基于Nios II的LED顯示屏控制器設計 - 全文

引言

　　目前，LED大屏幕顯示系統按數據傳輸方式分為兩類：一是同步實時顯示，即計算機顯示系統的內容同時在LED視頻顯示屏上顯示；二是異步通信更新數據顯示，計算機通過USB、通用串行接口、以太網等通信方式將數據傳送給獨立視頻源顯示屏。通常，異步通信控制方式只能將屏幕作為一個完整的區域顯示，對于較大屏幕的顯示系統，有時需要將整屏分為若干個窗口分別顯示不同的內容，且內容的更新只是某一個或幾個窗口。針對這種情況，本文提出了一種基于Nios II 32位處理器的設計方案，能有效地實現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 系統總體設計

　　1．1 系統硬件結構

　　LED顯示系統主要由計算機系統、數據通信傳輸模塊、數據處理模塊、掃描控制模塊、顯示驅動模塊和LED屏構成，如圖1所示。

　　計算機系統將要顯示的點陣信息通過RS485串行接口送往存儲設備，數據處理模塊讀取存儲設備的數據并進行各種特技顯示處理，將處理好的數據送往掃描控制模塊，顯示驅動模塊接收到掃描控制模塊的數據后送往LED屏上顯示。數據通信傳輸模塊、數據處理模塊、掃描控制模塊3部分均在FPGA上實現，即構成LED異步控制器。

　　1．2 系統軟件方案

　　軟件基于Nios II IDE開發完成，應用程序基于μC／OS-II實時操作系統實現。軟件程序主要由2個任務和1個定時器中斷服務程序組成，任務問采用信號量的方式進行通信。任務1將上位機傳送到CF卡存儲設備的數據寫入內存中；任務2從內存中讀取數據并進行分析處理，把分析處理完的數據送往掃描控制模塊。為了充分利用μC／OS-II的實時性和多任務的特點，采用嵌入式文件系統進行數據管理。

　　2 控制系統硬件部分設計

　　數據處理模塊由Nios II軟核CPU、1片SD RAM和1片Flash存儲器組成。Nios II軟核CPU是整個控制器的核心，負責數據的處理；sDRAM作為CPU處理數據時的緩存使用；Flash存儲器用于存儲點陣信息數據和LED屏顯示控制參數。

　　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，用來保存當前顯示的一幀點陣信息數據。PWM模塊通過Aval-on總線和Nios IICPU連接，將從CPU接收到的數據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據進行掃描。串口控制器、定時器、存儲器控制器、CF卡控制器通過SOPC Builder軟件定制集成IP核自動生成。本控制器的硬件結構如圖2所示。

　　3 控制系統軟件部分設計

　　控制系統軟件是基于實時操作系統μC／OS-II進行設計的。該操作系統利用高效任務調度算法調度每個任務，而每個窗口的顯示由單個任務完成。主函數創建了2個任務：一個用于讀取CF卡數據；另一個用于接收來自不同顯示模塊的場景數據和播放顯示文件。

　　3．1 數據結構

　　數據在存儲器中的存儲形式直接影響數據的存取速度和控制的復雜度。本系統對顯存中的數據和緩存中的數據均重新組織，降低了數據處理和掃描控制的復雜度。

　　3．1．1 顯存數據的組織

　　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位數據對像素點灰度級進行編碼)，故每個像素點需要占用3字節的存儲空間。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種顏色的數據是并行上屏的。可將紅、綠、藍3種顏色對應的數據分開存儲，以方便操作。數據存儲方式如圖3所示。同一種顏色的數據集中存放在某個區域中，區域的首地址作為該顏色的基址。在進行數據存放時，每個像素點只需給出相對變化地址(變址)，加上不同顏色的基址就可以在3個區域中找到對應點的視頻數據。

　　LED顯示屏灰度的實現方法是分權重掃描的。這樣就需要對顏色數據進行位分離，然后同權重的位重新組合。為了方便操作，存儲時把圖3所示的每個區再分為8個權重區，所有同權重的數值集中放于對應的權重區中。所謂位分離，就是把數據的高低位按權重分開，然后重新組織。位分離在可編程邏輯器件中比較容易實現，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4所示。

　　3．1．2 緩存數據的組織

　　若要進行特技效果顯示，則當前顯示的數據幀和下一個數據幀存在著某種變換關系。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、地址一一對應的區域screen，用于存儲當前顯示的數據幀信息。如果各窗口之間存在重疊現象，且特技數據處理運算直接在screen區域進行，則窗口重疊部分信息可能發生混亂。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據信息。在特技數據處理運算時，先在part區域處理各窗口的數據信息，將轉換完的數據送往各窗口在screen區域中所對應地址的存取空間，最后將screen中的數據寫入地址對應的顯存。

　　3．2 讀取CF卡軟件設計

　　任務1負責將CF卡上的數據讀取到SDRAM中，供其他任務使用。在程序中使用了1個指針(*pwmdata)，為數據文件在SDRAM中分配空間。在文件系統初始化時，首先調用CF卡初始化函數IDE_initialize()判斷CF卡是否存在。若存在，則讀取文件系統的基本信息。通過調用函數FS_SearchFile(char*FName，FS_TFile*R，unsigned char dir)來查找需要讀取的文件是否存在，若存在，則通過指針(*pwmdata)為數據文件在SDRAM中分配一個緩沖區。讀取時，每次讀取一個扇區，直到將數據全部讀取到sDRAM中。

　　部分程序源碼如下：

　　3．3軟件總體設計

　　基于以上數據結構，軟件設計的流程如圖5所示。系統首先進行初始化操作，然后從Flash中讀取顯示屏參數，進行參數初始化。接著建立任務TaskControt()，其優先級比各窗口顯示任務都要高，主要用于實時管理各窗口顯示任務，每個窗口的顯示由單個窗口顯示任務來控制。窗口顯示任務根據各窗口顯示方式的不同，在其對應的part存儲區域進行下一幀數據的處理運算，然后調用窗口顯示子任務進行顯示。在完成一幀數據的顯示后，調用一次OSTimeDlyHMSM()使當前任務進入等待狀態，下一個優先級最高并進入了就緒態的任務，立刻被賦予了CPU的控制權，由此完成窗口顯示任務之間的切換。任務TaskControl()定期查詢Reset是否有效，若有效則刪除原來建立的任務，重新讀取窗口數，建立新任務，啟用各個窗口顯示任務Task_i。