基于ETX模塊的顯示系統(tǒng)硬件設計

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

0 引言
    隨著數(shù)字電子技術的發(fā)展，嵌入式計算機逐漸開始顯露頭角，并以強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)，顯示質量和信息量不斷提高。伴隨著導航系統(tǒng)的發(fā)展和對戰(zhàn)場態(tài)勢終端顯示的需要，對視頻系統(tǒng)提出了更高的要求，需要能實時、動態(tài)地顯示導航信息、地形地貌、態(tài)勢信息，同時還要兼容顯示原CRT上的單色雷達畫面。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)設計基本原理
    要支持豐富多彩的視頻顯示，這對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)，至少具備能夠驅動VGA(Video Graphics Array)以上分辨率的軟硬件，能夠為應用程序提供豐富的圖形圖像功能。利用PC機多年發(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機視頻系統(tǒng)兼容的、能運行圖形操作系統(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、功能強大，具有以下特點：
    (1)處理器都采用P3以上的CPU，處理速度高；
    (2)單5V電源支持，簡化整個嵌入式系統(tǒng)設計；
    (3)BIOS和PC機完全兼容，軟件可以直接在PC機上開發(fā)而無需任何修改；
    (4)和PC機外部接口基本相同，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，可以方便地擴展系統(tǒng)所需的標準或非標準接口，同時由于ETX模塊和通用PC機軟硬件兼容，可以直接借用通用資源進行設計，大大簡化系統(tǒng)設計的難度。

2 顯示系統(tǒng)設計實現(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備；通過LVDS信號輸出到多功能顯示器。
    IO模塊能實現(xiàn)三種功能：外圍通訊設備的接收和發(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，分別由三種電路實現(xiàn)。
    視頻轉換模塊用于將原單色視頻信號轉換為可在LCD顯示的數(shù)字信號，進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單色畫面。
    電源模塊的輸入電壓為直流28V，經變換后為系統(tǒng)內各模塊提供所需電壓。
2．1 CPU模塊設計
    CPU模塊是系統(tǒng)主模塊，即系統(tǒng)總線的主設備。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，產生系統(tǒng)總線的地址信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號。CPU模塊功能框圖見圖2。

    CPU模塊須提供串行EEPROM以裝載LCD驅動軟件，LCD的類型不同其驅動軟件不同。根據(jù)EIX-C3提供的資料，串行EEPROM選用24C16芯片。  24C16的DDCDAT和DDCLK信號直接分別和ETX-C3的DDDA和DDCK信號連接。[!--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)及應用程序。電子盤采用FLASH芯片存儲數(shù)據(jù)，用IDE控制器實現(xiàn)標準IDE接口和FLASH芯片之間數(shù)據(jù)交換。由于采用電子結構取代了普通硬盤的機械結構，所以使得抗震性能得到極大的提高。CPU模塊通過IDE總線對電子盤模塊訪問。CPU模塊發(fā)出的控制信號和地址信號經驅動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接口模塊設計
    IO接口模塊實現(xiàn)主CPU模塊與外圍設備之間的通訊、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。

    外圍設備接口電路和GPS接收電路由可編程器件ispLSI1048E、TL16C554和MAX488實現(xiàn)。TL16C554是四路串行控制器，工作時鐘選擇3.686 4MHz，通過內部寄存器配置可以設置通訊最大速率為230400bps。當接收到外部數(shù)據(jù)時，TL16C554產生中斷，該中斷作為DSP中斷源，由DSP接收中斷并作相應處理后將數(shù)據(jù)存放在雙口存儲器中，同時設置標志通知主機讀取。
    通訊模塊為了實現(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的結構原理，這樣利用了編程靈活性。鍵盤控制器(8279)的外部輸入時鐘為3M6864Hz，而8279的掃描時鐘頻率為100kHz。當導光板按鍵按下，并且通過掃描線信號變?yōu)榈碗娖絹泶_認按鍵被按下，則8279便通過發(fā)出IRQ9中斷信號向主機申請中斷，等待主機響應來處理。
2．3 視頻模塊設計
    視頻模塊有兩個功能，一是LCD顯示，二是雷達顯示信號轉換處理。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模塊支持標準接口的LCD。其接口是標準的40芯LCD輸入插座，表1是LCD接口主要信號，其中信號方向相對于LCD模塊。直接驅動LCD的電路比較簡單，只要把CPU模塊對應信號連接即可。

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    采用直接的LCD驅動顯示都是主機和顯示器一體化結構，體積較大。而實際應用中由于空間有限，可以采用分體式設計，即把顯示器和主機分開。這樣主機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長距離傳輸問題。LVDS即低電壓差分信號技術是解決這一問題的關鍵。低壓保證了較低的功耗和較高的信號頻率，差分保證了長距離傳輸信號的品質。但是LVDS視頻不是簡單地將LCD信號一一轉換為對應的差分信號，而是采用特別簡潔的差分信號對。如圖2所示，包括時鐘信號對(TxCLK+，TxCLK-)和(Tx0-Tx2)三對信號。后三對差分信號是RGB顏色強度以及同步信號綜合調制后的差分輸出。在接收方，對LVDS差分信號合成后再還原成原來的時鐘、顏色強度、同步信號等。在每一個接收端跨接120 Ω匹配電阻，用以穩(wěn)定接收信號品質。在工程實踐上，一定要和發(fā)送端共地，防止圖像扭曲和浮動。在步板布線上，差分信號需要走平行等長線，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串行輸入轉換為21路并行顯示數(shù)據(jù)信號R0-R5、GO-G5、B0-B5、HS、VS、DE。另一路接收器將1路LVDS串行輸入轉換為時鐘信號。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)進行INDS信號的轉換，使得顯示信號能夠滿足長距離傳輸?shù)囊蟆?br /> 2. 3．2 雷達畫面處理
    為了能將雷達畫面顯示在液晶顯示器上，需要對雷達顯示信號進行轉換，使之滿足LCD顯示接口的要求，顯示轉換原理圖見圖5。

    該模塊按功能分為數(shù)據(jù)采集電路、圖像處理及存儲電路、時鐘電路、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畫面顯示的信號，該顯示信號分為光柵顯示信號和隨機顯示信號兩種。
    隨機法顯示信號分為X、Y、Z三個信號，X、Y為地址位置，Z為隨機法輝度。其中X和Y是正負電平輸入，Z是正電平輸入。X、Y形成一個地址碼，將相應的Z信號存在這個地址中。
    光柵掃描信號分為X、Y、S三個信號，X行掃描，Y為幀掃描，S為掃描法輝度。其中X和Y是正負電平輸入，S是正電平輸入。由X、Y可以得到一個地址碼，將相應的S信號存在這個地址中。
    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系見圖6。

    圖像處理及存儲電路對X和Y的采樣值進行地址換算產生地址，同時對Z信號或S信號采樣產生數(shù)據(jù)，按照地址將數(shù)據(jù)存入雙口存儲器。利用ETX模塊輸出的CLK、行同步、幀同步、數(shù)據(jù)使能等信號做為同步信號，將雙口存儲器的數(shù)據(jù)讀出并放在LCD接口的G0～G5上，即可在LCD上顯示綠色雷達畫面。
    由于顯示圖像是根據(jù)XY的值在顯示器的相應位置顯示出輝亮信息，所以在接收新數(shù)據(jù)前應該先將存儲器清零，否則畫面會顯示以前的信息。原雷達畫面是單綠色顯示，所以將處理后的信號接到液晶屏的綠信號上，液晶屏的紅(R0～R5)和藍信號(B0～B5)直接接地。
    時鐘電路給所需的采樣、同步、計數(shù)器提供工作時鐘。使用ETX模塊輸出的LVDS解碼后的25MHz時鐘作為視頻轉換模塊的時鐘，對該時鐘4分頻產生6．25MHz時鐘作為采樣時鐘；使用經LVDS解碼后的行同步和幀同步作為視頻轉換模塊的時鐘行同步和幀同步信號。
    顯示通道選擇。顯示器分時顯示地圖畫面和雷達畫面，在顯示器面板上增加一個通道選擇按鍵，該按鍵產生高低電平控制二選一電路，從而達到畫面切換的目的，電路用244驅動器實現(xiàn)二選一功能。
2．4 LCD設計
    液晶顯示屏為6．5"LCD彩色顯示屏，為了適應環(huán)境，應具有高亮度、寬溫、強陽光下可視、抗強振動沖擊、防電磁干擾、輕量化、以及可靠性高等特點。
    分辨率：800×600；
    亮度調節(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，接口簡單，經使用證明圖像清晰、畫面穩(wěn)定，說明設計合理、穩(wěn)定可靠。數(shù)字視頻技術是視頻發(fā)展的一個重要趨勢，必將應用在更廣泛的領域。