摘 要： 介紹電子束焊機電視監視系統工作原理，論述了電視行場掃描原理和視頻疊加原理。針對電子束焊機電視監視系統的特點及存在的缺點，提出一種基于PIC16C73單片機及字符疊加芯片UPD6453的電子束焊機電視監控系統的設計方案，并給出了詳細的系統軟硬件實現方法。整個系統高效可靠，具有電路簡單、穩定性好、易于擴展、實用性好等優點，提高了焊接效率和焊接質量。
關鍵詞： PIC16C73； UPD6453； 電視監視； 視頻疊加； 精確定位； 串行通訊
電子束焊機具有能量密度高、加熱面積小、電子束穿透深、焊接速度快、工件變形小、電子束控制方便等優點，經過幾十年的發展，已經成為精密的焊接設備，從上個世紀80 年代開始，已經從尖端工業領域逐步應用到民用工業，目前已應用到汽車工業、造船、能源等許多領域。在電子束焊機對工件的焊接過程中，必須對焊接室中的工件進行合適的移位、瞄準和實時監控，因此需要電視監視系統完成這些必要的操作，用攝像頭對焊接室中工件的實時情況進行攝像，然后將視頻信號送到監視器中實時監視。由于工件的待焊點必須精確對準束流的下束點，因此需要對工件進行準確的移位，為此監視器上須有一個參考標記。所以電子束焊機監視系統需要在視頻信號中疊加一個可移動的參考信號與焊接室圖像同時在監視器中顯示出來。
傳統的電子束焊機監視系統多采用計數器等純硬件電路實現，具有使用器件多、電路復雜、功能簡單、易受干擾等缺點，與當今數字時代的高能焊機漸漸不能匹配。為了滿足新時代電子束焊機監視系統的功能需求, 提出一種基于PIC16C73單片機及字符疊加芯片UPD6453的電子束焊機電視監控系統并實現了該方案。該系統帶有參考標記可編程功能，可在不同環境下手動更換參考標記，實現了參考標記的1/4 096高分辨率數字移位，與上位機通訊，顯示重要實時數據，并具有設計簡單、成本低廉、可靠性高等特點。為電子束焊機監控系統的發展提供參考。
1 疊加原理
在視頻信號中，一個行（列）同步脈沖表示掃描一行，而一個行（列）同步脈沖上所疊加的大小不同的模擬量則表示一幅畫面在這一行（列）中不同的灰度值，模擬電壓值越大灰度越??；因此若要在監視器中某列（行）顯示一個亮點，則只需要在該同步脈沖的一個周期內將指定列處的模擬電壓值變大即可。先考慮簡單的圖形疊加情況, 如疊加一橫線及一豎線。當電子束在屏幕上從左到右掃描時, 如果在某一行的電視信號上加一白色或黑色電平脈沖, 則在屏幕上相應點會出現一白點或黑點。如果在某一行掃描正程上加上寬度合適的黑或白電平, 則會在屏幕上產生一條橫線。若連續多行都加上同一寬度的脈沖, 則在屏幕上形成一條垂直線。為此, 如果從某行同步開始, 每個行同步脈沖延時T 時刻, 加一白或黑電平脈沖, 則在屏幕上將產生一條垂直線。從上述原理可知，定位十字線的像素點，然后在其像素點上疊加一白電平信號，就能在屏幕上產生一個十字光標瞄準信號。
綜合考慮，采用十字光標對準的方式比較容易實現精確對準，因此電子束焊機監視系統需要在視頻信號中疊加一個可移動的十字光標信號與焊接室圖像同時在監視器中顯示出來。且用戶可以通過鍵盤手動控制光標的移動。按此要求，在圖像傳送過程中，截取從攝像頭傳出的視頻信號，疊加了十字光標圖像后再傳送到接收端(本系統中為監視器)。所謂疊加實質上是在像素級為每個像素點選擇電信號。這其中有兩個問題：一是精確定位像素點，即確定它的行、列位置；二是定位之后控制電信號的輸出，即在監視器上選擇某一像素點為顯示現場圖像像素的電信號,還是疊加圖形的像素電信號[1]。利用OSDC(On screen dis2play cont roller)視頻疊加芯片進行視頻信號場疊加可有效解決上述問題。其基本原理是按照像元顯示位置與行場掃描有相同的映射關系,把每一個圖形或者字符抽象成m×n(m和n一般為偶數,決定了圖形顯示的大小) 的字模，在RAM 空間開辟對應點陣,用黑白電平覆蓋對應像元點,然后將多個字模組合拼接,在同一場疊加實現視頻信號疊加。
2 系統硬件電路設計
系統采用PIC16C73單片機作為主控器，用于實現UPD6453的控制及焊接操作人員的相關操作功能，通過串行通訊模塊與上位機（PLC）通訊，對焊接相關參數進行實時顯示。系統硬件結構框圖如圖1所示,CD4538雙單穩電路對LM1881分離出的行場同步信號進行單穩態延時以完成分劃線的二維可控定位,暫穩態時間由數字電位器控制,延時輸出后送入OSD 芯片中進行十字線的同步疊加,由UPD6453串行輸出具有相對同步延時的視頻脈沖疊加控制信號,觸發開啟模擬開關74HC4053來切換視頻信號與白電平信號,屏幕上就會在視頻信號中疊加出現可移動瞄準十字線圖形。
2.1 行場同步分離單元
在電視系統中，為了能正確地重現圖像，要求收端（監視器）與發端（攝像頭）同步掃描，因此，在視頻疊加過程中需要把同步信號分離出來實現同步疊加。在本系統中，選擇專用芯片LM1881將行、場同步脈沖分離出來。LM1881是正極性圖像信號輸入、TTL電平輸出芯片，從而簡化了電路。圖2是LM1881的連接圖以及工作波形示意圖。
2.2 十字線移動控制模塊
電子束焊機電視監視系統與一般視頻監視系統的區別就是疊加十字光標，并對手動可控二維滿屏定位,使十字線在水平和垂直方向移動。根據上面介紹的視頻疊加原理,各種圖像疊加的位置是以場同步信號和每場第一行同步信號為基準的,即初始位置的偏移將導致整個圖像的移位，如圖3所示。
利用這種關系，系統十字光標位置調節電路由兩個單穩態電路組成，一個控制場同步信號為低電平的時段，另外一個控制復合同步信號為低電平的時段，從而決定了被疊加的十字光標在顯示器上顯示的位置。單穩態電路暫穩態的時間寬度tw由RC 電路充/放電時間決定,考慮到十字線在屏幕上的疊加主要出現在中間區域,
2.3 十字線產生及疊加模塊
該模塊主要通過PIC16C73單片機和視頻疊加芯片UPD6453實現字符信號與視頻信號的疊加,如圖1所示。PIC16C73單片機擁有精簡的指令集(RISC)和獨特的哈佛(Harvard)結構, 同時可運用兩極流水線指令進行取數和執行,運行速度比一般單片機如ATMEL89C51快4倍, 擁有I2C總線可方便控制數字電位器X9241,采用PIC16C73作為主控機更加符合系統設計的要求。有關單片機的應用詳見參考文獻[2]。
UPD6453是日本NEC公司推出的專用字符疊加芯片, 該芯片顯示編輯功能強,可以在屏幕上顯示12行24列的字符, 每個字符為12×18點陣。UPD6453芯片為用戶提供了英文、數字及日文等240個字符的字模,同時為用戶提供了未定義的16個字符RAM空間，可以自定義漢字和進行瞄準具拼接。
PIC16C73單片機通過I/O口與UPD6453 進行偽SPI 串行數據發送,經其內部處理后,在上一場消隱時間內把疊加分劃線矩陣點放入視頻RAM中,在下一場掃描時間內將RAM 中的數據并串轉換后按其內部時鐘節拍輸出。由于本設計是針對黑白視頻圖像的,故只需要選用VCB 通道作為輸出。輸出的序列疊加信號直接接到模擬開關的選通邏輯控制端。視頻輸入信號和視頻白電平信號分別接入74HC4053的兩路通道，通過切換通道的方法，在現場視頻信號和疊加圖形（十字線）信號之間切換，從而實現視頻信號的十字線疊加。十字線信號可以為視頻黑電平和白電平。在焊接室環境下，白電平視覺效果更明顯，因此選擇疊加白電平。白電平產生電路實際上是一個電壓可調的分壓電路。
2.4 串行通信模塊
單片機與PLC采用無協議傳輸通訊的全雙工模式，波特率選擇標準為9 600 b/s。微處理器的RX和TX端與MAX232或MAX485芯片的ROUT和TIN端口相連接。具有完善的串行通信接口SCI, 利用RX和TX兩個引腳作為通信線的二線制串行通信接口, 將其定義為全雙工異步方式。外接一片MAX232或MAX485芯片將TTL電平轉化為RS232或RS485標準電平, 可以實現遠距離傳輸與上位機PLC通信, 由上位機下傳瞄準符號點陣數據和當前時間數據, 可實現瞄準點陣數據的更新并可下傳當前時間數據及其他相關實時焊接數據,使焊接人員能方便地從屏幕上獲取焊接相關參數，對工件進行實時焊接操作。
3 系統軟件設計
系統軟件包括PIC16C73單片機對UPD6453控制命令的操作及手控鍵盤完成十字線的二維移動、疊加圖形的大小及形狀控制等功能的實現，以及與PLC通訊的實現。UPD6453的串行接口采用了非標準的4線接口，將PIC16C73的端口RA0~RA3接至UPD6453的4條串行線上， 然后用軟件模擬UPD6453時序，把每個12×18 點陣數據寫進UPD6453 視頻RAM 中進行十字線拼接,最后對十字線數據按字符進行定位和顯示控制。有關UPD6453的控制命令及控制時序詳見NEC公司的數據手冊[3]。其中數字電位器X9241是I2C通訊模式,其SCL和SDA端口分別與PIC16C73的I2C功能口RC3（SCL）和RC4（SDA）連接，外接10 kΩ上拉電阻,可實現I2C串行讀寫操作，其中數字電位器X9241按高分辨率數字電位器的軟件設計，有關X9241讀寫操作詳見INTERSIL公司數據手冊[5]。PIC16C73具有完善的串行通訊接口SCI,將其定義為全雙工異步方式，與PLC實現無協議通訊，有關PIC16C73的串行通訊控制詳見參考文獻[3]。為使系統操作簡單,設計了兩個鍵盤,其中一個鍵盤有4個分鍵,作為十字線位置控制鍵，分別為UP、DOWN、LEFT和RIGHT鍵,可以實現十字線的滿屏控制。另外一個鍵盤用于瞄準具圖形的轉換鍵和其他功能設定鍵。根據功能要求可得到系統軟件流程圖如圖5所示。
基于電視行場掃描的原理和電子束焊機電視監視系統的特點,本系統采用UPD6453專用視頻疊加芯片,利用軟硬件結合的方式，配上所選的各種硬件，大大減少了硬件電路,同時提高了系統的靈活性，實現了參考標記的1/4 096高分辨率精確定位，已成功應用于THDW系列電子束焊機中。該系統能完成工件的實時監視，疊加的十字線能精確地將下束點瞄準工件待焊點，實現了精確高質量電子束焊。同時該系統還可方便地顯示其他如高壓、焊接束流、聚焦電流等實時信息，并可以對瞄準信號線進行編輯。實踐表明，該系統具有操作方便、設計簡單、可靠性高、實用性好等優點，提高了焊接效率和焊接質量。
參考文獻
[1] 茹海燕，顧子天. 通用工業視頻圖像疊加的設計與實現[J]. 電子技術應用,2000,26(2):13-16.
[2] 竇振中. PIC系列單片機應用設計與實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,1999.
[3] NEC electronic device Co Ltd. CMOS LSI for 12 lines × 24 columns character display on screen data sheet [DB/OL].http://www.21icsearch.com/searchpdf/default.asp.admin,1990.
[4] FAIRCHILD semiconductor Co Ltd. 74HC4538 double precision monostable user’s guide[DB/OL]. http://www.21icsearch.com/ searchpdf/default.asp.admin,1987.
[5] INTERSIL DATA SHEET-Low Power/2-Wire Serial Bus X9241A,2005(9).