊加新字符的目的，同時又跳過了清屏這一操作，解決了將視頻圖像中的原有字符全部清掉，再把整屏需要疊加的信息送入芯片進行疊加而引起的閃屏和更新速度慢的問題。

視頻電子槍瞄準疊加與普通視頻字符疊加的關鍵區(qū)別就是疊加分劃線要進行可控二維滿屏移動，為了實現(xiàn)十字分劃線的全屏移動，即當需要改變瞄準分劃時，十字分劃線通過PC機或者是按鍵的方式實現(xiàn)左右、上下移動，使十字分劃線的中心位置就是輕武器射擊時的彈著點。

4 、結束語

設計的視頻分劃瞄準系統(tǒng)以MAX7456視頻疊加顯示模塊為基礎，使用簡單的外圍電路，實現(xiàn)了相應功能。系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，性價比高，體積小，采用按鍵方式改變視頻電子分劃位置，能實現(xiàn)視頻分劃按像素的全屏可控移動，設計操縱簡單，便于在輕武器上安裝使用，真正實現(xiàn)提高射擊人員的射擊精度，以及人槍分離下武器裝備的全天候精確射擊能力。

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