LED大屏幕異步控制器多窗口顯示的設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2012-11-22 來源：網(wǎng)絡(luò)

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　　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。

系統(tǒng)原理框圖

　　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, 最后通過掃描控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊將畫面在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)。

控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　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CPLD 對(duì)顯存進(jìn)行以字(2byte)為單位的寫操作。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)于程序編寫來說往往可以達(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? 從上到下。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), 依此類推。

顯存數(shù)據(jù)組織方案

　　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)的屏幕上開設(shè)一個(gè)左上角坐標(biāo)為(20,16), 大小為86×47 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)際大小)進(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。

點(diǎn)陣信息轉(zhuǎn)換

　　為了解決上述問題, 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96×47 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。

緩存規(guī)劃示意圖

　　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)來控制。

程序結(jié)構(gòu)框圖