专利名称：路、桥收费系统中的数字视频混合装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数字视频混合装置，尤其是路、桥收费系统中数字视频混合装置。
随着高速公路建设的飞速发展，对智能交通高速公路三大系统(计算机收费系统、监控系统、通信系统)的功能也相应提出了更高的要求。其中，道路收费系统作为高速公路资金回收的重要手段，在智能交通系统中发挥着举足轻重的作用。
目前，我国一般采用的收费方式为“人工收费、检测器校核、闭路电视监视、计算机统计管理”的半封闭式人工收费方式。在常规的收费系统中，闭路电视监视系统和计算机统计管理系统是相互脱节的，从闭路电视系统的录像带中无法看到过往车辆的收费金额等数据信息，从计算机统计报表中也无法看到所收金额对应的车辆、车情等。
本实用新型的目的是提供一种数字视频混合装置，即数字视频混合器(Video Digital Mixer，简称VDM)，对路桥收费的闭路电视监视系统和计算机统计管理两套系统通过数字视频混合装置进行联系，使其成为一套完整的监督检查机制，以便更好地服务于智能交通系统。
本实用新型的目的是这样实现的一种数字视频混合装置，包括输入模块、输出模块、字符叠加模块、通信模块、控制模块电路组成其中输入模块电路包括75欧姆输入阻抗匹配电路及过压保护电路；输出模块电路则由视频放大电路和两路射级跟随器组成，且设有两路或多路75欧姆的视频输出；通信模块电路采用ICL232集成芯片；控制模块电路主要由微处理器构成，所述字符叠加模块由同步提取，阴影发生器、字符发生器以及阴影深浅调节和字符亮度调节电路组成同步电路由同步芯片构成，阴影、字符发生器包括模拟开关电路、阴影、字符产生电路，第一个模拟开关的两路输入分别是未经衰减及经过电位器衰减的视频信号，由阴影控制逻辑电路(即阴影发生器)来控制，输出图像具有阴影，它同时又是第二路模拟开关的一路输入；第二路模拟开关的另外一路输入为电平可调的直流信号，开关由字符控制逻辑电路(即字符发生器)控制，从而使输出图像叠加上字符。
本实用新型的进一步改进是另设有硬件看门狗电路，采用可编程监控器件，以提高系统的抗干扰、抗死机性能；本实用新型的特点是字符叠加模块则是VDM设备的核心，将该设备接入到闭路电视系统中，并随时从计算机管理系统中接收收费情况的数据，动态地插入到带有车辆图像的视频画面中，这样，车型、车况、收费情况、操作员工号、车道等信息在监控系统中就一目了然；随着收费操作员的按键操作动态刷新，便完成了计算机管理系统中的数据与视频监控系统中的视频的结合，从而达到了监督检查的需要。本实用新型能够同时显示字母、数字以及汉字等信息，具有结构简便、功能可靠灵活、成本低廉等优点，可以广泛应用于各种电视监控系统中。本实用新型根据计算机发出的命令在输入视频图像上叠加字符数据信息，并有选择地设置一块矩形透明阴影，从而设计出一种新型的数字视频混合器以满足高速公路收费系统要求，扩大并完善收费站系统信息显示，形成一种良好的收费站监督核查机制。
以下结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步说明
图1为本实用新型的外部I/O结构框图图2为本实用新型结构框图图3为本实用新型输入模块电路图图4为本实用新型输出模块电路图图5为本实用新型通讯电路图图6为本实用新型同步提取电路图图7为本实用新型模拟开关电路图图8为本实用新型点振荡器电路图本实用新型将视频叠加技术应用于高速公路和桥梁的监控、收费计算机管理系统中。数字视频装置主要是针对智能交通系统(ITS)设计的，要保证叠加信息在高亮度背景条件下清晰可见，保证设备在公路现场恶劣的工作环境下长期稳定可靠地运行。主要包括如下电路1．单片机控制技术及计算机通信电路该技术使设备可以与计算机的COM端口直接进行数据通信，便于实现人机交互，根据需要完成多种功能。叠加信息与叠加时机由计算机控制、须利用MCS51系列单片机的串行口和串行通信功能、实现与计算机RS232口通信功能，从计算机接收控制命令，控制字符叠加功能的实现。
2．透明阴影电路为实现抗强光功能，字符显示采用前景/背景调配，前景字符为高亮白色，字符背景为半透明一一在字符显示区域设置一块矩形透明阴影，这样既可以防止白天路面反射日光及夜间车灯眩光对叠加字符亮度和清晰度的影响，确保在高亮度背景下看清楚字符叠加信息；又不会影响背景图像的识别。阴影的深浅根据背景图像亮度连续可调。
3．Watch Dog Timer电路为了确保设备在公路现场恶劣的噪声干扰环境下，能够长期正常、可靠地工作，专门设计了硬件看门狗电路。看门狗在软件运行时不断将其唤醒，一旦发生因干扰而导致的死机情况，看门狗自动复位，从而达到抗干扰、抗死机的效果。
4．基于ITS的通信协议紧密结合数字视频混合设备在智能交通系统(ITS)中的应用，制定专门的通信协议，非常适合于路桥收费、卡口监控等场合。
VDM设备的外部接口，从外部看，VDM设备可以描述如图2所示由图可见，来自摄像机的原始视频和来自计算机的字符信息，经VDM设备处理后，输出图象即为叠加了字符信息的视频信号。
每一个VDM设备内部有两块完全一样且互相独立的电路板；每一块板子都有一个视频输入端口，两个视频输出端口，因此，整个VDM设备有两个视频输入端，四个视频输出端。由于原理完全相同，本文仅取一块电路板作为研究对象，展开分析讨论。
如图1所示，VDM设备大致可以划分为输入模块、输出模块、字符叠加模块、通信模块、控制模块以及硬件看门狗六大部分。其中输入模块主要是实现75欧姆输入阻抗匹配及过压保护；输出模块则由视频放大电路和两路射级跟随器组成，可以驱动两路75欧姆的视频输出；通信模块采用ICL232集成芯片实现逻辑电平的转换，可通过串行口直接与计算机进行通信；控制模块主要是AT89C52单片机，通过它实现对整个系统的控制功能；硬件看门狗采用X25045可编程监控器件，以提高系统的抗干扰、抗死机性能；而字符叠加模块则是VDM设备的核心。
下面根据VDM设备的框图，依次分析各模块的工作原理。
如图3所示，输入模块主要是对输入的视频信号进行75欧姆输入阻抗匹配，并且实现隔离以及过压保护作用。经9014射级跟随后，视频信号被传送给字符叠加模块。其具体的电路图。
如图4所示，输出模块主要是对字符叠加后的视频信号进行放大、射级跟随，分成两路，分别驱动两路75欧姆的视频输出(1Vp-p)。
其具体的电路图。
如图5所示，通信模块是计算机与VDM之间的桥梁。它采用ICL232芯片，实现逻辑电平转换，并把有关显示命令及字符信息传送给字符叠加模块。参见其具体的电路图，图5所示，控制模块电路图中，VDM控制模块的核心器件是AT89C52单片机。采用AT89C52单片机作为VDM的中心控制器件AT89C52具有三个定时/计数器、一个全双工异步通信串行接口，可以选择一个定时/计数器作为串行口波特率发生器，这样就能够方便地实现与计算机的通信功能；AT89C52具有256个字节的内部RAM，满足VDM的数据处理量的要求；它还有8K字节的E2PROM，可将全部程序和字库存放于芯片内部，并能够反复编程，且操作简单，便于开发调试；具有四个8位并行口，I/O口资源丰富；有六个中断矢量，允许八个中断源。
VDM中采用PL/M-51高级程序设计语言对AT89C52进行编程。字符叠加模块电路包括图6-7
字符叠加模块是VDM设备的核心部分。由原理框图可知字符叠加模块主要由同步提取，阴影发生器、字符发生器以及阴影深浅调节和字符亮度调节等部分组成。
图6同步提取图中为了满足阴影和字符定位的准确性，需要提取视频信号中的场同步和行同步。同步提取部分具体电路如图6所示。它采用同步分离芯片LM1881，从视频信号中把行同步和场同步分离出来提供给AT89C52、阴影发生器和字符发生器。
阴影发生器和字符发生器模拟开关是产生阴影和字符的关键器件，VDM采用了双路模拟开关CD4053。如图7所示第一个模拟开关的两路输入分别是未经衰减及经过电位器衰减的视频信号，由阴影控制逻辑电路(即阴影发生器)来控制，输出图像具有阴影，它同时又是第二路模拟开关的一路输入；第二路模拟开关的另外一路输入为电平可调的直流信号，开关由字符控制逻辑电路(即字符发生器)控制，从而使输出图像叠加上字符。
1>阴影产生部分是由可编程逻辑芯片ATF16V8B、计数器芯片74HC4040、双单稳触发器74LS221(U24、U1)、与非门74HC00组合而成的，其输出信号做为控制双路模拟开关CD4053的第一路。
双单稳触发器74LS221与电容、电位器组成延时电路。该延时电路对行同步、场同步进行处理，在屏幕上形成矩形阴影。
74LS221输出脉冲的脉宽Tw由外接R、C的值决定，计算公式为Tw=R·C将电容C取为定值，电阻R采用电位器，即可在一定范围内改变74LS221的输出脉冲的脉宽，从而改变对行、场同步信号的延时值，实现对阴影、字符的上下、左右位置的调整。
透明阴影发生电路矩形阴影实际上就是经过衰减的视频信号，其亮度偏暗，但背景图像完全可以识别，即矩形阴影是透明的。采用透明阴影技术在ITS中是必要的，这样可以适应复杂多变的背景亮度，便于背景图像及叠加信息的识别。
数字行选电路技术GAL器件ATF16V8B(U13)与计数器74HC4040(U10)结合在一起，对行同步进行记数，并且判断是显示一行或者两行(相当于25或50个行同步)，从而实现数字行选功能。采用数字行选技术的优点是确保阴影、字符的稳定显示，不会上下抖动。
具体电路请见原理图上的U1,U10,U13,U24等部分。
2>字符的产生字符的产生需要一个点振荡器，它以单个像素的时间宽度为周期，由74HC14和L、C、R组合而成，如图8所示。U13实现数字行选功能，由开关电路控制点振荡器的起振时间，以保证叠加信息在屏幕上的起始位置完全一致。
74HC14是带有施密特触发器的反相器，输出端Vo为高电平时，通过R3、L1、C2回路对电容C2充电，当C2上电压Vc大于正向阈值电压VIT+时，Vo变为低电平，使得C2上电压Vc降低，Vc小于负向阈值电压VIT-时，输出端再次变为高电平，如此反复，产生了振荡波形。
ATF16V8B(U13)的DOTEN(16脚)为振荡器控制端，当DOTEN为高电平时，开关管T5截止，点振荡器正常工作；当DOTEN为低电平时，开关管T5饱和导通，点振荡器停振。
3>字符信息的读写VDM可显示的字符字库存放在AT89C52内部的E2PROM中，当收到显示命令后AT89C52把点阵信息写入显示芯片RAM6116中。字符点阵信息是以BYTE为单位放在6116中的，来自MCS51系列CPU的地址值和计数器4040产生的计数值经74HC157选通后送至6116的地址输入端。当写状态时74HC157选择由单片机送来的地址值并把数据写入6116中；当读状态时74HC157选择计数器计数值为地址输入6116中，把读出来的数据再经GAL芯片ATF16V8B产生字符叠加控制信号，由这个信号去控制模拟开关，最终达到字符叠加的效果。
在这里，两个计数器4040的时钟信号和复位逻辑是至关重要的。其中第一个4040作为八进制计数器，其溢出信号作为另一个4040的时钟输入，这样就实现了从叠加像素(BIT)到存储单元(BYTE)的一一对应关系。由于一行要显示256个像素(即16个点阵为16×16的汉字宽度)，当八进制计数器计满256时，应将八进制计数器复位，同时对其输入时钟进行屏蔽，直至要显示下一行。因此，计数器复位信号、输入时钟如何形成，不但与行同步、场同步密切相关，而且必须考虑到计数值，它们的逻辑关系是由三片GAL芯片实现的。其中U3主要对AT89C52的地址值译码，去选通RAM6116，并负责在每一行字符像素计数到256时提供一个复位信号。U13实现数字行选功能，并由开关电路控制点振荡器的起振时间，以保证叠加信息在屏幕上的起始位置完全一致。
显示RAM6116中的存储单元(以BIT为单位)是和视频图像上的矩形区域中的像素一一对应的，而对6116的读写则是以BYTE为单位的。这一转化，在显示字符时，是由GAL芯片ATF16V8B(U14)实现的；在写入6116时，是通过软件控制MCS51系列CPU完成的。
阴影深浅调节和字符亮度调节阴影深浅调节和字符亮度调节是由电位器来实现的。电路如图7所示，阴影深浅调节是通过控制在第一路模拟开关选择段上的被衰减的视频信号的幅度来实现的；字符亮度调节是通过控制在第二路模拟开关选择段上的直流信号的幅度来实现的。
X25045硬件看门狗由于VDM主要应用于智能交通系统(ITS)中，必须保证设备在公路现场恶劣的工作环境下能够长期稳定、可靠地运行。为此，需要设计专门的看门狗电路，以提高系统的抗干扰、抗死机性能。
X25045把三种常用的功能看门狗定时器、电压监控、E2PROM组合在一个封装之内，从而降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。
看门狗定时器对微处理器提供了独立的保护系统。系统工作过程中，定时性地向X25045发出ResetWatchDog命令，若系统发生故障，则程序跳飞，ResetWatchDog不被执行，在可选的超时周期(timeoutinterval)之后，X25045将以Reset信号做出响应。用户可从三个预置的值(典型值为0.2s、0.6s、1.4s)中选择此周期，一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不发生改变。
利用X25045低Vcc检测电路，可以保护系统免受低电压状况的影响。当Vcc降到最小Vcc转换点以下时，系统复位。复位一直保持到Vcc上升到最小Vcc检测电平以上200ms为止。
X25045的存贮器部分是CMOS的4096位串行E2PROM，按照512×8来组织，它具有允许简单的三线总线工作的串行外设接(SerialPerpheral Interface)和软件协议。
X25045利用了Xicor公司专有的Direct WriteTM晶片，提供最小为100,000周期/字节的使用期限(endurane)和最小为100年的数据保存期。
本实用新型主要性能特征在收费站监控系统视频信号上迭加车道号、操作员工号、车型、入口、车情等信息。
叠加字符的内容和时机由计算机通过串行口控制。
具有强光抑制功能，以保证在强烈的背景光线下叠加的信息清晰可见。
具有防死机功能。
主要技术指标输1Vp-p 75Ω输出 1Vp-p 75Ω带宽 6MHz增益 0dB微分增益 DG＜2％微分相位 DP＜2％叠加字符电平 0-0.7V可调透明背景亮度 0-0.7V可调
权利要求1.路、桥收费系统中的数字视频混合装置，包括输入模块、输出模块、字符叠加模块、通信模块、控制模块电路组成其中输入模块电路包括75欧姆输入阻抗匹配电路及过压保护电路；输出模块电路则由视频放大电路和两路射级跟随器组成，且设有两路或多路75欧姆的视频输出；通信模块电路采用ICL232集成芯片；控制模块电路主要由微处理器构成，所述字符叠加模块由同步提取，阴影发生器、字符发生器以及阴影深浅调节和字符亮度调节电路组成同步电路由同步芯片构成，阴影、字符发生器包括模拟开关电路、阴影、字符产生电路，第一个模拟开关的两路输入分别是未经衰减及经过电位器衰减的视频信号，由阴影控制逻辑电路(即阴影发生器)来控制，输出图像具有阴影，它同时又是第二路模拟开关的一路输入；第二路模拟开关的另外一路输入为电平可调的直流信号，开关由字符控制逻辑电路(即字符发生器)控制，从而使输出图像叠加上字符。
2.由权利要求1所述的路、桥收费系统中的数字视频混合装置，其特征是另设有采用可编程监控器件的硬件看门狗电路。
专利摘要路、桥收费系统中的数字视频混合装置,包括输入模块、输出模块、字符叠加模块、通信模块、控制模块电路组成:所述字符叠加模块由同步提取,阴影发生器、字符发生器以及阴影深浅调节和字符亮度调节电路组成:同步电路由同步芯片构成,阴影、字符发生器包括模拟开关电路、阴影、字符产生电路,本实用新型提供了一种数字视频混合装置,对路桥收费的闭路电视监视和统计管理系统通过数字视频混合装置进行联系。
文档编号G07B15/06GK2456417SQ0024118
公开日2001年10月24日 申请日期2000年11月29日 优先权日2000年11月29日
发明者沈庆宏, 曹立进, 都思丹, 高敦堂, 季晓勇, 王惠 申请人:南京大学