基于NiosII32位處理器的LED大屏幕顯示系統設計

　引言

　　目前，LED大屏幕顯示系統按數據傳輸方式分為兩類(lèi)：一是同步實(shí)時(shí)顯示，即計算機顯示系統的內容同時(shí)在LED視頻顯示屏上顯示；二是異步通信更新數據顯示，計算機通過(guò)USB、通用串行接口、以太網(wǎng)等通信方式將數據傳送給獨立視頻源顯示屏。通常，異步通信控制方式只能將屏幕作為一個(gè)完整的區域顯示，對于較大屏幕的顯示系統，有時(shí)需要將整屏分為若干個(gè)窗口分別顯示不同的內容，且內容的更新只是某一個(gè)或幾個(gè)窗口。針對這種情況，本文提出了一種基于NiosII32位處理器的設計方案，能有效地實(shí)現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　系統總體設計

　　1.1　系統硬件結構

　　LED顯示系統主要由計算機系統、數據通信傳輸模塊、數據處理模塊、掃描控制模塊、顯示驅動(dòng)模塊和LED屏構成，如圖1所示。計算機系統將要顯示的點(diǎn)陣信息通過(guò)RS485串行接口送往存儲設備，數據處理模塊讀取存儲設備的數據并進(jìn)行各種特技顯示處理，將處理好的數據送往掃描控制模塊，顯示驅動(dòng)模塊接收到掃描控制模塊的數據后送往LED屏上顯示。數據通信傳輸模塊、數據處理模塊、掃描控制模塊3部分均在FPGA上實(shí)現，即構成LED異步控制器。

　　1.2　系統軟件方案

　　軟件基于NiosIIIDE開(kāi)發(fā)完成，應用程序基于μC/OS2II實(shí)時(shí)操作系統實(shí)現。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)間采用信號量的方式進(jìn)行通信。任務(wù)1將上位機傳送到CF卡存儲設備的數據寫(xiě)入內存中；任務(wù)2從內存中讀取數據并進(jìn)行分析處理，把分析處理完的數據送往掃描控制模塊。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進(jìn)行數據管理。

　　2　控制系統硬件部分設計

　　數據處理模塊由NiosII軟核CPU、1片SDRAM和1片Flash存儲器組成。NiosII軟核CPU是整個(gè)控制器的核心，負責數據的處理；SDRAM作為CPU處理數據時(shí)的緩存使用；Flash存儲器用于存儲點(diǎn)陣信息數據和LED屏顯示控制參數。

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

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

　　3　控制系統軟件部分設計

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

　　3.1　數據結構

　　數據在存儲器中的存儲形式直接影響數據的存取速度和控制的復雜度。本系統對顯存中的數據和緩存中的數據均重新組織，降低了數據處理和掃描控制的復雜度。

　　3.1.1　顯存數據的組織

　　LED顯示屏的每個(gè)像素點(diǎn)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位數據對像素點(diǎn)灰度級進(jìn)行編碼），故每個(gè)像素點(diǎn)需要占用3字節的存儲空間。顯示時(shí)，每個(gè)像素的紅管、綠管、藍管是同時(shí)點(diǎn)亮的，也就是說(shuō)，3種顏色的數據是并行上屏的。

　　可將紅、綠、藍3種顏色對應的數據分開(kāi)存儲，以方便操作。數據存儲方式如圖3所示。同一種顏色的數據集中存放在某個(gè)區域中，區域的首地址作為該顏色的基址。在進(jìn)行數據存放時(shí)，每個(gè)像素點(diǎn)只需給出相對變化地址（變址），加上不同顏色的基址就可以在3個(gè)區域中找到對應點(diǎn)的視頻數據。

　　LED顯示屏灰度的實(shí)現方法是分權重掃描的。這樣就需要對顏色數據進(jìn)行位分離，然后同權重的位重新組合。為了方便操作，存儲時(shí)把圖3所示的每個(gè)區再分為8個(gè)權重區，所有同權重的數值集中放于對應的權重區中。

　　所謂位分離，就是把數據的高低位按權重分開(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，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　緩存數據的組織

　　若要進(jìn)行特技效果顯示，則當前顯示的數據幀和下一個(gè)數據幀存在著(zhù)某種變換關(guān)系。由于CPU只能對顯存進(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、地址一一對應的區域screen，用于存儲當前顯示的數據幀信息。如果各窗口之間存在重疊現象，且特技數據處理運算直接在screen區域進(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），用于存儲本窗口顯示的前一幀數據信息。在特技數據處理運算時(shí)，先在part區域處理各窗口的數據信息，將轉換完的數據送往各窗口在screen區域中所對應地址的存取空間，最后將screen中的數據寫(xiě)入地址對應的顯存。

　　3.2　讀取CF卡軟件設計

　　任務(wù)1負責將CF卡上的數據讀取到SDRAM中，供其他任務(wù)使用。在程序中使用了1個(gè)指針（3pwmdata），為數據文件在SDRAM中分配空間。在文件系統初始化時(shí)，首先調用CF卡初始化函數IDE_initialize（）判斷CF卡是否存在。若存在，則讀取文件系統的基本信息。通過(guò)調用函數FS_SearchFile（char3FName，FS_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）為數據文件在SDRAM中分配一個(gè)緩沖區。讀取時(shí)，每次讀取一個(gè)扇區，直到將數據全部讀取到SDRAM中。

　　部分程序源碼如下：

　　3.3　軟件總體設計

　　基于以上數據結構，軟件設計的流程如圖5所示。系統首先進(jìn)行初始化操作，然后從Flash中讀取顯示屏參數，進(jìn)行參數初始化。接著(zhù)建立任務(wù)TaskControl（），其優(yōu)先級比各窗口顯示任務(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)根據各窗口顯示方式的不同，在其對應的part存儲區域進(jìn)行下一幀數據的處理運算，然后調用窗口顯示子任務(wù)進(jìn)行顯示。在完成一幀數據的顯示后，調用一次OSTimeDlyHMSM（）使當前任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，下一個(gè)優(yōu)先級最高并進(jìn)入了就緒態(tài)的任務(wù)，立刻被賦予了CPU的控制權，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，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 結語(yǔ)

　　本設計充分利用了NiosII32位處理器的高性能和μC/OS2II實(shí)時(shí)操作系統高效的任務(wù)調度算法，實(shí)現了單屏幕多窗口顯示，且顯示屏控制變得更加靈活。整個(gè)控制系統在1片FPGA芯片上完成，有效地降低了系統的成本。