基于μC/OS-II的多窗口顯示屏控制器設計

引言

LED大屏幕顯示屏是當今室外平面顯示的主流，其控制系統(tǒng)的技術發(fā)展也日趨成熟，控制系統(tǒng)按數(shù)據(jù)傳輸方式分為兩類：同步顯示和異步顯示。同步顯示控制系統(tǒng)即LED顯示屏和視頻數(shù)據(jù)源實時保持一致，視頻信號實時變化。異步顯示控制系統(tǒng)通過USB、通用串行接口、以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)通信方式，更新大屏幕控制系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)存儲區(qū)。數(shù)據(jù)更新由上位機控制，LED顯示屏的視頻信息變化由視頻數(shù)據(jù)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)決定。在異步顯示系統(tǒng)中，可實現(xiàn)將顯示屏分為若干區(qū)域，不同的區(qū)域?qū)煌拇鎯^(qū)，數(shù)據(jù)更新時可以只更新其中的一個或幾個窗口。本設計采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII的多線程控制方式，分別控制各個窗口的數(shù)據(jù)區(qū)域，實現(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)總體設計

采用SOPC技術在FPGA上構(gòu)建Nios II軟核作為LED顯示控制系統(tǒng)的處理器，實現(xiàn)32位的嵌入式系統(tǒng)操作。通過基于μC/OSII的嵌入式操作系統(tǒng)的軟件設計，完成對DVI視頻顯示數(shù)據(jù)的接收和預處理。掃描電路接收視頻數(shù)據(jù)后進行存儲，同時將數(shù)據(jù)進行再組織并送往掃描屏。

1.1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

多窗口顯示屏控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

計算機顯卡數(shù)據(jù)通過DVI接口將數(shù)據(jù)傳送給顯示屏控制系統(tǒng)的解碼電路部分，DVI解碼芯片將獲得的視頻數(shù)據(jù)解碼，得到RGB視頻數(shù)據(jù)和控制信號。控制信號中包含行掃描信號和場掃描信號，顯示屏控制系統(tǒng)根據(jù)場掃描信號判斷采集1幀視頻數(shù)據(jù)是否結(jié)束，并將視頻數(shù)據(jù)寫入發(fā)送系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器RAM進行緩存。FPGA從RAM存儲器中讀取數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)按照灰度級分為8個區(qū)域模塊進行重新組織、轉(zhuǎn)換，然后通過移位串行時鐘送入LED顯示屏進行顯示。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、掃描控制模塊3部分均在FPGA上實現(xiàn)。

1.2　軟件總體設計

全彩色LED大屏幕數(shù)據(jù)量大，本設計將顯示屏從邏輯上劃分為多個窗口，軟件部分基于μC/OSII嵌入式操作系統(tǒng)編程實現(xiàn)。μC/OSII操作系統(tǒng)的任務調(diào)度算法比較先進，在顯示系統(tǒng)中，可以將每個窗口的顯示操作都交給某個任務來執(zhí)行，這樣可以從很大程度上提高整個系統(tǒng)的運行速度和軟件的可靠性。

軟件基于Nios II IDE開發(fā)完成，應用程序基于μC/OSII實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)。軟件主要由2個任務和1個定時器中斷服務程序組成，任務間采用信號量的方式進行通信。計算機系統(tǒng)的顯卡數(shù)據(jù)經(jīng)DVI解碼模塊解碼后得到RGB視頻數(shù)據(jù)。任務1接收RGB視頻信息，并對視頻信息進行濾波、數(shù)據(jù)的位組合、數(shù)據(jù)存儲區(qū)的重新組合等處理操作。任務2從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，并進行分析處理，把分析處理完的數(shù)據(jù)送往掃描控制模塊。利用μC/OSII的實時性和多任務的特點，采用嵌入式文件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理。

2　控制器的硬件部分設計方案

2.1　視頻數(shù)據(jù)解碼模塊分析

采取從顯卡的DVI接口獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過視頻控制系統(tǒng)進行適當?shù)臄?shù)據(jù)變換，再發(fā)送到LED顯示屏上顯示。此模塊用來獲取視頻源數(shù)據(jù)，完成對顯卡DVI接口傳輸?shù)腡MDS編碼數(shù)據(jù)的接收。通過TMDS解碼，實現(xiàn)對RGB視頻數(shù)據(jù)和像素時鐘CLOCK、像素有效信號DE、行同步信號HSYN、場同步信號VSYN、同步檢測信號SCDT等視頻顯示控制信號的恢復。

計算機顯卡輸出的DVI差分信號不能直接作為LED的掃描數(shù)據(jù)信號，需要經(jīng)過解碼，將該信號恢復為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)RED[7..0]、GREEN[7..0]、BLUE[7..0]等像素信息，還需要恢復控制信號，如行同步信號HSYNC、場同步信號VSYNC、數(shù)據(jù)使能信號DE和時鐘CLK等控制信息。需要一個解碼電路對DVI差分信號進行解碼，本設計采用TFP401A DVI解碼芯片實現(xiàn)該功能，解碼后的數(shù)據(jù)信息用于提供給LED屏控制器使用。

2.2　數(shù)據(jù)的存儲組織模塊分析

數(shù)據(jù)寫入SRAM存儲器中的組織方式有兩種：位平面法和組合像素法。位平面法是指像素的每一位分別存放在不同的存儲設備中；組合像素法是指畫面上每個像素的所有位均集中存放在單個存儲設備中。LED屏像素數(shù)據(jù)每一位的權值是不同的，高位的權值高，也就意味著高位為1時LED的點亮時間要長。根據(jù)兩種存儲結(jié)構(gòu)的特點，對于LED屏，采用位平面結(jié)構(gòu)有利于提高LED屏的顯示效果，從而更容易實現(xiàn)D/T（data to time）轉(zhuǎn)換。位平面法的數(shù)據(jù)需要重新組織，利用位平面結(jié)構(gòu)有利于提高LED屏的顯示效果。數(shù)據(jù)重構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)重構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)重構(gòu)后，通過QuartusⅡ軟件編譯，得出如圖3所示仿真波形。其中，當col為1時，表示已寫完上面8個地址的數(shù)據(jù)，此時讀地址計數(shù)器開始計數(shù)。datain為串行輸入數(shù)據(jù)，dout為串行輸出數(shù)據(jù)。

圖3　數(shù)據(jù)重構(gòu)模塊的仿真波形

2.3　掃描控制模塊

將數(shù)字視頻信號進行緩存處理，并將RGB信號通過脈寬調(diào)制（PWM）轉(zhuǎn)換為供LED顯示所需的信號送往掃描模塊。掃描控制模塊由用戶自定義的PWM IP核和顯存組成，顯存采用1片SRAM實現(xiàn)，用來保存當前顯示的1幀點陣信息數(shù)據(jù)。PWM模塊通過Avalon總線和Nios II CPU連接，將從CPU接收到的數(shù)據(jù)按指定地址寫入顯存，然后再按一定的尋址方式從顯存中讀取點陣信息數(shù)據(jù)進行掃描。

2.4　其他功能模塊

串口控制器、定時器、存儲器控制器通過SOPC Builder軟件定制集成IP核自動生成。

3　控制系統(tǒng)軟件部分設計

該操作系統(tǒng)利用高效任務調(diào)度算法調(diào)度每個任務，而每個窗口的顯示由單個任務完成。

3.1　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

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

3.1.1　顯存數(shù)據(jù)的組織

LED顯示屏的每個像素點都包括紅、綠、藍3種基色，每種顏色的灰度級均為256級，即由8位數(shù)據(jù)對像素點灰度級進行編碼，故每個像素點需要占用3字節(jié)的存儲空間。顯示時，每個像素的紅管、綠管、藍管是同時點亮的，也就是說，3種顏色的數(shù)據(jù)是并行上屏的。據(jù)此，可將紅綠藍3種顏色對應的數(shù)據(jù)分開存儲，以方便操作。數(shù)據(jù)存儲方式如圖4所示。每種顏色的數(shù)據(jù)

圖4　存儲器分區(qū)圖

集中存放在某個區(qū)中，每個區(qū)域的首地址作為3種顏色的基址，在進行數(shù)據(jù)存放時，每個像素點只需給出相對變化地址（變址），然后加上不同的基址就可以在3個區(qū)域中找到對應點的視頻數(shù)據(jù)。

LED顯示屏灰度的實現(xiàn)方法，是分權重掃描的。這樣就需要把顏色數(shù)據(jù)位分離，然后同權重的位重新組合。為了方便操作，存儲時把圖4所示的分區(qū)中的每個區(qū)再分為8個權重區(qū)，所有同權重的數(shù)值集中放于對應權重區(qū)中。所謂位分離就是把數(shù)據(jù)的高低位按權重分開，然后重新組織。位分離的實現(xiàn)在可編程邏輯器件中也比較容易實現(xiàn)，可以劃出一塊邏輯矩陣，操作時橫向存入，縱向讀出即可。位分離示意圖如圖5所示。

圖5　位分離示意圖

3.1.2　緩存數(shù)據(jù)的組織

若要進行特技效果顯示，則當前顯示的數(shù)據(jù)幀和下一個數(shù)據(jù)幀存在著某種變換關系，由于CPU只能對顯存進行寫操作，所以需在緩存中劃分出一塊大小和顯存相等、地址一一對應的區(qū)域screen，用于存儲當前顯示的數(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)處理運算直接在screen區(qū)域進行，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窗口劃分出一塊存取空間(part 1,part 2,…,part n)，用于存儲本窗口顯示的前一幀數(shù)據(jù)信息。在特技數(shù)據(jù)處理運算時，先在part區(qū)域處理各窗口的數(shù)據(jù)信息，然后將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)送往各窗口在screen區(qū)域所對應地址的存取空間，最后將screen中的數(shù)據(jù)寫入地址對應的顯存，從而完成顯示。

3.2　軟件設計

基于上述方案，程序的設計將變得非常簡潔。首先進行系統(tǒng)初始化，然后從Flash中讀取屏參數(shù)，進行參數(shù)初始化。接著建立任務TaskControl，對各窗口顯示任務進行實時管理，它擁有比各窗口顯示任務都高的優(yōu)先級。它每隔1 s對reset標志進行一次查詢，如果reset=1，則刪除原先建立的各窗口顯示任務，從Flash中讀取新的窗口個數(shù)，然后依此建立新任務，將每個窗口的顯示交由單個任務來控制。

下面是TaskControl任務的程序演示：
void TaskControl(void*pdata){
uint8 taskNum;
pdata=pdata;
RESET：
reset=0;//reset標志清零
for(taskNum=3;taskNum<16;taskNum++){//刪除原先建立的窗口顯示任務
OSTaskDel(taskNum);
}
taskNum=flashReadWord(AREA_NUM_ADDR);//從Flash中讀取屏幕窗口個數(shù)
if(taskNum>0)//根據(jù)窗口數(shù)建立窗口顯示任務
OSTaskCreate(task0,(void*)0,&task0Stk[TaskStkLength-1],3);
if(taskNum>1)
OSTaskCreate(task1,(void*)0,&task1Stk[TaskStkLength-1],4);
……
while(1){
if(reset) goto RESET;//reset標志為1，程序復位
OSTimeDlyHMSM(0,0,1,0);
}
}

窗口顯示任務用于實現(xiàn)屏幕各窗口的顯示。它可根據(jù)各窗口顯示方式的不同在其相應area區(qū)域中進行下一幀數(shù)據(jù)的運算。在完成1幀數(shù)據(jù)顯示后，調(diào)用OSTime?DlyHMSM()使當前任務進入等待狀態(tài)并進行一次任務調(diào)度，將系統(tǒng)控制權交給其他處于就緒狀態(tài)的顯示任務，由此完成和窗口顯示任務之間的切換。也可以通過調(diào)整OSTimeDlyHMSM()的參數(shù)來改變各窗口2幀顯示信息之間的時間間隔，從而可調(diào)整各窗口特技顯示的效果，如移動顯示的移動速度。下面是其中一個窗口顯示任務的程序演示：

void Task0(void*pdata){
pdata=pdata;
窗口參數(shù)初始化;
while(1){
uint16 i;
for(i=0;i<總幀數(shù);i++){
下一幀數(shù)據(jù)的運算; //在area區(qū)域中進行
areaToScreen();//將數(shù)據(jù)從area讀出寫入screen
screenToCpld();//將screen中相應數(shù)據(jù)寫入顯存，完成1幀數(shù)據(jù)的顯示
OSTimeDlyHMSM(0,0,0,displaySpeed*20);//任務調(diào)度
}
}
}

4　結(jié)論

本設計充分利用了Nios II 32位處理器的高性能和μC/OSII實時操作系統(tǒng)高效的任務調(diào)度算法，實現(xiàn)了單屏幕多窗口顯示，顯示屏控制變得更加靈活。整個控制系統(tǒng)在1片F(xiàn)PGA芯片上完成，有效降低了系統(tǒng)的成本。