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視頻瞄準系統(tǒng)中“+”字分劃線疊加的設計
來源：電子技術應用2013年第8期
李 銳,，張伯虎
武警工程大學 信息工程系,，陜西 西安710086
摘要： 研究了視頻瞄準系統(tǒng)中“+”字分劃線疊加問題，該模塊由CCD視頻圖像采集器,、單片機,、視頻字符疊加芯片,、按鍵、顯示器及相關電路組成,。應用視頻疊加技術,，以MAX7456為核心產生電子分劃線。實驗結果表明,，該瞄準鏡可準確地疊加電子分劃線,，顯示清晰的瞄準目標圖像，具有瞄準實時性強,、操作簡便,、靈活可靠等特點。
中圖分類號： TN91
文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2013)08-0023-03
Design of electronic sub-dash figure ‘+’ generated in a video aiming
Li Rui,，Zhang Bohu
Department. of Communication Engineering, China Armed Police Force′s Engineering University, Xi′an 710086,，China
Abstract： This paper has studied electronic sub-dash in a video aiming. It consists of CCD image sensor，microcontroller unit, the chip of video aiming generating electronic sub-dash, press keys and some electric circuit. Using the technology of screen display, the electronic sub-dash is produced with MAX7456 chip. The experimental results indicate that this video aiming could generate electronic sub-dash accurately and display the target image clearly. It also has the advantages of aiming in real-time, operation flexibility and reliability.
Key words : video aiming,；sub-dash figure ‘+’,；MAX7456

    隨著國內安全形勢的日益嚴峻，武警部隊擔負的任務越來越重,，未來特種,、反恐作戰(zhàn)成為主要的作戰(zhàn)形式，利用墻角,、掩體隱蔽自己打擊目標成為特種,、反恐怖作戰(zhàn)中急需解決的問題,。本文研究瞄系統(tǒng)中的"+";字疊加模塊，采用電子化疊加瞄準"+"字線,，有效克服機械松動或錯位現象,，降低了震動對射擊精度的影響。通過字符發(fā)生器產生字符信息,，后經字符疊加器將"+"字瞄準指示線與原始視頻疊加,，并在顯示視場范圍內通過按鍵控制“+”字線的位置調節(jié)。與現有輕武器相結合,，有效提高了瞄準和射擊精度,，使射手能在全隱蔽的狀態(tài)下對目標進行快速瞄準射擊。

1 系統(tǒng)實現
1.1 "+"字線分劃的計算方法
    本文設計的瞄準系統(tǒng)的“+”字分劃適合人慣性瞄準,。由于瞄準“+”字線是經電子化疊加后與目標圖像同時顯示,，因此可以將瞄準“+”字線與目標物體視為CCD靶面上的一個成像整體。只需瞄準目標對應的分劃點即可,。
    瞄準系統(tǒng)是針對部隊配發(fā)的槍械,，彈道固定，彈著點數據可參考95式射表得到,。該系統(tǒng)設定的“+”字線中心為100 m瞄準基線,，對300 m和500 m射擊距離進行分劃。利用彈道剛性原理可得300 m與500 m處彈道下降位置,。利用光學成像原理得出彈著點與分劃的對應關系,，如圖1所示。其中,，f′為物鏡焦距,，A′和B′到光軸的距離分別等于A和B到光軸的距離h3和h5，則有：

1.2 視頻字符疊加技術與原理
    “+”字線疊加利用了視頻字符疊加技術,，以一定的透明度顯示指定的“+”字線瞄準,，在標準視頻時序下完成這些信息數據的二維嵌入。待疊加的“+”字線分劃可被認為是由許多像素點組成的“+”字形字符點矩陣,。
    視頻掃描時的同步和定時信號是顯示過程中最為重要的因素,，數字信號處理電路中必須有像素點時鐘信號，由它控制順序傳輸和讀取數字視頻信號,，像素點時鐘的個數與顯示器一行內像素點的個數相等,。以水平軸表示像素點時鐘信號，垂直軸表示行同步信號,，建立像素點疊加時間軸,，點時鐘應在行掃描正程時間52 μs內掃描800個像素，即：
    f=800/52=15.385 MHz(3)    
    為確保疊加時間軸的坐標原點為顯示器上的(0,，0)點,，必須利用場同步信號進行定位,。同時，該定位信號也作為行位置計數器的觸發(fā)信號,，進行行同步計數,，行位置計數器控制像素點在顯示器上疊加的垂直位置。
    瞄準“+”字線疊加是像素點以場疊加的方式進行矩陣化疊加,。“+”字線各像素點顯示位置與行,、場掃描有同樣的映射關系。主要區(qū)別為：需要在場消隱期對字符存儲器開辟滿場的疊加數據空間,，將“+”字線點矩陣根據顯示存儲器的存儲地址按標準視頻時序存入字符存儲器的相應地址空間,，在下一場正程掃描時，將字符存儲器中的數據串/并轉換后按內部時鐘節(jié)拍輸出,，輸出的序列疊加信號由高電平脈沖組成，可直接接至模擬開關的選通邏輯控制端進行信號切換,，疊加生成新的標準視頻信號輸出,。其中，字符在水平和垂直方向上的大小取決于像素點在這兩個方向上的延伸程度,，即由行位置計數器重復計數的次數和列位置延時器與各行同步脈沖間的最大延時差決定,。
    瞄準“+”字線字符數據在字符存儲器中的存放采用“屏幕存儲映射”方式。這里的“屏幕”并不是指顯示器,，而是由顯示存儲器映射出的虛擬存儲空間,。一個顯示存儲單元對應顯示器的一個像素點。因此,，瞄準“+”字線在顯示器上顯示的行列位置取決于它在字符存儲器中的存儲位置,。
1.3 “+”字線字符疊加硬件設計
    “+”字線疊加模塊由CCD視頻圖像采集器、單片機,、視頻字符疊加芯片,、按鍵及相關電路組成。PC將待疊加字符信息和操作指令實時發(fā)送至單片機,，單片機通過軟件模擬的SPI接口控制視頻字符疊加芯片進行“+”字線的疊加,，并由單片機檢測按鍵狀態(tài)，通過SPI接口控制視頻字符疊加器實現“+”字線疊加位置的調整[1],。實現字符疊加的電路結構一般包括視頻箝位電路,、同步分離電路、視頻疊加時鐘電路和疊加字符信息處理電路等,，它將存儲在ROM中的字符信息轉變?yōu)榭莎B加在視頻信號上的信息,。
    芯片選用MAX7456，它集成了外同步視頻驅動,、視頻信號分離,、字符存儲與視頻切換等功能,，可方便地以任意字符、尺寸顯示疊加信息[2],，其功能實現簡單,，體積小。
1.3.1 MAX7456硬件電路
    MAX7456硬件電路如圖2所示,，MAX7456芯片的引腳CLKIN與XFB之間連接27 MHz晶體振蕩器作為時鐘輸入信號,，用于視頻定時發(fā)生器產生時序信息；視頻信號則通過RC濾波電路接入VIN引腳,，由VOUT引腳輸出,。

1.3.2 基于AT89C2051單片機的疊加控制電路
    模塊采用AT89C2051單片機作為核心控制元件，工作時鐘頻率為0～20 MHz,。由于單片機不支持SPI串行接口,，因此需要利用其I/O端口，通過軟件模擬SPI總線,。引腳P1.2,、P1.3、P1.4和P1.5用來模擬實現SPI總線接口功能[3],。
    (1)AT892051與MAX7456芯片的硬件連接,。由單片機連接控制MAX7456芯片，完成“+”字分劃的疊加和位置調整,。單片機最小系統(tǒng)如圖3所示,，將它的P1.2、P1.3,、P1.4,、P1.5引腳分別與MAX7456 SPI接口的引腳SDOUT、SCLK,、SDIN,、CS對應連接，進行MAX7456芯片的配置和寄存器的讀寫,。

 

 

    單片機的P3.2~P3.5及P3.7分別連接5個按鍵,，對應為“+”字瞄準線的上、下,、左,、右移動按鍵和位置確認按鍵。
    (2)電平轉換電路,。PC串口通信使用RS-232協議標準[4],，因與單片機使用的電平種類不一致，無法直接進行串口通信,，故選用MAX323芯片進行電平轉換,。該芯片采用專有低壓差發(fā)送器輸出級,，利用雙電荷泵在3.0 V~5.5 V電源供電時，實現了RS-232性能,。外圍器件僅需4個0.1 μF小尺寸電荷泵電容,，能夠確保在120 kb/s數據速率下維持RS-232輸出電平，同時具有2路接收器和2路驅動器[5],，電路結構簡單,，易于實現。電路連接如圖4所示,，PC通過TX1發(fā)送信息輸入MAX3232的R1_IN完成電平轉換,，由R1_OUT輸出送入AT89C2051的RXD，即可實現與PC的串口通信并完成程序下載,。

    (3)視頻保護電路,。視頻保護電路可防止外部電壓異常而損壞電路板，每個視頻輸入和輸出信號分別通過一個二極管正向接到電壓端通過另一個二極管反向接到地端,。當端口電壓過高時,，正向二極管導通，電流通過正向二極管釋放,；當端口電壓為負時，反向二極管導通,，電流通過反向二極管釋放,。這樣，內部電路就不會因為外部異常電壓而損壞,。
2 “十”字線疊加軟件設計
    軟件部分主要由PC軟件和單片機程序構成,，兩者一起完成字符的疊加和字符位置的移動。PC軟件主要完成對MAX7456字符信息的添加或更改,、“+”字線位置的移動以及對模塊的管理,。單片機程序是系統(tǒng)軟件的重點，主要實現字符串顯示以及“+”字線的方位移動等功能,。
    “+”字符疊加顯示流程和控制方位移動的流程如圖5所示,。由單片機檢測按鍵狀態(tài)，當無檢測信號輸入時,，返回檢測,；當有信號輸入時，進入中斷處理程序,。通過SPI接口對“+”字線進行相應方位的移動操作,，同時將當前位置存儲到Flash中，確保下次啟動時仍處于前一次關閉系統(tǒng)時的位置,。


3 實驗
    實驗驗證觀瞄效果,、水平瞄準精度,。實驗程序如下：
    (1)瞄準實驗
    ①視頻瞄準系統(tǒng)通過皮卡導軌固定于自動步槍上，在瞄準鏡后設計有兩英寸的顯示屏,，指揮平臺上也有顯示系統(tǒng),，將它放置在實驗臺上。
    ②通過瞄準鏡上的控制按鈕使“+”字分劃線居于屏幕顯示的中間,。
    ③對屏幕中視頻“+”字分劃線的疊加效果進行觀察,。
    實驗結果證明，從瞄準鏡可清晰觀察到瞄準目標圖像,，有100 m,、300 m、500 m三個瞄準點,，同時可調整分劃位置,，達到了校正目的，瞄準精度能滿足要求,。
    (2)射擊實驗
    組織兩名戰(zhàn)士進行步槍100 m實彈射擊,，先使用未安裝瞄準系統(tǒng)的步槍進行兩組射擊，每組4發(fā)子彈,；休息一段時間后,，將步槍安裝瞄準系統(tǒng)，再次進行兩組射擊,，每組4發(fā)子彈,。射擊完畢后對比射擊成績如表1所示。

    對比結果是,，甲戰(zhàn)士總成績提高12環(huán),，平均成績提高2.5環(huán)；乙戰(zhàn)士總成績提高5環(huán),，平均成績提高1.25環(huán),。安裝瞄準鏡后射擊成績明顯提高。
    研究了視頻瞄準系統(tǒng)中“+”字分劃的疊加,，實現功能拐彎射擊,，使持槍者在全隱蔽狀態(tài)下瞄準目標進行射擊。該瞄準鏡的電子分劃有3個距離瞄準點,，分劃位置可調整,，瞄準距離達到100 ｍ～500 ｍ，提高了射擊精度,。
參考文獻
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[4] 李慧玲.MB90092芯片在成像測井字符疊加中的應用[J]. 蘭州工業(yè)高等?？茖W校學報,，2012(01)：12-14.
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