基于NiosII32位處理器的LED大屏幕顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　引言

　　目前，LED大屏幕顯示系統(tǒng)按數(shù)據(jù)傳輸方式分為兩類(lèi)：一是同步實(shí)時(shí)顯示，即計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)的內(nèi)容同時(shí)在LED視頻顯示屏上顯示；二是異步通信更新數(shù)據(jù)顯示，計(jì)算機(jī)通過(guò)USB、通用串行接口、以太網(wǎng)等通信方式將數(shù)據(jù)傳送給獨(dú)立視頻源顯示屏。通常，異步通信控制方式只能將屏幕作為一個(gè)完整的區(qū)域顯示，對(duì)于較大屏幕的顯示系統(tǒng)，有時(shí)需要將整屏分為若干個(gè)窗口分別顯示不同的內(nèi)容，且內(nèi)容的更新只是某一個(gè)或幾個(gè)窗口。針對(duì)這種情況，本文提出了一種基于NiosII32位處理器的設(shè)計(jì)方案，能有效地實(shí)現(xiàn)單屏幕多窗口的任意位置顯示，使得顯示方式更加靈活方便。

　　1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　1.1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　LED顯示系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、掃描控制模塊、顯示驅(qū)動(dòng)模塊和LED屏構(gòu)成，如圖1所示。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將要顯示的點(diǎn)陣信息通過(guò)RS485串行接口送往存儲(chǔ)設(shè)備，數(shù)據(jù)處理模塊讀取存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)并進(jìn)行各種特技顯示處理，將處理好的數(shù)據(jù)送往掃描控制模塊，顯示驅(qū)動(dòng)模塊接收到掃描控制模塊的數(shù)據(jù)后送往LED屏上顯示。數(shù)據(jù)通信傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、掃描控制模塊3部分均在FPGA上實(shí)現(xiàn)，即構(gòu)成LED異步控制器。

　　1.2　系統(tǒng)軟件方案

　　軟件基于NiosIIIDE開(kāi)發(fā)完成，應(yīng)用程序基于μC/OS2II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。軟件程序主要由2個(gè)任務(wù)和1個(gè)定時(shí)器中斷服務(wù)程序組成，任務(wù)間采用信號(hào)量的方式進(jìn)行通信。任務(wù)1將上位機(jī)傳送到CF卡存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存中；任務(wù)2從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，把分析處理完的數(shù)據(jù)送往掃描控制模塊。為了充分利用μC/OS2II的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)的特點(diǎn)，采用嵌入式文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

　　2　控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)處理模塊由NiosII軟核CPU、1片SDRAM和1片F(xiàn)lash存儲(chǔ)器組成。NiosII軟核CPU是整個(gè)控制器的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理；SDRAM作為CPU處理數(shù)據(jù)時(shí)的緩存使用；Flash存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)點(diǎn)陣信息數(shù)據(jù)和LED屏顯示控制參數(shù)。

　　掃描控制模塊由用戶自定義的PWMIP核和顯存組成。顯存采用1片SRAM實(shí)現(xiàn)，用來(lái)保存當(dāng)前顯示的一幀點(diǎn)陣信息數(shù)據(jù)。PWM模塊通過(guò)Avalon總線和NiosIICPU連接，將從CPU接收到的數(shù)據(jù)按指定地址寫(xiě)入顯存，然后再按一定的尋址方式從顯存中讀取點(diǎn)陣信息數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描。

　　串口控制器、定時(shí)器、存儲(chǔ)器控制器、CF卡控制器通過(guò)SOPCBuilder軟件定制集成IP核自動(dòng)生成。本控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　3　控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)軟件是基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS2II進(jìn)行設(shè)計(jì)的。該操作系統(tǒng)利用高效任務(wù)調(diào)度算法調(diào)度每個(gè)任務(wù)，而每個(gè)窗口的顯示由單個(gè)任務(wù)完成。主函數(shù)創(chuàng)建了2個(gè)任務(wù)：一個(gè)用于讀取CF卡數(shù)據(jù)；另一個(gè)用于接收來(lái)自不同顯示模塊的場(chǎng)景數(shù)據(jù)和播放顯示文件。

　　3.1　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)形式直接影響數(shù)據(jù)的存取速度和控制的復(fù)雜度。本系統(tǒng)對(duì)顯存中的數(shù)據(jù)和緩存中的數(shù)據(jù)均重新組織，降低了數(shù)據(jù)處理和掃描控制的復(fù)雜度。

　　3.1.1　顯存數(shù)據(jù)的組織

　　LED顯示屏的每個(gè)像素點(diǎn)都包括紅、綠、藍(lán)3種基色，每種顏色的灰度級(jí)均為256級(jí)（即由8位數(shù)據(jù)對(duì)像素點(diǎn)灰度級(jí)進(jìn)行編碼），故每個(gè)像素點(diǎn)需要占用3字節(jié)的存儲(chǔ)空間。顯示時(shí)，每個(gè)像素的紅管、綠管、藍(lán)管是同時(shí)點(diǎn)亮的，也就是說(shuō)，3種顏色的數(shù)據(jù)是并行上屏的。

　　可將紅、綠、藍(lán)3種顏色對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)，以方便操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式如圖3所示。同一種顏色的數(shù)據(jù)集中存放在某個(gè)區(qū)域中，區(qū)域的首地址作為該顏色的基址。在進(jìn)行數(shù)據(jù)存放時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)只需給出相對(duì)變化地址（變址），加上不同顏色的基址就可以在3個(gè)區(qū)域中找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)。

　　LED顯示屏灰度的實(shí)現(xiàn)方法是分權(quán)重掃描的。這樣就需要對(duì)顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行位分離，然后同權(quán)重的位重新組合。為了方便操作，存儲(chǔ)時(shí)把圖3所示的每個(gè)區(qū)再分為8個(gè)權(quán)重區(qū)，所有同權(quán)重的數(shù)值集中放于對(duì)應(yīng)的權(quán)重區(qū)中。

　　所謂位分離，就是把數(shù)據(jù)的高低位按權(quán)重分開(kāi)，然后重新組織。位分離在可編程邏輯器件中比較容易實(shí)現(xiàn)，可以劃出一塊邏輯矩陣，操作時(shí)橫向存入，縱向讀出即可。位分離示意圖如圖4所示。

　　3.1.2　緩存數(shù)據(jù)的組織

　　若要進(jìn)行特技效果顯示，則當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)幀和下一個(gè)數(shù)據(jù)幀存在著某種變換關(guān)系。由于CPU只能對(duì)顯存進(jìn)行寫(xiě)操作，所以需在緩存中劃分出一塊大小和顯存相等、地址一一對(duì)應(yīng)的區(qū)域screen，用于存儲(chǔ)當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)幀信息。如果各窗口之間存在重疊現(xiàn)象，且特技數(shù)據(jù)處理運(yùn)算直接在screen區(qū)域進(jìn)行，則窗口重疊部分信息可能發(fā)生混亂。故在緩存中再為每一個(gè)窗口劃分出一塊存取空間（part1，part2，partn），用于存儲(chǔ)本窗口顯示的前一幀數(shù)據(jù)信息。在特技數(shù)據(jù)處理運(yùn)算時(shí)，先在part區(qū)域處理各窗口的數(shù)據(jù)信息，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)送往各窗口在screen區(qū)域中所對(duì)應(yīng)地址的存取空間，最后將screen中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入地址對(duì)應(yīng)的顯存。

　　3.2　讀取CF卡軟件設(shè)計(jì)

　　任務(wù)1負(fù)責(zé)將CF卡上的數(shù)據(jù)讀取到SDRAM中，供其他任務(wù)使用。在程序中使用了1個(gè)指針（3pwmdata），為數(shù)據(jù)文件在SDRAM中分配空間。在文件系統(tǒng)初始化時(shí)，首先調(diào)用CF卡初始化函數(shù)IDE_initialize（）判斷CF卡是否存在。若存在，則讀取文件系統(tǒng)的基本信息。通過(guò)調(diào)用函數(shù)FS_SearchFile（char3FName，F(xiàn)S_TFile3R，unsignedchardir）來(lái)查找需要讀取的文件是否存在，若存在，則通過(guò)指針（3pwmdata）為數(shù)據(jù)文件在SDRAM中分配一個(gè)緩沖區(qū)。讀取時(shí)，每次讀取一個(gè)扇區(qū)，直到將數(shù)據(jù)全部讀取到SDRAM中。

　　部分程序源碼如下：

　　3.3　軟件總體設(shè)計(jì)

　　基于以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計(jì)的流程如圖5所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化操作，然后從Flash中讀取顯示屏參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)初始化。接著建立任務(wù)TaskControl（），其優(yōu)先級(jí)比各窗口顯示任務(wù)都要高，主要用于實(shí)時(shí)管理各窗口顯示任務(wù)，每個(gè)窗口的顯示由單個(gè)窗口顯示任務(wù)來(lái)控制。

　　窗口顯示任務(wù)根據(jù)各窗口顯示方式的不同，在其對(duì)應(yīng)的part存儲(chǔ)區(qū)域進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算，然后調(diào)用窗口顯示子任務(wù)進(jìn)行顯示。在完成一幀數(shù)據(jù)的顯示后，調(diào)用一次OSTimeDlyHMSM（）使當(dāng)前任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，下一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高并進(jìn)入了就緒態(tài)的任務(wù)，立刻被賦予了CPU的控制權(quán)，由此完成窗口顯示任務(wù)之間的切換。任務(wù)TaskControl（）定期查詢(xún)Reset是否有效，若有效則刪除原來(lái)建立的任務(wù)，重新讀取窗口數(shù)，建立新任務(wù)，啟用各個(gè)窗口顯示任務(wù)Task_i。

　　任務(wù)TaskControl的偽程序段描述如下：

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)充分利用了NiosII32位處理器的高性能和μC/OS2II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)高效的任務(wù)調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)了單屏幕多窗口顯示，且顯示屏控制變得更加靈活。整個(gè)控制系統(tǒng)在1片F(xiàn)PGA芯片上完成，有效地降低了系統(tǒng)的成本。