基于Nios II的多功能數(shù)碼相框

摘 要： 介紹了基于Nios II 的多功能數(shù)碼相框的實現(xiàn)。系統(tǒng)基于Nios II處理器，設(shè)計用戶自定義模塊，構(gòu)建了靈活性高、可重配置的SoPC系統(tǒng)。設(shè)計自定義模塊控制LCM顯示；采用流水線方式設(shè)計JPEG解碼自定義模塊以提高解碼效率；根據(jù)SD協(xié)議設(shè)計SD卡控制器擴(kuò)展SD卡。實現(xiàn)了FAT16文件系統(tǒng)，便于對SD卡進(jìn)行文件管理及多平臺上的數(shù)據(jù)交換，并使用?滋C/OS-II操作系統(tǒng)簡化軟件設(shè)計復(fù)雜度、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。最終實現(xiàn)可播放音頻并能顯示、縮放、旋轉(zhuǎn)圖像且?guī)в袌D像切換特效的多功能數(shù)碼相框。
關(guān)鍵詞： Nios II處理器；可編程片上系統(tǒng)；JPEG解碼；操作系統(tǒng)；文件系統(tǒng)；自定義模塊

數(shù)碼相框作為一種數(shù)碼消費(fèi)品和裝飾品的結(jié)合物，在市場上受到越來越多的關(guān)注。目前的數(shù)碼相框方案多采用MCU為核心的架構(gòu)，相框功能固定，不便于產(chǎn)品升級。針對以上問題，本文設(shè)計了基于Nios II的多功能數(shù)碼相框，該相冊主要包含以下功能：支持包括BMP、JPEG在內(nèi)的多種常見文件格式的圖像顯示；圖像旋轉(zhuǎn)、縮放、瀏覽切換等特效；支持圖片瀏覽時背景音樂播放；可通過帶FAT文件系統(tǒng)的SD卡進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)更新，同時還具有時間顯示等擴(kuò)展功能。系統(tǒng)中將需要耗費(fèi)大量時間的復(fù)雜操作(如圖像解碼、圖像的各種特效功能以及SD卡控制)用掛載在Avalon總線上的自定義模塊實現(xiàn)?？s短了處理時間，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。系統(tǒng)采用基于Nios II處理器的SoPC技術(shù)，使得該數(shù)碼相框具有靈活性高、可重配置、便于升級等優(yōu)點(diǎn)[1]。
1 總體設(shè)計
本系統(tǒng)采用經(jīng)濟(jì)型的Cyclone II FPGA芯片作為核心，基于Nios II軟核處理器，采用軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計實現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖1所示。

SD卡作為文件存儲介質(zhì)，用于存放音頻與圖像文件，編寫SD卡控制器對SD卡進(jìn)行讀寫控制；采用LCM顯示屏作為數(shù)碼相框的顯示界面，SRAM作為LCM的顯示緩存，存儲圖像數(shù)據(jù)供LCM刷新，并由LCM_SRAM IP核控制圖像的顯示；SDRAM為Nios II軟核程序運(yùn)行空間；EPCS對FPGA進(jìn)行配置；Flash用來存儲軟件代碼和數(shù)據(jù)。
2 功能模塊設(shè)計
根據(jù)數(shù)碼相框所要實現(xiàn)的功能，設(shè)計了如下模塊：
2.1 LCM_SRAM IP核設(shè)計
該模塊主要功能是圖像數(shù)據(jù)存儲、LCM參數(shù)配置以及圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)、切換效果控制等。以硬件方式實現(xiàn)圖像切換效果，提高實時性的同時降低對CPU的依賴。
2.1.1 切換特效實現(xiàn)
設(shè)計中通過控制LCM讀取SRAM的地址實現(xiàn)不同的圖像切換效果，如上方切入、下方切入、百葉窗、菱形等八種方式循環(huán)出現(xiàn)。切換時，LCM上同時存在新舊兩幅圖像的數(shù)據(jù)，因此，緩存中需要存儲這兩幅圖像的數(shù)據(jù)。以百葉窗效果為例，每行以16個像素作為間隔，將LCM的每一行分割成20個條形區(qū)域。如圖2所示，第i行被分割后，第一個區(qū)域的像素點(diǎn)為n1~n16，最后一個區(qū)域為m1~m16。每個條形區(qū)域中，新圖像的數(shù)據(jù)逐漸向右覆蓋舊圖像數(shù)據(jù)，從而形成百葉窗效果。具體實現(xiàn)過程為：在第一次刷新時，每行的各個條形區(qū)域的第一個像素點(diǎn)(n1，…，m1)讀取新圖像的數(shù)據(jù)，各區(qū)域其他像素點(diǎn)(n2~n16，…，m2~m16)仍然讀取舊圖像的數(shù)據(jù)；第二次刷新時，每行各個條形區(qū)域的前兩個像素點(diǎn)(n1、n2，…，m1、m2)讀取新圖像數(shù)據(jù)，其他像素點(diǎn)(n3~n16，…，m3~m16)仍讀取舊圖像的數(shù)據(jù)。屏幕刷新16次則可實現(xiàn)百葉窗切換效果。圖2中每個圓點(diǎn)代表顯示屏的一個像素點(diǎn)。

2.1.2 縮放算法實現(xiàn)
為實現(xiàn)圖像縮放功能，該模塊實現(xiàn)了如圖3所示的雙線性插值縮放算法。該算法利用了需要處理的原始圖像像素點(diǎn)周圍的4個像素點(diǎn)的相關(guān)性，通過雙線性算法計算實現(xiàn)圖像縮放[2]。設(shè)計中使用SRAM作為顯示緩存，無嚴(yán)格的實時性要求，因此忽略了行場同步信號，簡化了模塊設(shè)計。

緩存1模塊是待縮放圖像數(shù)據(jù)的緩存，存放來自SRAM中解碼后的RGB565數(shù)據(jù)。插值系數(shù)生成模塊的使能信號來自旋轉(zhuǎn)模塊或者按鍵輸入，由選擇器進(jìn)行判斷，按鍵按下時，按照設(shè)定的行列縮放因子計算行列插值系數(shù)；若使能信號來自旋轉(zhuǎn)模塊，則根據(jù)原始圖像的分辨率計算出旋轉(zhuǎn)過后的分辨率，并按照屏幕尺寸確定完整顯示該圖像能達(dá)到的最大分辨率，以此計算行列縮放因子。獲取相鄰像素模塊用來控制緩存1模塊的讀地址，從SRAM中讀取相鄰4個像素值。插值運(yùn)算單元根據(jù)相鄰4個像素的值及插值系數(shù)進(jìn)行雙線性插值運(yùn)算，并將數(shù)據(jù)輸出至緩存2，緩存2在SRAM空閑時將數(shù)據(jù)寫入SRAM中。
2.2 SD Card Controller IP核設(shè)計
SD卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的存儲設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳送和物理規(guī)范由MMC發(fā)展而來。系統(tǒng)中將SD卡控制器設(shè)計成一個SPI模式的IP核，通過軟件驅(qū)動實現(xiàn)SD卡的基本讀寫操作，即不需要復(fù)雜的硬件電路又能得到比軟件模擬SPI的控制方式更快的讀寫速度。SD卡控制器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.2.1 功能模塊劃分
主控模塊的端口與Avalon總線連接，用于緩存SD卡命令，并存儲扇區(qū)地址、待發(fā)送的數(shù)據(jù)到雙口RAM以及從中讀取數(shù)據(jù)等。初始化模塊完成對SD卡的初始化操作。命令生成模塊完成SD卡命令、參數(shù)、命令校驗值的發(fā)送和命令回執(zhí)的讀取以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。串并、并串轉(zhuǎn)換模塊的主要作用是實現(xiàn)串并或者并串轉(zhuǎn)換[3]。
使用Quartus II自帶的邏輯分析儀(SignalTap II工具)對SD卡控制管腳的信號量進(jìn)行實時捕獲，驗證了設(shè)計的正確性[4]。
2.2.2 驅(qū)動設(shè)計
SD卡控制器的驅(qū)動共設(shè)計了4個接口函數(shù)，分別完成初始化、讀扇區(qū)、寫扇區(qū)和執(zhí)行SD命令的功能。驅(qū)動程序在初始化SD卡時得到卡類型標(biāo)志，之后驅(qū)動程序根據(jù)卡類型對地址參數(shù)進(jìn)行處理（若是SD1.1協(xié)議則地址左移9位，否則不變），以兼容SD1.1和SD2.0協(xié)議。讀數(shù)據(jù)函數(shù)核心代碼如下：
if(sd_type == 1) addr=addr << 9; /*判斷地址偏移*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 517, CMD17); /*寫命令*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 518, addr); /*寫地址*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 519, 0); /*開始運(yùn)行*/
ret=IORD(SD_CARD_BASE, 519); /*讀命令回執(zhí)*/
…
for(i=0; i<512; i++)data[i]=IORD(SD_CARD_BASE, i);
/*讀回數(shù)據(jù)*/
…
2.3 JPEG DECODER IP核設(shè)計
JPEG(Joint Photographic Expert Group)是第一個適用于連續(xù)色調(diào)、多灰度、彩色或黑白靜止圖像的國際標(biāo)準(zhǔn)。為提高JPEG圖像的解碼效率，實現(xiàn)良好的解碼效果，本設(shè)計采用流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計JPEG解碼IP核。解碼模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。