LED大屏幕異步控制器多窗口顯示的實(shí)現(xiàn)

1 引言：

以往的LED異步控制器只能把一個(gè)屏幕作為一個(gè)完整的區(qū)域來(lái)進(jìn)行顯示，或者簡(jiǎn)單的加上時(shí)間區(qū)域或游走字幕區(qū)域，這樣對(duì)于用戶來(lái)講往往缺乏足夠的靈活性，尤其在屏幕較大的時(shí)候。針對(duì)以上情況，本文提出了一款基于32位高性能ARM處理器和uc/OS-II的設(shè)計(jì)方案。它充分利用了uc/OS-II高效的多任務(wù)管理功能和ARM處理器強(qiáng)大的運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了單屏幕多窗口的任意位置顯示，使得顯示內(nèi)容變得更加豐富，顯示方式變得更加靈活。

2 ＬＥＤ控制系統(tǒng)的工作原理：

典型的LED異步控制系統(tǒng)主要由PC應(yīng)用軟件、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、掃描控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和LED屏幾部分組成，如圖１所示。

首先，PC應(yīng)用軟件將文本或圖片轉(zhuǎn)化為具有特定格式的點(diǎn)陣信息。然后，通過(guò)通信模塊將此點(diǎn)陣信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)這些點(diǎn)陣信息進(jìn)行各種特技處理，最后通過(guò)掃描控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊將畫(huà)面在LED屏上進(jìn)行正確顯示。本文所指的LED異步控制器包括通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和掃描控制模塊三部分。

3 控制器軟件部分的設(shè)計(jì)：

本控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖２所示。數(shù)據(jù)處理模塊由MCU，一片SRAM和一片F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器組成。MCU選用PHILIPS的基于32位ARM內(nèi)核的LPC2214處理器，它有著豐富的外圍接口資源和強(qiáng)大的運(yùn)算能力，是整個(gè)控制器的核心。SRAM作為MCU進(jìn)行特技處理時(shí)的緩存使用。FLASH存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)點(diǎn)陣信息和一些必要的參數(shù)。

掃描控制模塊由CPLD和顯存組成。顯存為一片SRAM，它用于保存當(dāng)前顯示的一幀點(diǎn)陣信息。CPLD通過(guò)地址總線和16位數(shù)據(jù)總線與MCU相連， 它把從MCU接收到的16位數(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出點(diǎn)陣信息進(jìn)行掃描。MCU只能通過(guò)CPLD對(duì)顯存進(jìn)行以字（2byte）為單位的寫(xiě)操作。

通信模塊包括以太網(wǎng)模塊和串口通信模塊，用于實(shí)現(xiàn)PC與控制器之間的RS232、RS485以及工業(yè)以太網(wǎng)通信。

4 控制器軟件部分的設(shè)計(jì)：

為了實(shí)現(xiàn)單屏幕、多窗口任意位置的顯示，軟件部分我們基于uc/OS-II進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以充分利用操作系統(tǒng)高效的任務(wù)調(diào)度算法，將每個(gè)窗口的顯示都交由單個(gè)任務(wù)來(lái)完成，從而極大地提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度和可靠性，并且使得程序的開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展變得更加方便。

在進(jìn)行具體的程序設(shè)計(jì)之前，首先要確定數(shù)據(jù)的組織方案。因?yàn)楹玫臄?shù)據(jù)組織方案，對(duì)于程序編寫(xiě)來(lái)說(shuō)往往可以達(dá)到事半功倍的效果。

4.1 顯存的數(shù)據(jù)組織方案：

對(duì)于雙色屏，一個(gè)像素點(diǎn)需要紅、綠兩位數(shù)據(jù)來(lái)描述。為了便于處理，我們將橫向連續(xù)的8個(gè)像素點(diǎn)組成一個(gè)字（2byte）來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)，其中一個(gè)字節(jié)為紅數(shù)據(jù)，一個(gè)字節(jié)為綠數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)順序?yàn)閺淖蟮接遥瑥纳系较?。如圖3所示，假如屏幕寬度為160個(gè)像素點(diǎn)，顯存起始地址為0x83000000，則屏幕第一行的前8個(gè)像素點(diǎn)映射到顯存中地址為0x83000000和0x83000001的兩個(gè)字節(jié)，第二行的前8個(gè)像素點(diǎn)映射到顯存中地址為0x83000028和0x83000029的兩個(gè)字節(jié)，依此類(lèi)推。

4.2 點(diǎn)陣信息轉(zhuǎn)化規(guī)則：

由于窗口大小可以任意設(shè)置，窗口的位置可以任意擺放。所以對(duì)于單個(gè)窗口而言，它在顯存中的映射可能并非是字（2byte）對(duì)齊的。以圖4為例，在一個(gè)大小為160（寬）96（高）的屏幕上開(kāi)設(shè)一個(gè)左上角坐標(biāo)為（20,16），大小為8647的窗口，則此窗口第一行的前4個(gè)像素點(diǎn)在顯存中的映射為地址是0x83000282和0x83000283的兩個(gè)字節(jié)的低4位，所以這個(gè)窗口在顯存中的映射并不是字對(duì)齊的。由于MCU只能以字（2byte）為單位對(duì)顯存進(jìn)行操作，所以PC軟件在對(duì)該窗口進(jìn)行點(diǎn)陣信息轉(zhuǎn)換時(shí)，如果直接對(duì)區(qū)域１（窗口的實(shí)際大?。┻M(jìn)行轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)，則在對(duì)該窗口進(jìn)行特技處理時(shí)會(huì)存在大量的位運(yùn)算，這樣會(huì)大大降低運(yùn)算效率，從而影響特技效果的顯示，這樣就很難滿足用戶對(duì)特技顯示效果的要求。

為了解決上述問(wèn)題，可以將區(qū)域1橫向擴(kuò)展成起點(diǎn)坐標(biāo)為（16,16），大小為9647的區(qū)域2。易知，區(qū)域2在顯存中的映射是字對(duì)齊的。為了避免運(yùn)算時(shí)的位操作，PC軟件在對(duì)區(qū)域1進(jìn)行點(diǎn)陣信息轉(zhuǎn)換時(shí)，可按區(qū)域2來(lái)進(jìn)行，只是需將區(qū)域1的擴(kuò)展部分的數(shù)據(jù)全填為1。這樣處理會(huì)犧牲掉一小部分FLASH存儲(chǔ)器空間，但卻可避免特技處理時(shí)大量的位運(yùn)算，從而大大提高運(yùn)算效率，因此這樣做是值得的。

4.3 緩存數(shù)據(jù)的組織方案：

由于MCU只能對(duì)顯存進(jìn)行寫(xiě)操作，而在進(jìn)行特技運(yùn)算時(shí)，往往需要前一幀信息才能得到下一幀的信息。所以，首先，需要在緩存中劃分出一塊和顯存大小相等，地址一一對(duì)應(yīng)的區(qū)域screen用于保存整屏幕的前一幀信息。

又由于MCU對(duì)顯存只能進(jìn)行字操作，并且多個(gè)窗口之間可能會(huì)出現(xiàn)區(qū)域重疊，所以如果各窗口的特技運(yùn)算都直接在screen區(qū)域上進(jìn)行，則窗口重疊部分信息可能會(huì)發(fā)生混亂。因此如圖5所示，也需要在緩存中為每個(gè)窗口劃分出一塊存儲(chǔ)器空間（area 1, area 2, …, area n），用于保存本窗口顯示的前一幀信息。這樣在特技運(yùn)算時(shí)，首先要在area區(qū)域中對(duì)各窗口數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得到各窗口的下一幀信息，然后將area區(qū)域中數(shù)據(jù)寫(xiě)入該窗口在screen區(qū)域中的相應(yīng)地址以保存整屏幕最新一幀信息，最后把screen中相應(yīng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入顯存從而完成顯示。

4.4 軟件設(shè)計(jì)：

基于上述方案，MCU程序的設(shè)計(jì)變得非常簡(jiǎn)潔。程序結(jié)構(gòu)如圖6所示，控制器上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后從FLASH中讀取屏參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)初始化。接著建立任務(wù)TaskControl，TaskControl擁有比各窗口顯示任務(wù)都要高的優(yōu)先級(jí)，它主要用于對(duì)各窗口顯示任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。每隔一段時(shí)間TaskControl就要對(duì)reset標(biāo)志進(jìn)行一次查詢，如果reset=1，它會(huì)刪除原先建立的各窗口顯示任務(wù)，然后從FLASH中讀取新的窗口個(gè)數(shù)，依此建立新任務(wù)，將每個(gè)窗口的顯示交由單個(gè)窗口顯示任務(wù)來(lái)控制。

下面是任務(wù)TaskControl的程序演示：

void TaskControl(void *pdata){

uint8 taskNum;

pdata=pdata;

RESET:

reset=0; //reset標(biāo)志清零

for(taskNum=3;taskNum18;taskNum++){ //刪除原先建立的窗口顯示任務(wù)

OSTaskDel(taskNum); //窗口顯示任務(wù)優(yōu)先級(jí)從3開(kāi)始

} //最多允許設(shè)置16個(gè)窗口

taskNum=flashReadWord(AREA_NUM_ADDR); //從FLASH中讀取屏幕窗口個(gè)數(shù)

if(taskNum>0) //根據(jù)窗口數(shù)建立窗口顯示任務(wù)

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(biāo)志為1，程序復(fù)位

OSTimeDlyHMSM(0,0,1,0);

}

}

窗口顯示任務(wù)用于實(shí)現(xiàn)各窗口內(nèi)容的顯示。它根據(jù)各窗口顯示方式的不同在其相應(yīng)area區(qū)域中進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)的運(yùn)算，然后調(diào)用areaToScreen()和screenToCpld()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)同時(shí)進(jìn)行一次任務(wù)調(diào)度，將系統(tǒng)控制權(quán)交給處于就緒狀態(tài)的窗口顯示任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)，由此完成窗口顯示任務(wù)之間的切換。我們也可以通過(guò)調(diào)整OSTimeDlyHMSM()的參數(shù)來(lái)改變各窗口相臨兩幀顯示信息之間的時(shí)間間隔，從而可調(diào)整各窗口特技顯示的效果，比如移動(dòng)顯示的移動(dòng)速度。下面是其中一個(gè)窗口顯示任務(wù)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(yùn)算; //在area區(qū)域中進(jìn)行

areaToScreen(); //將數(shù)據(jù)從area讀出寫(xiě)入screen

screenToCpld(); //將screen中相應(yīng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入顯存完成一幀數(shù)據(jù)的顯示

OSTimeDlyHMSM(0,0,0,displaySpeed*20); //任務(wù)調(diào)度

}

}

}

5 結(jié)束語(yǔ)：

充分利用32位微處理器的高性能和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)高效的任務(wù)調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)了單屏幕多窗口的任意位置顯示。使得屏幕顯示變得更加豐富靈活，也使得很多以往只能使用同步控制器或者多個(gè)異步控制器的場(chǎng)合可用單塊異步控制器來(lái)替代，從而降低了系統(tǒng)的成本。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了LED大屏幕單屏幕多個(gè)窗口任意位置的顯示，并且可實(shí)現(xiàn)多窗口重疊顯示及“畫(huà)中畫(huà)”等顯示效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊姣，郝國(guó)法，方康玲．基于cyclone EP1C6的LED大屏設(shè)計(jì)方案[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2006，4-2：59-62。

[2] 郝國(guó)法，楊姣．LED大屏幕控制電路設(shè)計(jì)方案研究[J]．電視技術(shù)，2005，11：94-96。

[3] Jean. Labrosse著，邵貝貝等譯．嵌入式操作系統(tǒng)uc/OS-II（第二版．北京航空航天大學(xué)出版社，2005年。