基于Nios II 的多功能數碼相框的設計與實(shí)現

數碼相框作為一種數碼消費品和裝飾品的結合物，在市場(chǎng)上受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前的數碼相框方案多采用MCU為核心的架構，相框功能固定，不便于產(chǎn)品升級。針對以上問(wèn)題，本文設計了基于Nios II的多功能數碼相框，該相冊主要包含以下功能：支持包括BMP、JPEG在內的多種常見(jiàn)文件格式的圖像顯示；圖像旋轉、縮放、瀏覽切換等特效；支持圖片瀏覽時(shí)背景音樂(lè )播放；可通過(guò)帶FAT文件系統的SD卡進(jìn)行圖像數據更新，同時(shí)還具有時(shí)間顯示等擴展功能。系統中將需要耗費大量時(shí)間的復雜操作(如圖像解碼、圖像的各種特效功能以及SD卡控制)用掛載在A(yíng)valon總線(xiàn)上的自定義模塊實(shí)現?？s短了處理時(shí)間，提高了系統響應速度。系統采用基于Nios II處理器的SoPC技術(shù)，使得該數碼相框具有靈活性高、可重配置、便于升級等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 總體設計

本系統采用經(jīng)濟型的Cyclone II FPGA芯片作為核心，基于Nios II軟核處理器，采用軟硬件結合的方式設計實(shí)現。系統的硬件總體框圖如圖1所示。

SD卡作為文件存儲介質(zhì)，用于存放音頻與圖像文件，編寫(xiě)SD卡控制器對SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)控制；采用LCM顯示屏作為數碼相框的顯示界面，SRAM作為L(cháng)CM的顯示緩存，存儲圖像數據供LCM刷新，并由LCM_SRAM IP核控制圖像的顯示；SDRAM為Nios II軟核程序運行空間；EPCS對FPGA進(jìn)行配置；Flash用來(lái)存儲軟件代碼和數據。

2 功能模塊設計

根據數碼相框所要實(shí)現的功能，設計了如下模塊：

2.1 LCM_SRAM IP核設計

該模塊主要功能是圖像數據存儲、LCM參數配置以及圖像的縮放、旋轉、切換效果控制等。以硬件方式實(shí)現圖像切換效果，提高實(shí)時(shí)性的同時(shí)降低對CPU的依賴(lài)。

2.1.1 切換特效實(shí)現

設計中通過(guò)控制LCM讀取SRAM的地址實(shí)現不同的圖像切換效果，如上方切入、下方切入、百葉窗、菱形等八種方式循環(huán)出現。切換時(shí)，LCM上同時(shí)存在新舊兩幅圖像的數據，因此，緩存中需要存儲這兩幅圖像的數據。以百葉窗效果為例，每行以16個(gè)像素作為間隔，將LCM的每一行分割成20個(gè)條形區域。如圖2所示，第i行被分割后，第一個(gè)區域的像素點(diǎn)為n1~n16，最后一個(gè)區域為m1~m16。每個(gè)條形區域中，新圖像的數據逐漸向右覆蓋舊圖像數據，從而形成百葉窗效果。具體實(shí)現過(guò)程為：在第一次刷新時(shí)，每行的各個(gè)條形區域的第一個(gè)像素點(diǎn)(n1，…，m1)讀取新圖像的數據，各區域其他像素點(diǎn)(n2~n16，…，m2~m16)仍然讀取舊圖像的數據；第二次刷新時(shí)，每行各個(gè)條形區域的前兩個(gè)像素點(diǎn)(n1、n2，…，m1、m2)讀取新圖像數據，其他像素點(diǎn)(n3~n16，…，m3~m16)仍讀取舊圖像的數據。屏幕刷新16次則可實(shí)現百葉窗切換效果。圖2中每個(gè)圓點(diǎn)代表顯示屏的一個(gè)像素點(diǎn)。


2.1.2 縮放算法實(shí)現

為實(shí)現圖像縮放功能，該模塊實(shí)現了如圖3所示的雙線(xiàn)性插值縮放算法。該算法利用了需要處理的原始圖像像素點(diǎn)周?chē)?個(gè)像素點(diǎn)的相關(guān)性，通過(guò)雙線(xiàn)性算法計算實(shí)現圖像縮放[2]。設計中使用SRAM作為顯示緩存，無(wú)嚴格的實(shí)時(shí)性要求，因此忽略了行場(chǎng)同步信號，簡(jiǎn)化了模塊設計。

緩存1模塊是待縮放圖像數據的緩存，存放來(lái)自SRAM中解碼后的RGB565數據。插值系數生成模塊的使能信號來(lái)自旋轉模塊或者按鍵輸入，由選擇器進(jìn)行判斷，按鍵按下時(shí)，按照設定的行列縮放因子計算行列插值系數；若使能信號來(lái)自旋轉模塊，則根據原始圖像的分辨率計算出旋轉過(guò)后的分辨率，并按照屏幕尺寸確定完整顯示該圖像能達到的最大分辨率，以此計算行列縮放因子。獲取相鄰像素模塊用來(lái)控制緩存1模塊的讀地址，從SRAM中讀取相鄰4個(gè)像素值。插值運算單元根據相鄰4個(gè)像素的值及插值系數進(jìn)行雙線(xiàn)性插值運算，并將數據輸出至緩存2，緩存2在SRAM空閑時(shí)將數據寫(xiě)入SRAM中。

2.2 SD Card Controller IP核設計

SD卡是一種基于半導體快閃記憶器的存儲設備，其數據傳送和物理規范由MMC發(fā)展而來(lái)。系統中將SD卡控制器設計成一個(gè)SPI模式的IP核，通過(guò)軟件驅動(dòng)實(shí)現SD卡的基本讀寫(xiě)操作，即不需要復雜的硬件電路又能得到比軟件模擬SPI的控制方式更快的讀寫(xiě)速度。SD卡控制器結構圖如圖4所示。


2.2.1 功能模塊劃分

主控模塊的端口與Avalon總線(xiàn)連接，用于緩存SD卡命令，并存儲扇區地址、待發(fā)送的數據到雙口RAM以及從中讀取數據等。初始化模塊完成對SD卡的初始化操作。命令生成模塊完成SD卡命令、參數、命令校驗值的發(fā)送和命令回執的讀取以及數據的收發(fā)。串并、并串轉換模塊的主要作用是實(shí)現串并或者并串轉換[3]。
使用Quartus II自帶的邏輯分析儀(SignalTap II工具)對SD卡控制管腳的信號量進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲，驗證了設計的正確性[4]。

2.2.2 驅動(dòng)設計

SD卡控制器的驅動(dòng)共設計了4個(gè)接口函數，分別完成初始化、讀扇區、寫(xiě)扇區和執行SD命令的功能。驅動(dòng)程序在初始化SD卡時(shí)得到卡類(lèi)型標志，之后驅動(dòng)程序根據卡類(lèi)型對地址參數進(jìn)行處理（若是SD1.1協(xié)議則地址左移9位，否則不變），以兼容SD1.1和SD2.0協(xié)議。讀數據函數核心代碼如下：

if(sd_type == 1) addr=addr 9; /*判斷地址偏移*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 517, CMD17); /*寫(xiě)命令*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 518, addr); /*寫(xiě)地址*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 519, 0); /*開(kāi)始運行*/
ret=IORD(SD_CARD_BASE, 519); /*讀命令回執*/
…
for(i=0; i512; i++)data[i]=IORD(SD_CARD_BASE, i);
/*讀回數據*/
…

2.3 JPEG DECODER IP核設計

JPEG(Joint Photographic Expert Group)是第一個(gè)適用于連續色調、多灰度、彩色或黑白靜止圖像的國際標準。為提高JPEG圖像的解碼效率，實(shí)現良好的解碼效果，本設計采用流水線(xiàn)結構設計JPEG解碼IP核。解碼模塊結構如圖5所示。

輸入緩沖模塊從傳輸碼流中接收圖像數據，冗余處理后將數據輸出給頭文件解析模塊；頭文件解析完畢后，將數據輸出給熵解碼模塊；熵解碼模塊完成整個(gè)圖像數據的熵解碼處理，包括哈夫曼解碼、行程解碼和差分解碼，最終得到量化參數；反量化和反Z掃描模塊對熵解碼后的圖像數據進(jìn)行反量化和排序；IDCT模塊采用經(jīng)典的行列分解方法將頻域表示的數據流轉換成時(shí)域表示的數據流，將數據恢復到傳輸前的形式。色彩空間轉換模塊完成數據的內插和色彩空間轉換[5]。

使用Modelsim對該IP核進(jìn)行了仿真驗證，輸入一幅320×240的JPEG圖像原始數據。將解碼出的數據與軟件解碼出的數據進(jìn)行比較，證明了JPEG解碼器解碼正確。

3 軟件設計

利用SD卡控制器驅動(dòng)的接口函數，在其讀寫(xiě)的基礎上應用FAT16文件系統，實(shí)現SD卡文件操作(如獲取目錄/文件信息、讀文件、刪除文件、創(chuàng )建文件、追加文件等)以便于與PC機及其他多媒體設備進(jìn)行數據交換。設計中使用實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統?滋C/OS-II，以降低系統軟件設計的復雜度和提高系統的穩定性[6]，并設計多個(gè)任務(wù)，實(shí)現SD卡初始化、文件讀取、數據流控制。

3.1 FAT16文件系統實(shí)現

3.1.1 讀文件

文件系統中文件數據的存放是以簇為單位的，而SD卡的基本讀寫(xiě)單位是扇區，所以需要根據簇號計算相應的扇區號，由文件系統結構可得一般的計算公式為：

起始扇區號=隱藏扇區數+保留扇區數+2×FAT表占用扇區數+FDT表占用扇區數+（起始簇號-2）×每簇扇區數
從SD卡的數據扇區中讀取指定文件的核心代碼為：

clunum = ffdt.fst_clu; /*獲取下一個(gè)簇號*/
do{
secnum = get_sta_sec(clunum); /*由起始簇號獲得
起始扇區*/
clunum = fat[clunum]; /*獲取下一個(gè)簇號*/
for(i=0; igbpb.sec_per_chus; i++) /*從SD卡中
讀取一簇數據*/
{ret = sd_read(rsv, secnum+(UINT32)i);
…
for(j=0; j512; j++)fdata[count++] = rsv[j];}
}while(clunum != 0xFFFF);

3.1.2 長(cháng)文件名支持

具有長(cháng)文件名的一個(gè)文件或目錄實(shí)際對應著(zhù)多個(gè)目錄登記項（FDT），由幾個(gè)長(cháng)文件名和一個(gè)別名組成。作為別名的短文件名以傳統的8.3文件名格式存儲在一個(gè)FDT中，其余的幾個(gè)長(cháng)文件名則存儲在屬性標志為0x0FH的FDT中。每個(gè)這種登記項中可以存儲13個(gè)字符，當讀取文件或目錄時(shí)，操作系統會(huì )將它們重組成可以包含小寫(xiě)字母的長(cháng)文件名[7]。實(shí)現思路為：獲取文件及目錄信息時(shí)，記錄屬性為0x0F的登記項中的內容直到出現屬性為0x01或0x02的登記項，然后從之前記錄的登記項內容中得出真正的文件或目錄名。支持長(cháng)文件名的FDT結構定義如下：

struct _longname_fdt_{
UINT8 name[2048]; /*文件名*/
UINT16 nlen; /*文件名的實(shí)際長(cháng)度*/
UINT8 attr; /*屬性*/
UINT8 rsvd_data[10]; /*保留數據*/
UINT16 wrt_time; /*最后更新時(shí)間*/
UINT16 wrt_date; /*最后更新日期*/
UINT16 fst_clu; /*第一簇*/
UINT32 file_size; /*文件大小*/};
typedef struct _fdt_ FDT;

3.2 μC/OS-II任務(wù)劃分

在Nios II IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中整合了?滋C/OS-II操作系統，集成該操作系統后，根據系統的功能和軟硬件功能模塊設計多個(gè)任務(wù)，各個(gè)任務(wù)間通過(guò)信號量、全局變量等方式進(jìn)行通信[8]。任務(wù)調度示意圖如圖6所示。

TaskStart任務(wù)：優(yōu)先級為0，初始化硬件設計和全局變量；創(chuàng )建其他任務(wù)，創(chuàng )建完成之后自我刪除，不參與任務(wù)調度。
TaskRdMusic：優(yōu)先級為2，從SD卡的音頻文件夾中讀取音頻數據，完成一次操作后，跳轉到TaskPlayMusic。
TaskPlayMusic：優(yōu)先級為3，將讀取的音頻數據送至音頻解碼芯片的緩沖區內，以播放音樂(lè )。與TaskRdMusic之間通過(guò)信號量1切換。
TaskRdPhoto：優(yōu)先級為1，從SD卡的圖像文件夾中讀取一個(gè)圖像文件數據。
TaskFileHead：優(yōu)先級為2，圖像數據讀取完成后，分析文件頭，以確定圖像文件格式，根據其格式將圖像數據送至對應解碼器。

TaskDisplay：優(yōu)先級為2，向LCM_SRAM IP核發(fā)出顯示命令，使SRAM中解碼后的圖像數據顯示到LCM上。
系統上電后，首先對各個(gè)硬件模塊及軟件中的數據結構進(jìn)行初始化。如果初始化失?。ㄈ鏢D卡沒(méi)插入、不帶有FAT16文件系統等），系統將再次進(jìn)行初始化嘗試；如果初始化成功，則系統按照圖7進(jìn)行任務(wù)調度。
系統的軟硬件設計好以后，將硬件配置文件下載到FPGA，再運行軟件程序可查看實(shí)際顯示效果。

圖7中，上方是分辨率為800×400的JPEG源圖像；圖7(a)為L(cháng)CM上顯示的效果圖，該圖經(jīng)過(guò)縮小以適應屏幕的分辨率，此時(shí)的分辨率為320×160，居中顯示，背景為黑色；圖7(b)為按照屏幕尺寸縮放效果，此時(shí)分辨率為320×240；圖7(c)為順時(shí)針90°旋轉后的顯示效果，此時(shí)圖像分辨率為120×240。

該多功能數碼相框系統以Nios II軟核處理器為核心，其優(yōu)點(diǎn)是有很高的靈活性、硬件可裁剪、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短、便于升級。在SD卡上使用FAT16文件系統，便于對音頻、圖像文件進(jìn)行分類(lèi)管理，并使多功能數碼相框與PC機、數碼相機等設備進(jìn)行數據交換時(shí)更加方便。利用Nios II軟核特性移植?滋C/OS-II操作系統，完成了各個(gè)功能模塊的任務(wù)調度，提高了系統穩定性，簡(jiǎn)化了系統軟件的設計。該數碼相框不僅可以用于產(chǎn)品原型開(kāi)發(fā)、直接銷(xiāo)售，而且還可以進(jìn)行定制，滿(mǎn)足定制個(gè)性化禮品的市場(chǎng)需求，為多功能數碼相框開(kāi)辟更加廣闊的市場(chǎng)。