FPGA和嵌入式處理器實(shí)現低成本智能顯示模塊

引言

　　LCD正在迅速成為汽車(chē)內的標準部件。隨著(zhù)LCD技術(shù)的發(fā)展，迫切需要采用更好的顯示圖形內容控制和產(chǎn)生方法。傳統上，低成本汽車(chē)信息娛樂(lè )應用采用基于字符的LCD和真空熒光(VF)顯示屏，而低成本彩色薄膜晶體管(TFT)技術(shù)很快成為最突出的選擇方案，但在現有的低成本應用體系結構中采用彩色TFT有很大的難度。大部分低成本平臺沒(méi)有足夠的處理帶寬，特別是缺少帶有LCD控制器的處理器來(lái)控制并驅動(dòng)彩色TFT LCD。此外，大部分現有的體系結構并沒(méi)有足夠的動(dòng)態(tài)和非易失存儲器來(lái)存儲LCD需要的圖形內容。更復雜的設計問(wèn)題是產(chǎn)生并管理圖形內容或者圖形用戶(hù)界面(GUI)時(shí)低效的設計過(guò)程，而現在可以通過(guò)彩色TFT LCD來(lái)解決這些問(wèn)題。一般而言，如果沒(méi)有合適的設計資源，很難在硬件上實(shí)現LED背光驅動(dòng)器、觸摸面板控制以及TFT控制所需要的大量I/O，現在這些難題有了解決方法，即，名為T(mén)homas II電路板(圖1)的模塊化擴展平臺，它含有低成本Altera Cyclone III FPGA和Nios  II嵌入式處理器。使用這一平臺，汽車(chē)電子設計人員很容易在現有系統體系結構中加入彩色TFT，開(kāi)發(fā)低成本智能顯示模塊。

圖1  Thomas II演示平臺

模塊化擴展概念的內涵

　　模塊化擴展設計概念基于Thomas II電路板，它是由Momiji Design LLC和Altera公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的。設計圍繞低成本Cyclone III FPGA (EP3C10或者EP3C5)展開(kāi)，這一器件采用了引腳數量較少的E144 QFP封裝，在4層PCB上就能夠輕松完成布板。在實(shí)際應用中，Thomas II設計(圖2所示)可以用作單獨的模塊，具有完整的電源供電和支持外設，也可以集成到現有設計結構中。

圖2  Thomas II設計結構圖

　　Nios II嵌入式處理器是體系結構的核心，同時(shí)用于系統控制和圖形生成。采用嵌入式處理器后，系統可以單獨工作，也可以作為現有微控制器單元(MCU)的協(xié)處理器，因此，Thomas II設計可以實(shí)現低成本信息娛樂(lè )設計的模塊化擴展功能。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的UART，FPGA成為系統的圖形顯示控制器。它管理并控制所有的圖形內容產(chǎn)生和處理任務(wù)，從而把這些任務(wù)從主機MCU中分擔出來(lái)。任何串行或者并行通信接口，甚至是定制或者專(zhuān)用標準都很容易替代FPGA設計中的UART模塊。例如，通常用于實(shí)現VF或者字符LCD的通信協(xié)議都可以重新用于控制基于Thomas II概念的TFT。最吸引人的特性是主機體系結構和系統設計能夠基本保持不變，如圖3所示。

圖3  設計重用

一次硬件設計實(shí)現多款產(chǎn)品

　　不改動(dòng)或者盡量少改動(dòng)系統意味著(zhù)同時(shí)節省了硬件和軟件資源。借助Thomas II概念，設計人員可以針對多款產(chǎn)品使用相同的核心硬件。根據產(chǎn)品需求來(lái)更新或者改變GUI，而不需要修改或者更新核心系統軟件。而且，還可以根據應用需求來(lái)調整LCD分辨率和底層圖形FPGA中的LCD控制器設計很容易適應各種標準和定制LCD分辨率(請參考圖4)。它還能夠滿(mǎn)足雙視角、多視角和其他非標準LCD格式。FPGA中實(shí)現LCD控制器的內在優(yōu)勢是它可以定制或者適應LCD需要的數據和時(shí)序格式。

圖4  應用在WQVGA和QVGA LCD上的Thomas II電路板
注釋?zhuān)簣D像版權Disney/Pixar，得到其許可。

　　LCD控制器模塊是多層LCD控制器，含有兩個(gè)16位彩色圖像層和一個(gè)alpha層。每一層由單獨的DMA主機生成并進(jìn)行控制。這樣，可以有效地劃分基于外部DRAM的幀緩沖。實(shí)質(zhì)上，每個(gè)DMA主機在需要數據時(shí)讀取幀緩沖。這使得LCD控制器模塊能夠讀取外部存儲器中存儲的任意幀分辨率或者圖像尺寸。每一層主機讀取存儲器后，LCD控制器模塊把層組合(或者平滑)成一個(gè)組合幀，然后將其輸出至LCD。LCD控制器模塊組合了層之后，每一層都可以選擇組合alpha層或者“透明層”。Alpha層支持實(shí)現透明的覆蓋層，或者表面與下面層內容相混合。此外，每一層都可以完全打開(kāi)或者關(guān)斷，根據需要來(lái)激活或者去激活每一層。這一概念的一個(gè)例子是視頻采集層上菜單所采用的覆蓋圖。

觸摸面板控制器簡(jiǎn)化了和用戶(hù)的交互

　　為實(shí)現和用戶(hù)的交互，Thomas II設計還在FPGA中采用了觸摸面板控制器。設計支持四線(xiàn)阻性觸摸面板控制器，它可以控制任何標準四線(xiàn)觸摸面板。Nios II嵌入式處理器采集來(lái)自觸摸面板的用戶(hù)事件數據并進(jìn)行管理，根據GUI和系統總設計，相應地提取或者執行命令。為方便并加速GUI的產(chǎn)生，嵌入式處理器很容易集成到Altia的圖形開(kāi)發(fā)工具鏈中。利用Altia的圖形開(kāi)發(fā)工具，藝術(shù)家、交互式設計人員、工程師和編程人員可以迅速構建概念原型、模型和可實(shí)施代碼，不存在誤解圖形總設計或者圖形交互的風(fēng)險。從概念到代碼，這些工具大大縮短了總開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)保持了圖形設計的藝術(shù)完整性。Altia還提供Adobe Photoshop插件，名為PhotoProto，設計人員利用它很容易將視頻分量導出到Altia設計中，如圖5所示。在A(yíng)ltia設計中，開(kāi)發(fā)人員可以在圖形設計中增加功能和行為。通過(guò)名為深屏(Deep Screen)的工具，在A(yíng)ltia設計中開(kāi)發(fā)的原型或者概念生成Nios II嵌入式處理器連接庫圖形或者行為邏輯需要的所有一切。然后，Nios II處理器運行Altia模型，管理用戶(hù)和模型之間的實(shí)際交互。

圖5  Altia設計、PhotoProto和深屏工具

視頻采集和圖像處理

　　基于FPGA的設計中實(shí)現的另一功能是視頻采集，如圖2所示。視頻輸入模塊符合ITU-R BT.656數字視頻標準，完成以下操作：彩色空間轉換(CSC)、剪輯、去隔行、縮放和RGB 565包封。在Nios II嵌入式處理器的控制下，每一操作順序完成，并由寄存器對參數進(jìn)行賦值。根據需要的輸出格式，還可以選擇對視頻輸入進(jìn)行剪輯和調整(放大或者縮小)。采用寄存器后，可以針對各種顯示分辨率和輸入視頻格式(例如，NTSC、PAL和SECAM等)對系統進(jìn)行定制。來(lái)自模塊的視頻數據通過(guò)32位DMA傳送至外部SDRAM幀緩沖。象素數據被封裝成565格式，使兩個(gè)象素能夠通過(guò)DMA以一個(gè)字的形式進(jìn)行傳送。這顯著(zhù)提高了視頻帶寬，以及存儲器訪(fǎng)問(wèn)效率。Thomas II設計使用Altera Quartus II設計軟件支持的標準SDRAM存儲控制器。SDRAM提供足夠的視頻帶寬和存儲器總帶寬，是DDR的低成本替代方案(對于所需要的密度)。而且，采用SDRAM還減小了電路板布板的復雜度，從而降低了系統總成本。在功能上，DRAM為視頻和圖像幀緩沖提供共享存儲空間，還為Nios II嵌入式處理器提供程序存儲器。Avalon系統互聯(lián)架構連接SDRAM控制器和Nios II處理器以及其他系統模塊，為存儲器訪(fǎng)問(wèn)和存儲器管理提供仲裁。Cyclone III FPGA最引人注目的一個(gè)特性是未來(lái)可以移植到其他存儲器拓撲和技術(shù)中。如果需要，很容易對設計進(jìn)行修改，采用DDR或者DDR2存儲控制器，或者擴展SDRAM接口，以適應32位SDRAM器件。FPGA靈活的I/O環(huán)以及SOPC Builder工具中各種存儲控制器支持這一切的實(shí)現。Thomas II設計還支持視頻和圖像處理。緩沖后的源視頻存儲在SDRAM中，圖像處理算法由Nios II處理器來(lái)完成。而Cyclone III FPGA的靈活性則體現在可以把算法作為軟件、硬件，或者以軟硬件混合的形式來(lái)執行，這也是該器件的優(yōu)勢所在?？梢圆捎肁ltera的Nios II C語(yǔ)言至硬件(C2H)加速編譯器來(lái)分析軟件算法，將函數轉換成硬件加速定制指令。然后，Nios II處理器執行定制指令，不需要反復迭代處理周期。設計人員可以充分發(fā)揮Cyclone III FPGA架構并行處理特性的優(yōu)勢，構建定制指令。內置數字信號處理(DSP)功能可用于完成各種圖像處理算法，例如，魚(yú)眼校正等。

結論

　　通過(guò)在低成本系統體系結構中采用彩色TFT，汽車(chē)電子設計人員能夠為市場(chǎng)帶來(lái)一系列在視覺(jué)和功能上都非常引人注目的實(shí)際應用。采用模塊化擴展方法開(kāi)發(fā)的Thomas II電路板基于引腳數較少的低成本FPGA，為這些應用的實(shí)現提供了平臺。相應的設計軟件和工具不但加速了開(kāi)發(fā)過(guò)程，而且還保持了GUI設計的完整性。此外，一片FPGA集成了各種功能，不需要改變主機體系結構和系統設計。如果需要，可編程技術(shù)還可以將設計靈活地移植到密度更大的FPGA中。

參考文獻：

(1)Thomas II電路板設計軟件和工具www.momijidesign.com/thomas.html
(2)Nios II C語(yǔ)言至硬件加速編譯器ww.altera.com/products/ip/processors/nios2/tools/c2h/ni2-c2h.html
(3)實(shí)現靈活的汽車(chē)CPLD數字儀表ww.altera.com/literature/wp/wp-01072-implementing-flexible-cpld-only-digital-dashboard-automobiles.pdf
(4)靈活的體系結構實(shí)現汽車(chē)后視攝像頭魚(yú)眼校正功能：www.altera.com/literature/wp/wp-01073-flexible-architecture-fisheye-correction-automotive-rear-view-cameras.pdf
(5)在基于FPGA的解決方案中實(shí)現圖形功能：www.altera.com/literature/wp/wp-01075-applying-graphics-to-fpga-based-solutions.pdf
(6)使用LED作為亮度級傳感器和發(fā)射器：www.altera.com/literature/wp/wp-01076-leds-as-light-level-sensors-and-emitters.pdf
(7)Altia圖形開(kāi)發(fā)工具鏈：www.altia.com/products.php
(8)Altia設計：www.altia.com/products_design.php
(9)Altia PhotoProto：www.altia.com/products_photoproto.php
(10)Altia深屏：www.altia.com/products_ds.php