基于μC／OS-II的多窗口顯示屏控制器設(shè)計(jì)

摘要：多窗口顯示屏控制采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的多任務(wù)管理運(yùn)行模式，各窗口視頻數(shù)據(jù)由線程管理，Nios II 32位處理器作為顯示屏控制器硬件系統(tǒng)的核心，軟件系統(tǒng)控制多窗口任意顯示。在1片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)顯示屏控制器的硬件系統(tǒng)，利用SOPC Builder軟件定制系統(tǒng)所需的IP核，外擴(kuò)存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)，解決了FPGA內(nèi)部資源相對(duì)不足的問題。通過重構(gòu)視頻數(shù)據(jù)，合理組織數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，解決視頻數(shù)據(jù)的灰度控制問題，減少數(shù)據(jù)處理過程，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。

引言

LED大屏幕顯示屏是當(dāng)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(shí)時(shí)保持一致，視頻信號(hào)實(shí)時(shí)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(chǔ)區(qū)。數(shù)據(jù)更新由上位機(jī)控制，LED顯示屏的視頻信息變化由視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)決定。在異步顯示系統(tǒng)中，可實(shí)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(chǔ)區(qū)，數(shù)據(jù)更新時(shí)可以只更新其中的一個(gè)或幾個(gè)窗口。本設(shè)計(jì)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(gè)窗口的數(shù)據(jù)區(qū)域，實(shí)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(jì)

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(shí)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(jì)，完成對(duì)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(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī)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(hào)?？刂菩盘?hào)中包含行掃描信號(hào)和場掃描信號(hào)，顯示屏控制系統(tǒng)根據(jù)場掃描信號(hào)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(chǔ)器RAM進(jìn)行緩存。FPGA從RAM存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)按照灰度級(jí)分為8個(gè)區(qū)域模塊進(jìn)行重新組織、轉(zhuǎn)換，然后通過移位串行時(shí)鐘送入LED顯示屏進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、掃描控制模塊3部分均在FPGA上實(shí)現(xiàn)。

1.2 軟件總體設(shè)計(jì)

全彩色LED大屏幕數(shù)據(jù)量大，本設(shè)計(jì)將顯示屏從邏輯上劃分為多個(gè)窗口，軟件部分基于μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)。μC/OS-II操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度算法比較先進(jìn)，在顯示系統(tǒng)中，可以將每個(gè)窗口的顯示操作都交給某個(gè)任務(wù)來執(zhí)行，這樣可以從很大程度上提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。軟件主要由2個(gè)任務(wù)和1個(gè)定時(shí)器中斷服務(wù)程序組成，任務(wù)間采用信號(hào)量的方式進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)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(duì)視頻信息進(jìn)行濾波、數(shù)據(jù)的位組合、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jìn)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(shí)時(shí)性和多任務(wù)的特點(diǎn)，采用嵌入式文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

2 控制器的硬件部分設(shè)計(jì)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(jìn)行適當(dāng)?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(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)RGB視頻數(shù)據(jù)和像素時(shí)鐘CLOCK、像素有效信號(hào)DE、行同步信號(hào)HSYN、場同步信號(hào)VSYN、同步檢測信號(hào)SCDT等視頻顯示控制信號(hào)的恢復(fù)。

計(jì)算機(jī)顯卡輸出的DVI差分信號(hào)不能直接作為LED的掃描數(shù)據(jù)信號(hào)，需要經(jīng)過解碼，將該信號(hào)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(hào)，如行同步信號(hào)HSYNC、場同步信號(hào)VSYNC、數(shù)據(jù)使能信號(hào)DE和時(shí)鐘CLK等控制信息。需要一個(gè)解碼電路對(duì)DVI差分信號(hào)進(jìn)行解碼，本設(shè)計(jì)采用TFP401A DVI解碼芯片實(shí)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(chǔ)組織模塊分析

數(shù)據(jù)寫入SRAM存儲(chǔ)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(chǔ)設(shè)備中；組合像素法是指畫面上每個(gè)像素的所有位均集中存放在單個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備中。LED屏像素?cái)?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(shí)LED的點(diǎn)亮?xí)r間要長。根據(jù)兩種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)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(shí)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(dāng)col為1時(shí)，表示已寫完上面8個(gè)地址的數(shù)據(jù)，此時(shí)讀地址計(jì)數(shù)器開始計(jì)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