DSP在LED顯示中的應(yīng)用

目前采用的LED大屏幕顯示系統(tǒng)的控制電路，大多由單個(gè)或多個(gè)CPU及復(fù)雜的外圍電路組成，這種電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)編程比較復(fù)雜，整個(gè)電路的調(diào)試比較麻煩，可靠性和實(shí)時(shí)性很難得到保證。針對(duì)這種情況，提出一種SD卡存儲(chǔ)顯示文件，由TMS320LF2407A和EPM240配合完成的大屏幕設(shè)計(jì)方案，使得動(dòng)畫的變換和處理與屏幕的顯示控制完全分離，各模塊任務(wù)分明，功能完善，充分發(fā)揮了DSP以及CPLD各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高性能的無閃爍顯示。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，核心處理器采用TMS320LF2407A，外部擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)接口芯片RTL8019AS、SD卡和雙口RAM芯片。本系統(tǒng)中，DSP主要發(fā)揮其邏輯運(yùn)算處理能力；網(wǎng)絡(luò)通信接收文件功能、圖形文字變換功能以及文件的讀取保存功能都由TMS320LF2407A完成；而CPLD芯片EPM240的功能較單一，只負(fù)責(zé)從雙口RAM中獲得將要顯示的數(shù)據(jù)，批量讀取并送入由多個(gè)74LS595驅(qū)動(dòng)的LED點(diǎn)陣陣列。換言之，EPM240負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新屏幕顯示，保證刷新速度而不產(chǎn)生閃爍感覺（即刷新頻率要達(dá)到100 Hz以上）。

　　 本系統(tǒng)主要分為3個(gè)功能模塊：

(1)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送部分。PC機(jī)通過以太網(wǎng)將需顯示的數(shù)據(jù)（可能是屏幕截圖數(shù)據(jù)，也可能是文本文件等）以UDP數(shù)據(jù)報(bào)的形式發(fā)往本系統(tǒng)，RTL8019AS會(huì)自動(dòng)將不是發(fā)往本地IP地址的數(shù)據(jù)包丟棄，主程序中查詢RTL8019AS接收到新的數(shù)據(jù)包并讀取入SD卡文件緩沖區(qū)，緩沖區(qū)填滿時(shí)以文件形式寫入SD卡FAT32文件系統(tǒng)中。

(2)DSP動(dòng)畫變換算法實(shí)現(xiàn)部分。TMS320LF2407A具有32 KB的外部RAM空間，圖1中所示的雙口RAM被擴(kuò)展至此空間。首先DSP將這32 KB空間劃分成2個(gè)區(qū)域（各16 KB），分別用作邏輯運(yùn)算區(qū)和顯示內(nèi)存區(qū)（都在雙口RAM中）。DSP讀取SD卡中將要顯示的文件數(shù)據(jù)并將其送入邏輯運(yùn)算區(qū)，根據(jù)畫面所需的動(dòng)畫要求做相應(yīng)變換，變換后的點(diǎn)陣直接填充顯示內(nèi)存區(qū)，以便CPLD從該區(qū)讀取顯示數(shù)據(jù)。

(3)CPLD顯示圖形的刷新。利用CPLD速度快的特點(diǎn)，將顯示內(nèi)存區(qū)中的數(shù)據(jù)快速讀入并發(fā)送給74LS595驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展的LED陣列，由于功能的單一性，使顯示具有很高的刷新速度，無閃爍等現(xiàn)象。

2 EPM240的主要任務(wù)

EPM240需從雙口RAM的顯示內(nèi)存區(qū)中讀入數(shù)據(jù)，所以在硬件電路上必須將雙口RAM的一個(gè)端口與EPM240連接，在用VHDL語言描述電路時(shí)，采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)EPM240對(duì)雙口RAM的控制與數(shù)據(jù)的讀取。由于雙口RAM的2個(gè)端口都可能同時(shí)對(duì)同一個(gè)單元操作，因此必須將雙口RAM的BUSY引腳分別接至DSP和EPM240上，一邊操作時(shí)，另一邊必須等待操作結(jié)束，否則可能會(huì)造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。DSP在操作顯示內(nèi)存區(qū)時(shí)，采用逆序地址方向（地址從大到?。?，而EPM240采用正序地址方向操作，這樣做的好處是修改一幅圖像時(shí)，最大可能地避免發(fā)生同時(shí)操作同一單元的現(xiàn)象。

除了完成與雙口RAM接口的工作外，EPM240還必須將讀入的字節(jié)不斷地發(fā)送給74LS595刷新硬件顯示，只要采用VHDL語言描述出SPI總線接口協(xié)議即可。簡(jiǎn)而言之，CPLD在本系統(tǒng)中起數(shù)據(jù)的搬運(yùn)作用（顯示內(nèi)存區(qū)—>EPM240—>LED顯示）。

3 DSP實(shí)現(xiàn)圖像的動(dòng)畫變換

常見的動(dòng)畫處理包括左右平移、上下平移、連續(xù)拉幕、扇入扇出等。基于上面提出的雙緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)模式，使得動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)變得清晰易行。動(dòng)畫變化原理如圖2所示。

圖2中假設(shè)用戶采用的實(shí)際屏幕寬度為Width點(diǎn)，高度為Height點(diǎn)。算法的基本思想是假想有個(gè)和實(shí)際屏幕大小一致的視窗存在，并可根據(jù)需要按一定規(guī)律在邏輯運(yùn)算區(qū)內(nèi)移動(dòng)。即落在視窗內(nèi)的部分才能被實(shí)際屏幕顯示（被送入顯示內(nèi)存區(qū)）。

例如，要實(shí)現(xiàn)圖像的左右平移操作，實(shí)現(xiàn)算法前，需將顯示文件的原始數(shù)據(jù)載入邏輯運(yùn)算區(qū)，然后復(fù)位視窗的偏移坐標(biāo)(OffX，OffY)為(0，0)，每隔用戶設(shè)定的時(shí)間間隔后，調(diào)整左右偏移量OffX累加SpeedDot（動(dòng)畫速度，用戶設(shè)定），再將落入視窗內(nèi)的數(shù)據(jù)部分映射到顯示內(nèi)存區(qū)中，由EPM240負(fù)責(zé)刷新顯示。當(dāng)OffX累加到達(dá)到Width時(shí)動(dòng)畫結(jié)束，此時(shí)可以將下一幅圖像文件原始數(shù)據(jù)載入邏輯運(yùn)算區(qū)進(jìn)行類似的動(dòng)畫操作。再例如實(shí)現(xiàn)圖像從右下角逐漸飛入屏幕，可將(OffX，OffY)初始設(shè)置成(-Width， -Height)，顯然此時(shí)無數(shù)據(jù)落入視窗，之后每隔時(shí)間間隔后，再進(jìn)行如下映射操作即可：

　　OffX+=SpeedDot;
OffY+=SpeedDot*((float)Height/Width)；

4 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

RTL8019AS和TMS320LF2407A間的連接如圖3所示。采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以提高通信質(zhì)量，具有通信速度快、傳輸數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，而且接入簡(jiǎn)單，只需將RJ45連接頭接入集線器即實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的物理連接。

以太網(wǎng)主要有2種通信協(xié)議：TCP與UDP協(xié)議。TCP協(xié)議提供的是可靠的傳輸服務(wù)，可以確保數(shù)據(jù)不丟失，但它的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，任務(wù)也比較繁重，系統(tǒng)RAM的消耗也較大；UDP協(xié)議提供的是不可靠傳輸服務(wù)，最大可能地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡?。可靠的?shù)據(jù)傳輸只能由高層（一般是應(yīng)用層）負(fù)責(zé)校驗(yàn)和發(fā)起，傳輸快、運(yùn)算量小、算法簡(jiǎn)單易行。

對(duì)于本系統(tǒng)而言，大屏幕點(diǎn)陣的變換與文件系統(tǒng)的操作等任務(wù)已較為繁重，而且一般只是在設(shè)置顯示圖像和動(dòng)畫時(shí)才進(jìn)行以太網(wǎng)傳輸，丟包的可能性并不大，所以采用UDP協(xié)議。發(fā)送時(shí)，只需將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)逐層地向低層發(fā)送，經(jīng)過每層時(shí)都在前面加上本層的頭部（有的還加有尾部），在頭部中包含有相關(guān)的傳輸信息，最后通過物理層（RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)層）將最終封裝好的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。接收正好是發(fā)送的逆過程，只需將頭部逐層剝離（剝離時(shí)要校驗(yàn)是否正確，否則丟棄），最后獲得被封裝的數(shù)據(jù)。DSP在收到正確的數(shù)據(jù)后，將其以文件形式保存到SD卡中。本模塊應(yīng)用層流程圖如4所示。

5 大屏陣列的構(gòu)成

顯示面板由32×16點(diǎn)陣構(gòu)成最小單位，JP1是輸入信號(hào)，當(dāng)有多個(gè)單位級(jí)連成大屏?xí)r，只需將前個(gè)單位的JP2口與后一單位的JP1口連接即可。第一塊單位板的JP1口連接到控制板，由CPLD掃描顯示。采用1/16掃描方式，行信號(hào)由74HC154譯碼后輸出，并經(jīng)過APM4953（內(nèi)部是2個(gè)P溝道的MOS管）增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力；列信號(hào)由74HC595級(jí)連構(gòu)成，提供列線的灌入電流。由于級(jí)連時(shí)消耗電流較大，因此為每塊單位板設(shè)置電源模塊等，限于篇幅，這些圖并未給出。控制時(shí)，CPLD先通過列數(shù)據(jù)端口串行地發(fā)送當(dāng)前行的數(shù)據(jù)，然后選中當(dāng)前行進(jìn)行顯示，暫留時(shí)間后對(duì)下一行進(jìn)行同樣操作。本電路接口十分簡(jiǎn)單，擴(kuò)展大屏也十分方便。

本方案采用以太網(wǎng)通信，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和傳輸?shù)目煽啃?；充分利用DSP的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行動(dòng)畫的實(shí)時(shí)變換處理，將變換與顯示控制完全分離；CPLD的運(yùn)用可以大大提高硬件的控制速度，快速刷新屏幕，穩(wěn)定可靠，掃描頻率高。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 潘松，黃繼業(yè). EDA技術(shù)實(shí)用教程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2002.
[2] 李愛國(guó). 模塊化LED電子大屏幕的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，1998(2):74-75.
[3] 劉和平. DSP原理及電機(jī)控制應(yīng)用——基于TMS320LF240X 系列[M]. 北京：北京航空航天出版社，2008.
[4] 夏宇聞. Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M]. 北京：北京航空航天出版社，2008.