基于FPGA的LCD顯示遠(yuǎn)程更新的設(shè)計(jì)方案及原理圖

　　一 設(shè)計(jì)概述

　　1.1目標(biāo)領(lǐng)域和主要應(yīng)用

　　如今，交通在現(xiàn)代人的生活中所占比重越來(lái)越重要。如何安全，高效的利用道路資源是每個(gè)人都要面對(duì)的問(wèn)題?，F(xiàn)有車載GPS導(dǎo)航只能查看到道路走向信息，卻不能查看到道路上的各種突發(fā)情況，比如交通事故、堵車現(xiàn)象、交通臨時(shí)管制、禁止部分車輛通行、臨時(shí)禁止左右轉(zhuǎn)、道路維修、道路更改的情況。這時(shí)如果有能夠?qū)崟r(shí)更新并對(duì)外發(fā)布和顯示交通信息、道路狀況信息和設(shè)施狀況等，能起到減少堵塞程度，提高道路通行能力的作用。也間接提高了交通運(yùn)輸，人們出行的效率。

　　該項(xiàng)目是基于FPGA的LCD顯示遠(yuǎn)程更新就可以用于智能交通提示，實(shí)時(shí)發(fā)布和顯示各路段路況信息。為交通運(yùn)輸業(yè)及人們的出行帶來(lái)極大的便利。

　　1.2市場(chǎng)分析

　　改革開(kāi)放30多年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，城市化、現(xiàn)代化的進(jìn)程不斷加快，很多城市的機(jī)動(dòng)車保有量以年平均20%的速度飆長(zhǎng)，導(dǎo)致了目前國(guó)內(nèi)交通供求關(guān)系的嚴(yán)重失衡、交通擁擠、交通事故增多、環(huán)境日益惡化等已經(jīng)成為我國(guó)城市面臨的嚴(yán)重問(wèn)題。如何治理交通擁堵也成了一個(gè)重大的國(guó)計(jì)民生問(wèn)題，面對(duì)國(guó)內(nèi)大中城市的接連“暴堵”，“十二五”交通規(guī)劃或?qū)⒃谀瓿跬瞥?。智能交通也?yīng)運(yùn)而生，迎來(lái)了新時(shí)代?，F(xiàn)有的交通提示系統(tǒng)主要體現(xiàn)在GPS、交通信息網(wǎng)、鐵質(zhì)廣告牌、交通廣播臺(tái)等方面，每種設(shè)計(jì)都有他自身的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。

　　下面是對(duì)市場(chǎng)上一些常用的智能交通的應(yīng)用分析：

　　GPS：

　　優(yōu)點(diǎn)：GPS是目前應(yīng)用最為廣泛的智能交通，它最強(qiáng)大之處是道路導(dǎo)航功能，在汽車上裝一個(gè)GPS就可以知道自己的所在位置。輸入終點(diǎn)，它會(huì)顯示最近的最為便捷的路線圖。而且GPS操作起來(lái)方便快捷，所以一直都得到了廣大司機(jī)的青睞。

　　缺點(diǎn)： GPS的成本較高，不是每輛車都可以配備上的，而且GPS對(duì)于道路情況的更新較慢，對(duì)于突發(fā)的路況信息如臨時(shí)交通管制等不能及時(shí)的反饋給司機(jī)，從而導(dǎo)致不必要的麻煩。

　　交通信息網(wǎng)：

　　優(yōu)點(diǎn)：各地交通網(wǎng)等信息要到各地網(wǎng)站上去看，信息會(huì)每天進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，只要有網(wǎng)絡(luò)就可以查詢，無(wú)論是臺(tái)式機(jī)還是筆記本，又或者是手機(jī)都可以查詢，使用起來(lái)比較方便。網(wǎng)絡(luò)查詢可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行查找，針對(duì)性和自主性較強(qiáng)。

　　缺點(diǎn)：如司機(jī)當(dāng)時(shí)沒(méi)有電腦，或者沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)就不能及時(shí)查看到路況信息;并且在行車中上網(wǎng)會(huì)影響行車安全。

　　鐵質(zhì)廣告牌：

　　優(yōu)點(diǎn)：鐵質(zhì)廣告牌適合反饋一些因大型的道路整修而導(dǎo)致的道路不通，鐵質(zhì)廣告牌體積較大，放置在重要路段的綠化帶上，清晰醒目，并且不會(huì)應(yīng)為天氣原因而影響廣告牌的正常顯示。

　　缺點(diǎn)：過(guò)程比較繁瑣，首先要通過(guò)工作人員確定道路整修，將信息傳達(dá)給工人，工人再根據(jù)情況制作廣告牌，完成后放置到指定的路段，道路暢通后還要將廣告牌移走，會(huì)消耗大量的人力、物力、財(cái)力。不能做到實(shí)時(shí)更新。

　　交通廣播臺(tái)：

　　優(yōu)點(diǎn)：交通廣播臺(tái)可以發(fā)布一些及時(shí)的路況信息，司機(jī)可以開(kāi)著車收聽(tīng)最新的路況信息，也不會(huì)影響司機(jī)的正常駕駛，而且交通臺(tái)可以接聽(tīng)司機(jī)的提問(wèn)，司機(jī)將一些路況的信息反饋給交通臺(tái)，有交通臺(tái)去提醒其他要通過(guò)此路段的司機(jī)，從而形成了資源共享模式。

　　缺點(diǎn)：交通廣播電臺(tái)可以發(fā)布一些及時(shí)的路況信息，但司機(jī)在駕車時(shí)收聽(tīng)廣播容易發(fā)生危險(xiǎn)，造成交通事故。并且廣播電臺(tái)不能針對(duì)分布在各個(gè)路口的司機(jī)發(fā)布他們需要的路況信息。導(dǎo)致司機(jī)依舊不可以及時(shí)的調(diào)整路線。

　　基于FPGA的LCD顯示的遠(yuǎn)程更新，可以將公路總監(jiān)控中心的服務(wù)器上的路況信息通過(guò)IP編碼的方式傳輸?shù)絃CD上顯示。在重要的路段可以提醒司機(jī)調(diào)整路線，F(xiàn)PGA運(yùn)算速度快，可以降低系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。在重要的路段都有LCD顯示，當(dāng)有路段因搶修或堵車等需要暫停通行時(shí)，只需要在公路總監(jiān)控中心的服務(wù)器上修改一下相應(yīng)內(nèi)容即可。不再需要花費(fèi)大量的時(shí)間及人力，物力，財(cái)力來(lái)制作廣告牌放在路口進(jìn)行提示;及時(shí)的更新也可以彌補(bǔ)GPS導(dǎo)航不能及時(shí)顯示路況的不足;避免了司機(jī)在行車中時(shí)刻收聽(tīng)交通廣播而分散注意力，從而消除了潛在的危險(xiǎn)。

　　1.3方案特征

　　該項(xiàng)目叫做基于FPGA的LCD顯示的遠(yuǎn)程更新，主要功能如下

　　用一臺(tái)電腦通過(guò)網(wǎng)線就可以對(duì)遠(yuǎn)程的LCD顯示器進(jìn)行顯示內(nèi)容的更新。

　　可以通過(guò)終端操作來(lái)重點(diǎn)顯示某路段的突發(fā)情況。

　　可以根據(jù)需要重點(diǎn)查看一個(gè)路段的路況信息。

　　采用網(wǎng)線傳輸路況信息進(jìn)行顯示，有利于對(duì)各個(gè)LCD模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理。

　　1.4 系統(tǒng)亮點(diǎn)

　　暢通的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及實(shí)時(shí)內(nèi)容更新。

　　采用TCP/IP協(xié)議及FTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，降低維護(hù)及升級(jí)成本。

　　采用PFGA來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程LCD顯示更新，有效降低系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

　　支持特殊路段重點(diǎn)顯示

　　支持用戶根據(jù)需要重點(diǎn)查看某路段。

　　二 設(shè)計(jì)模型

　　2.1 應(yīng)用場(chǎng)景

　　智能交通提示最重要的應(yīng)用場(chǎng)合就是城市公路系統(tǒng)。比如在一個(gè)路段的十字路口，在正常情況下司機(jī)會(huì)按照即定的路線行走。但如果有一個(gè)LCD顯示牌，提前告知司機(jī)四條路段的路況信息，比如某路段有臨時(shí)交通管制，禁止車輛通行，這時(shí)司機(jī)就可以提前避開(kāi)，繞路而行，這樣就可以為司機(jī)節(jié)省大量的時(shí)間及不必要的往返路途。也能起到減少能源的消耗，汽車尾氣的排放等。再比如，如果有LCD顯示牌能提前提示某一路段有堵車現(xiàn)象。司機(jī)們就可以提前繞開(kāi)堵車路段，避免堵車越來(lái)越嚴(yán)重的情況，減輕堵車的程度，使道路更加的流暢。

　　對(duì)于即將要發(fā)生的因修路等需禁止通行的路段，LCD的遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)也可以通過(guò)按鍵操作重點(diǎn)提示。有四個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)著十字路口的四個(gè)方向，當(dāng)有某個(gè)鍵被按下時(shí)，LCD顯示遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)就中斷正常的循環(huán)顯示，直接跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)路段的信息顯示一段時(shí)間后回正常循環(huán)顯示模式。

　　圖1功能演示圖

　　2.2結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)模型

　　(1)基本結(jié)構(gòu)圖

　　要顯示的內(nèi)容通過(guò)TCP/IP進(jìn)行傳輸與更新，沒(méi)有了距離的限制，可以在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)更新。需要更新的LCD顯示內(nèi)容共有四部分組成，在一段時(shí)間內(nèi)LCD只能顯示其中的一個(gè)部分,并循環(huán)進(jìn)行顯示。由Nexys3開(kāi)發(fā)板上的四個(gè)按鍵控制跳轉(zhuǎn)。Nexys3 FPGA開(kāi)發(fā)板通過(guò)RJ45口接收到信號(hào)后，PHY模塊對(duì)IP包進(jìn)行拆分，恢復(fù)成原始信號(hào)。由 MicroBlaze 軟核存入Cellular RAM中，并按照順序在LCD上進(jìn)行分段顯示。當(dāng)MicroBlaze 檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，MicroBlaze軟核處理器響應(yīng)中斷，并進(jìn)行中斷處理，顯示相應(yīng)按鍵對(duì)應(yīng)的部分信息，一段時(shí)間后，返回中斷前的狀態(tài)。

　　圖2 基本圖

　　(2)MicroBlaze結(jié)構(gòu)圖

　　圖3 MicroBlaze軟核結(jié)構(gòu)圖[!--empirenews.page--]

　　Ethernet MAC 接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)后拆分IP包,然后送入MicroBlaze處理,由MultriProt Memory Controller控制存入 Local Memory中,然后按照順序進(jìn)行循環(huán)顯示,顯示時(shí)間由 Timer/PWM控制,當(dāng)有按鍵按下時(shí),通過(guò)GPIO傳送入MicroBlaze軟核,由 Interrupt Controller 控制進(jìn)行中斷,將當(dāng)前信息存入堆棧,后跳轉(zhuǎn)到按鍵指定處進(jìn)行顯示Timer/PWM控制顯示一段時(shí)間后,返回中斷前的狀態(tài)繼續(xù)正常循環(huán)顯示.Customer Coprosser協(xié)助 MicroBlaze處理數(shù)據(jù).

　　(4)以太網(wǎng)模塊圖

　　圖4 以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

　　Nexys3基本系統(tǒng)生成器(BSB)支持包自動(dòng)生成一個(gè)測(cè)試應(yīng)用程序的以太網(wǎng)MAC。ISE的設(shè)計(jì)可以使用IP內(nèi)核發(fā)生器用向?qū)?lái)創(chuàng)建一個(gè)以太網(wǎng)MAC控制器IP核。如果COL此信號(hào)置位時(shí)表示碰撞條件的檢測(cè)MLL模式。在MLL模式中：

　　1.傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的控制信號(hào)為TXCLK,當(dāng)TXCLK為上升沿時(shí)控制器同步傳輸數(shù)據(jù)，TXEN為高電平時(shí)表明此時(shí)控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是有效的，若TXER為高電平時(shí)，說(shuō)明傳輸檢測(cè)到錯(cuò)誤。

　　2.接受數(shù)據(jù)時(shí)，在RXCLK為上升沿時(shí)RXD[3:0]開(kāi)始接受數(shù)據(jù)?？刂菩盘?hào)RXCLK為上升沿接收數(shù)據(jù)時(shí)，接受信號(hào)RXDV為高電平。如果RXER為高電平時(shí)說(shuō)接受檢測(cè)到錯(cuò)誤。

　　MDIO信號(hào)是表明串行管理接口的數(shù)據(jù)輸入/輸出，MDC是串行管理接口的時(shí)鐘信號(hào)

　　(3) LCD模塊的結(jié)構(gòu)圖

　　圖5 LCD模塊結(jié)構(gòu)圖

　　為盡可能減少針腳數(shù)從而達(dá)到管腳復(fù)用的目的，F(xiàn)PGA通過(guò)四位數(shù)據(jù)線接口控制LCD，由于在初始化之后，所有的數(shù)據(jù)和命令都以8位傳送，故每8位命令被分成2個(gè)四位即高4位和低4位，先傳高4位，后傳低4位，其間間隔只是1us。數(shù)據(jù)線上的四個(gè)390Ω電阻是用來(lái)防止管腳超載起到保護(hù)的作用。下圖是LCD的初始化流程圖

　　圖4 LCD初始化流程圖

　　(5)按鍵模塊

　　圖6 按鍵模塊圖

　　系統(tǒng)完成初始化后，Spartan-6 FPGA的C4,D9,A8,C9管腳都是低電平，當(dāng)有一個(gè)按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的管腳會(huì)變成3.3V高電平，按鍵掃描程序檢測(cè)出高電平后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷地址，執(zhí)行中斷程序。

　　(6)存儲(chǔ)器模塊

　　圖7 存儲(chǔ)器模塊

　　本設(shè)計(jì)使用Nexys3 SPARTAN6開(kāi)發(fā)板上的存儲(chǔ)資源Cellular RAM 作為存儲(chǔ)器，采用同步模式進(jìn)行傳輸，時(shí)鐘信號(hào)CLK低電平時(shí)有效。 在讀模式時(shí)，寫(xiě)使能引腳WE為高電平，ADV,CRE,CE,OE,LB,UB為低電平，地址信號(hào)從ADDR[25:0]輸入，保存的數(shù)據(jù)從DQ[15:0]輸出;在寫(xiě)模式時(shí)，WE,ADV,CRE,CE,LB,UB為低電平狀態(tài)，OE可以為任何狀態(tài)。地址信號(hào)從ADDR[25:0]輸入，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從DQ[15:0]端輸入。[!--empirenews.page--]

　　2.3流程圖

　　(1)系統(tǒng)流程圖

　　系統(tǒng)流程圖是描述了系統(tǒng)整個(gè)的工作流程。由于遠(yuǎn)程更新LCD，所以要用到以太網(wǎng)的傳輸，具體就是要使用TCP/IP協(xié)議，F(xiàn)TP協(xié)議對(duì)LCD遠(yuǎn)程更新。程序設(shè)計(jì)的時(shí)候默認(rèn)狀態(tài)是在LCD顯示器循環(huán)播放信息，此外該項(xiàng)目利用開(kāi)發(fā)板上的四個(gè)按鍵可以控制根據(jù)個(gè)人的需求重點(diǎn)顯示特定的信息。因此軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程框圖如下所示：

　　圖8 系統(tǒng)流程圖

　　從上面的軟件流程圖可知軟件執(zhí)行流程如下：如果交通總控室有需要更新的路況信息，則將需要更新的內(nèi)容通過(guò)網(wǎng)線發(fā)送到Nesxy3開(kāi)發(fā)板，經(jīng)過(guò)信息處理模塊對(duì)LCD顯示內(nèi)容進(jìn)行更新。按鍵掃描程序如果檢測(cè)到某個(gè)鍵按下，則進(jìn)行相應(yīng)的中斷，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序處執(zhí)行特定顯示。如果沒(méi)有按鍵，則正常循環(huán)顯示。

　　(2)數(shù)據(jù)流圖

　　數(shù)據(jù)流圖它以圖形的方式描繪了信號(hào)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)流)在系統(tǒng)中流動(dòng)和處理的過(guò)程。數(shù)據(jù)流圖對(duì)整個(gè)項(xiàng)目模塊劃分起到了關(guān)鍵性的作用，它反映出了系統(tǒng)必須完成的邏輯功能。其數(shù)據(jù)流圖如下：

　　圖9 數(shù)據(jù)流圖

　　2.4技術(shù)指標(biāo)

表1 技術(shù)指標(biāo)

三 設(shè)計(jì)實(shí)施方案

3.1隊(duì)伍構(gòu)成及分工

表2隊(duì)伍分工

3.2 工具集

3.2.1硬件和軟件需求

表3硬件需求表

表4軟件需求表

　　3.2.2硬件描述

　　Nexys3 Spartan6 開(kāi)發(fā)板：由Digilent公司設(shè)計(jì)的基于Spartan-6芯片的FPGA開(kāi)發(fā)板,板子上有豐富的外設(shè),可以給此次項(xiàng)目的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的靈活性.

　　臺(tái)式電腦:裝有Xilinx工具軟件及modelsim軟件.可以對(duì)PFGA進(jìn)行開(kāi)發(fā).及對(duì)LCD顯示內(nèi)容進(jìn)行更新.

　　各種線纜：網(wǎng)線用來(lái)與FPGA開(kāi)發(fā)板進(jìn)行通信,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸.USB用來(lái)下載bit文件進(jìn)行FPGA的配置.

　　LCD:用來(lái)顯示文字信息.

　　3.2.3軟件描述

　　ISE Foundation ： Xilinx集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,是與PFGA硬件交流的橋梁.它能夠根據(jù)硬件描述語(yǔ)言或者電路模塊連接圖等等信息生成用于配置FPGA的配置文件,并下載到片子上去.

　　EDK:這是Xilinx用于嵌入式開(kāi)發(fā)的工具套裝,它主要用來(lái)對(duì)Nexys3板子的MicroBlaze軟核進(jìn)行配置和連接,搭建硬件系統(tǒng).

　　ModelSim：VHDL或者Verilog 硬件描述語(yǔ)言的調(diào)試和仿真工具,可在ISE里面直接調(diào)用.在此次項(xiàng)目的設(shè)計(jì)里面它用來(lái)編寫(xiě)測(cè)試向量和測(cè)試該項(xiàng)目小組自己設(shè)計(jì)的IP模塊

　　MicroBlaze：一個(gè)被Xilinx公司優(yōu)化過(guò)的可以嵌入在FPGA中的RISC處理器軟核,32位軟處理器核是支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合非常適合設(shè)計(jì)針對(duì)網(wǎng)絡(luò),電信,數(shù)據(jù)通信等的嵌入式系統(tǒng).