基于μC／OS-II及Nios II的多窗口顯示屏控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

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(shù)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)?yīng)不同的存儲區(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(shè)計采用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II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(shè)計

采用SOPC技術(shù)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/OS-II的嵌入式操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計，完成對DVI視頻顯示數(shù)據(jù)的接收和預(yù)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。

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?？刂菩盘栔邪袙呙栊盘柡蛨鰭呙栊盘枺@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(shè)計

全彩色LED大屏幕數(shù)據(jù)量大，本設(shè)計將顯示屏從邏輯上劃分為多個窗口，軟件部分基于μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)編程實現(xiàn)。μC/OS-II操作系統(tǒng)的任務(wù)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(wù)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(yīng)用程序基于μC/OS-II實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)。軟件主要由2個任務(wù)和1個定時器中斷服務(wù)程序組成，任務(wù)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(wù)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(wù)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/OS-II的實時性和多任務(wù)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(shè)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(fù)。

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(fù)為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)RED[70]、GREEN[70]、BLUE[70]等像素信息，還需要恢復(fù)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(shè)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(shè)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(shè)備中。LED屏像素數(shù)據(jù)每一位的權(quán)值是不同的，高位的權(quán)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。

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 IICPU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(shè)計

該操作系統(tǒng)利用高效任務(wù)調(diào)度算法調(diào)度每個任務(wù)，而每個窗口的顯示由單個任務(wù)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(fù)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(fù)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(yīng)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)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(yīng)點的視頻數(shù)據(jù)。

圖4 存儲器分區(qū)圖
LED顯示屏灰度的實現(xiàn)方法，是分權(quán)重掃描的。這樣就需要把顏色數(shù)據(jù)位分離，然后同權(quán)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(quán)重區(qū)，所有同權(quán)重的數(shù)值集中放于對應(yīng)權(quán)重區(qū)中。所謂位分離就是把數(shù)據(jù)的高低位按權(quán)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(guān)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(yīng)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(yīng)地址的存取空間，最后將screen中的數(shù)據(jù)寫入地址對應(yīng)的顯存，從而完成顯示。

3.2 軟件設(shè)計

基于上述方案，程序的設(shè)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(wù)Task Control,對各窗口顯示任務(wù)進行實時管理，它擁有比各窗口顯示任務(wù)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(wù)，從Flash中讀取新的窗口個數(shù)，然后依此建立新任務(wù)，將每個窗口的顯示交由單個任務(wù)來控制。

下面是TaskControl任務(wù)的程序演示：

窗口顯示任務(wù)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(yīng)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(wù)進入等待狀態(tài)并進行一次任務(wù)調(diào)度，將系統(tǒng)控制權(quán)交給其他處于就緒狀態(tài)的顯示任務(wù)，由此完成和窗口顯示任務(wù)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(wù)的程序演示：


　　4 結(jié)論

本設(shè)計充分利用了Nios II 32位處理器的高性能和μC/OS-II實時操作系統(tǒng)高效的任務(wù)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。