基于ETX模塊的顯示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘要：重點(diǎn)介紹了一種基于ETX模塊的新型顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括模擬視頻信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換和LVDS視頻總線設(shè)計(jì)。文中給出了模擬顯示信號(hào)到數(shù)字RGB轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，介紹了高質(zhì)量的液晶顯示技術(shù)，并且給出了視頻發(fā)送電路和視頻接收電路的具體設(shè)計(jì)，經(jīng)過驗(yàn)證表明該設(shè)計(jì)合理可行。文章揭示了視頻發(fā)展的趨勢和新技術(shù)，在顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有典型性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：視頻；嵌入式；接口；低電壓差分信號(hào)

0 引言
    隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式計(jì)算機(jī)逐漸開始顯露頭角，并以強(qiáng)大的功能證明自己的存在。其中視頻系統(tǒng)的發(fā)展最引入注目，從最初簡單的指示燈，到能顯示數(shù)字、字母的數(shù)碼管，直到能顯示漢字的LCD視頻的出現(xiàn)，顯示質(zhì)量和信息量不斷提高。伴隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和對(duì)戰(zhàn)場態(tài)勢終端顯示的需要，對(duì)視頻系統(tǒng)提出了更高的要求，需要能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地顯示導(dǎo)航信息、地形地貌、態(tài)勢信息，同時(shí)還要兼容顯示原CRT上的單色雷達(dá)畫面。本文介紹了我們在滿足視頻新要求方面所做的一些工作。

1 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原理
    要支持豐富多彩的視頻顯示，這對(duì)CPU模塊提出了很高的要求，通常純粹的單片嵌入式CPU(例如DSP等)已不能勝任，必須另行選擇。圖象顯示不但要求極高的CPU主頻和處理能力，也需要支持圖形操作系統(tǒng)，至少具備能夠驅(qū)動(dòng)VGA(Video Graphics Array)以上分辨率的軟硬件，能夠?yàn)閼?yīng)用程序提供豐富的圖形圖像功能。利用PC機(jī)多年發(fā)展積累的軟硬件資源，是一條事半功倍的簡截途徑。
    目前硬件上和PC機(jī)視頻系統(tǒng)兼容的、能運(yùn)行圖形操作系統(tǒng)的CPU模塊有許多種，其中德國JUMPtec公司的ETX系列經(jīng)過加固能夠滿足抗惡劣環(huán)境要求。該系列模塊體積小、功耗低、功能強(qiáng)大，具有以下特點(diǎn)：
    (1)處理器都采用P3以上的CPU，處理速度高；
    (2)單5V電源支持，簡化整個(gè)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
    (3)BIOS和PC機(jī)完全兼容，軟件可以直接在PC機(jī)上開發(fā)而無需任何修改；
    (4)和PC機(jī)外部接口基本相同，例如提供IDE硬盤接口、串口、并口、USB口、PS／2接口等。在系統(tǒng)擴(kuò)充功能上，提供PCI總線和傳統(tǒng)的EISA總線接口。
    (5)視頻接口提供VGA、INDS接口支持。
    通過ETX模塊提供的豐富接口資源，可以方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)所需的標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)接口，同時(shí)由于ETX模塊和通用PC機(jī)軟硬件兼容，可以直接借用通用資源進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度。

2 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    顯示系統(tǒng)由液晶顯示器、CPU模塊、電源模塊、IO模塊和視頻轉(zhuǎn)換模塊組成。組成如圖1所示。

    CPU模塊通過ISA總線訪問IO接口；通過串口連接二線檢測設(shè)備；通過LVDS信號(hào)輸出到多功能顯示器。
    IO模塊能實(shí)現(xiàn)三種功能：外圍通訊設(shè)備的接收和發(fā)送電路、GPS接收器數(shù)據(jù)接收電路和顯示器按鍵控制電路，分別由三種電路實(shí)現(xiàn)。
    視頻轉(zhuǎn)換模塊用于將原單色視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為可在LCD顯示的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行圖像合成和放大處理后，用二選一電路選擇顯示彩色畫面或原雷達(dá)單色畫面。
    電源模塊的輸入電壓為直流28V，經(jīng)變換后為系統(tǒng)內(nèi)各模塊提供所需電壓。
2．1 CPU模塊設(shè)計(jì)
    CPU模塊是系統(tǒng)主模塊，即系統(tǒng)總線的主設(shè)備。CPU模塊完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及生成顯示圖象的功能，產(chǎn)生系統(tǒng)總線的地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)。CPU模塊功能框圖見圖2。

    CPU模塊須提供串行EEPROM以裝載LCD驅(qū)動(dòng)軟件，LCD的類型不同其驅(qū)動(dòng)軟件不同。根據(jù)EIX-C3提供的資料，串行EEPROM選用24C16芯片。  24C16的DDCDAT和DDCLK信號(hào)直接分別和ETX-C3的DDDA和DDCK信號(hào)連接。[!--empirenews.page--]
    考慮到普通硬盤無法滿足抗惡劣環(huán)境要求，因此選用電子盤用于存放數(shù)字地圖、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序。電子盤采用FLASH芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用IDE控制器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)IDE接口和FLASH芯片之間數(shù)據(jù)交換。由于采用電子結(jié)構(gòu)取代了普通硬盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以使得抗震性能得到極大的提高。CPU模塊通過IDE總線對(duì)電子盤模塊訪問。CPU模塊發(fā)出的控制信號(hào)和地址信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路和電子盤相連接。其16位數(shù)據(jù)接口直接和IDE總線相連。

2．2 IO接口模塊設(shè)計(jì)
    IO接口模塊實(shí)現(xiàn)主CPU模塊與外圍設(shè)備之間的通訊、GPS接收、顯示器按鍵控制等功能。采用DSP控制器，用雙口RAM與CPU模塊交換數(shù)據(jù)，接口模塊的組成示意圖如圖4所示。

    外圍設(shè)備接口電路和GPS接收電路由可編程器件ispLSI1048E、TL16C554和MAX488實(shí)現(xiàn)。TL16C554是四路串行控制器，工作時(shí)鐘選擇3.686 4MHz，通過內(nèi)部寄存器配置可以設(shè)置通訊最大速率為230400bps。當(dāng)接收到外部數(shù)據(jù)時(shí)，TL16C554產(chǎn)生中斷，該中斷作為DSP中斷源，由DSP接收中斷并作相應(yīng)處理后將數(shù)據(jù)存放在雙口存儲(chǔ)器中，同時(shí)設(shè)置標(biāo)志通知主機(jī)讀取。
    通訊模塊為了實(shí)現(xiàn)鍵盤電路功能，采用了用ispLSI1048E可編程器件模擬鍵盤控制器8279的結(jié)構(gòu)原理，這樣利用了編程靈活性。鍵盤控制器(8279)的外部輸入時(shí)鐘為3M6864Hz，而8279的掃描時(shí)鐘頻率為100kHz。當(dāng)導(dǎo)光板按鍵按下，并且通過掃描線信號(hào)變?yōu)榈碗娖絹泶_認(rèn)按鍵被按下，則8279便通過發(fā)出IRQ9中斷信號(hào)向主機(jī)申請中斷，等待主機(jī)響應(yīng)來處理。
2．3 視頻模塊設(shè)計(jì)
    視頻模塊有兩個(gè)功能，一是LCD顯示，二是雷達(dá)顯示信號(hào)轉(zhuǎn)換處理。下面分別加以敘述。
2．3．1 LCD顯示
    采用LCD是解決嵌入式系統(tǒng)要求的高分辨率和小體積矛盾的有效途徑。ETX模塊支持標(biāo)準(zhǔn)接口的LCD。其接口是標(biāo)準(zhǔn)的40芯LCD輸入插座，表1是LCD接口主要信號(hào)，其中信號(hào)方向相對(duì)于LCD模塊。直接驅(qū)動(dòng)LCD的電路比較簡單，只要把CPU模塊對(duì)應(yīng)信號(hào)連接即可。

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    采用直接的LCD驅(qū)動(dòng)顯示都是主機(jī)和顯示器一體化結(jié)構(gòu)，體積較大。而實(shí)際應(yīng)用中由于空間有限，可以采用分體式設(shè)計(jì)，即把顯示器和主機(jī)分開。這樣主機(jī)和顯示器及控制器之間使用長距離電纜連接，必須解決顯示和控制信號(hào)長距離傳輸問題。LVDS即低電壓差分信號(hào)技術(shù)是解決這一問題的關(guān)鍵。低壓保證了較低的功耗和較高的信號(hào)頻率，差分保證了長距離傳輸信號(hào)的品質(zhì)。但是LVDS視頻不是簡單地將LCD信號(hào)一一轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的差分信號(hào)，而是采用特別簡潔的差分信號(hào)對(duì)。如圖2所示，包括時(shí)鐘信號(hào)對(duì)(TxCLK+，TxCLK-)和(Tx0-Tx2)三對(duì)信號(hào)。后三對(duì)差分信號(hào)是RGB顏色強(qiáng)度以及同步信號(hào)綜合調(diào)制后的差分輸出。在接收方，對(duì)LVDS差分信號(hào)合成后再還原成原來的時(shí)鐘、顏色強(qiáng)度、同步信號(hào)等。在每一個(gè)接收端跨接120 Ω匹配電阻，用以穩(wěn)定接收信號(hào)品質(zhì)。在工程實(shí)踐上，一定要和發(fā)送端共地，防止圖像扭曲和浮動(dòng)。在步板布線上，差分信號(hào)需要走平行等長線，并用地層隔離。
    LVDS接收器SN65LVDS86AQ是包含3路串行輸入、7位并行輸出移位寄存器和4路LVDS接收器的綜合電路。4路接收器中的3路將3路LVDS串行輸入轉(zhuǎn)換為21路并行顯示數(shù)據(jù)信號(hào)R0-R5、GO-G5、B0-B5、HS、VS、DE。另一路接收器將1路LVDS串行輸入轉(zhuǎn)換為時(shí)鐘信號(hào)。SN65LVDS86AQ工作電壓為3．3V，支持18位TFT顯示器。
    模塊中使用SN65LVDS84A(發(fā)送LVDS)和SN65LVDS86A(接收LVDS)進(jìn)行INDS信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使得顯示信號(hào)能夠滿足長距離傳輸?shù)囊蟆?br /> 2. 3．2 雷達(dá)畫面處理
    為了能將雷達(dá)畫面顯示在液晶顯示器上，需要對(duì)雷達(dá)顯示信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之滿足LCD顯示接口的要求，顯示轉(zhuǎn)換原理圖見圖5。

    該模塊按功能分為數(shù)據(jù)采集電路、圖像處理及存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路、邏輯控制電路和顯示通道二選一電路。
    數(shù)據(jù)采集電路用來采集由雷達(dá)畫面顯示的信號(hào)，該顯示信號(hào)分為光柵顯示信號(hào)和隨機(jī)顯示信號(hào)兩種。
    隨機(jī)法顯示信號(hào)分為X、Y、Z三個(gè)信號(hào)，X、Y為地址位置，Z為隨機(jī)法輝度。其中X和Y是正負(fù)電平輸入，Z是正電平輸入。X、Y形成一個(gè)地址碼，將相應(yīng)的Z信號(hào)存在這個(gè)地址中。
    光柵掃描信號(hào)分為X、Y、S三個(gè)信號(hào)，X行掃描，Y為幀掃描，S為掃描法輝度。其中X和Y是正負(fù)電平輸入，S是正電平輸入。由X、Y可以得到一個(gè)地址碼，將相應(yīng)的S信號(hào)存在這個(gè)地址中。
    X、Y的電壓值在屏幕上的位置如圖6所示。X、Y的電壓值和采樣值的關(guān)系見圖6。

    圖像處理及存儲(chǔ)電路對(duì)X和Y的采樣值進(jìn)行地址換算產(chǎn)生地址，同時(shí)對(duì)Z信號(hào)或S信號(hào)采樣產(chǎn)生數(shù)據(jù)，按照地址將數(shù)據(jù)存入雙口存儲(chǔ)器。利用ETX模塊輸出的CLK、行同步、幀同步、數(shù)據(jù)使能等信號(hào)做為同步信號(hào)，將雙口存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀出并放在LCD接口的G0～G5上，即可在LCD上顯示綠色雷達(dá)畫面。
    由于顯示圖像是根據(jù)XY的值在顯示器的相應(yīng)位置顯示出輝亮信息，所以在接收新數(shù)據(jù)前應(yīng)該先將存儲(chǔ)器清零，否則畫面會(huì)顯示以前的信息。原雷達(dá)畫面是單綠色顯示，所以將處理后的信號(hào)接到液晶屏的綠信號(hào)上，液晶屏的紅(R0～R5)和藍(lán)信號(hào)(B0～B5)直接接地。
    時(shí)鐘電路給所需的采樣、同步、計(jì)數(shù)器提供工作時(shí)鐘。使用ETX模塊輸出的LVDS解碼后的25MHz時(shí)鐘作為視頻轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)鐘，對(duì)該時(shí)鐘4分頻產(chǎn)生6．25MHz時(shí)鐘作為采樣時(shí)鐘；使用經(jīng)LVDS解碼后的行同步和幀同步作為視頻轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)鐘行同步和幀同步信號(hào)。
    顯示通道選擇。顯示器分時(shí)顯示地圖畫面和雷達(dá)畫面，在顯示器面板上增加一個(gè)通道選擇按鍵，該按鍵產(chǎn)生高低電平控制二選一電路，從而達(dá)到畫面切換的目的，電路用244驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)二選一功能。
2．4 LCD設(shè)計(jì)
    液晶顯示屏為6．5"LCD彩色顯示屏，為了適應(yīng)環(huán)境，應(yīng)具有高亮度、寬溫、強(qiáng)陽光下可視、抗強(qiáng)振動(dòng)沖擊、防電磁干擾、輕量化、以及可靠性高等特點(diǎn)。
    分辨率：800×600；
    亮度調(diào)節(jié)范圍：0．15～1000cd／m2
    視場角：水平+85°／-85°，垂直+85°／-85°；
    顯示屏接口：數(shù)字RGB(16位)；
    背光：高亮LED。

3 結(jié)束語
    顯示系統(tǒng)在不斷地發(fā)展。根據(jù)以上原理，我們研制了多用途顯示系統(tǒng)，通用性強(qiáng)，接口簡單，經(jīng)使用證明圖像清晰、畫面穩(wěn)定，說明設(shè)計(jì)合理、穩(wěn)定可靠。數(shù)字視頻技術(shù)是視頻發(fā)展的一個(gè)重要趨勢，必將應(yīng)用在更廣泛的領(lǐng)域。