基于FPGA的數(shù)字和模擬信號(hào)合成的彩色液晶顯示器

張書君 周海力

摘 要：本文介紹了一款智能型高速模擬與數(shù)字信號(hào)合成的液晶顯示器。該顯示器采用雙FPGA作為主控芯片，利用視頻解碼芯片ADV7180將模擬信號(hào)解析為可供液晶屏顯示的RGB信號(hào)。

關(guān)鍵詞：FPGA；ADV7180；模擬與數(shù)字信號(hào)

0 引言

FPGA技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，具有靜態(tài)可重復(fù)編程的特性，芯片上包含的資源豐富，能夠?qū)嫶蟮?、滿足各種需求的、復(fù)雜的數(shù)字電路以及高性能微處理器整合到一塊芯片上實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)（SoC），使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期更短、可靠性更高。

這款同時(shí)顯示數(shù)字和模擬信號(hào)的彩色液晶顯示器可以將多種字體的彩色中西文、直方圖、自由曲線等數(shù)字信號(hào)和視頻模擬信號(hào)以疊加的方式顯示；將固定顯示的內(nèi)容預(yù)先在微機(jī)上進(jìn)行編制，然后將其作為“預(yù)置畫面”送入機(jī)內(nèi)Flash（閃存）中。另外，開(kāi)放了與BMP、JPEG等格式圖像文件顯示與操作相關(guān)的命令，極大地提高了二次開(kāi)發(fā)的效率，使顯示效果得到更完美的體現(xiàn)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 液晶顯示器概述

液晶顯示器作為科技時(shí)代的智慧結(jié)晶，為生產(chǎn)生活提供了極大的便利。液晶顯示器將各種信號(hào)及場(chǎng)景直觀地顯示在屏幕上，縮短了顯示到現(xiàn)場(chǎng)的距離，更能體現(xiàn)信號(hào)的各種細(xì)節(jié)，方便直觀地為設(shè)計(jì)人員的開(kāi)發(fā)提供了更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)支撐。本文介紹一種新型的液晶顯示器，可以根據(jù)功能需要顯示不同的數(shù)字或視頻信息，體現(xiàn)出細(xì)節(jié)信息，將遠(yuǎn)程的數(shù)字或視頻信息近距離地顯示在眼前，具有很大的實(shí)用性。

1.2 FPGA概述

FPGA全稱現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，是一種集成電路芯片，相當(dāng)于把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成在一個(gè)小的芯片上。本系統(tǒng)采用的FPGA芯片為京微齊力科技有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的CME-M5芯片。該芯片功能強(qiáng)大，既具備并行執(zhí)行程序的特點(diǎn)，又集成了增強(qiáng)型8051 MCU，使得FPGA的硬件性能大幅提高。采用FPGA邏輯設(shè)計(jì)的外設(shè)可以確保電路系統(tǒng)穩(wěn)定高速運(yùn)行，嵌入式的8051 MCU又可以為編程開(kāi)發(fā)人員的設(shè)計(jì)帶來(lái)便利，非常適合用作液晶顯示器的主控芯片[1-2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能型彩色液晶顯示器主要組成部分包括：電源模塊、液晶顯示模塊、RSM232隔離通信模塊以及視頻轉(zhuǎn)換模塊等。如圖1所示，加電工作時(shí)，首先啟動(dòng)FPGA內(nèi)的配置程序分配資源，明確兩片F(xiàn)PGA（M5）的工作任務(wù)。由其中一片F(xiàn)PGA（1）擔(dān)負(fù)解析數(shù)字信號(hào)指令，負(fù)責(zé)切換分配顯示內(nèi)存等工作任務(wù)。由另一片F(xiàn)PGA（2）處理視頻（ADV7810）解碼后的數(shù)據(jù)，根據(jù)指令送入FPGA（1）分配的顯示內(nèi)存中，實(shí)現(xiàn)視頻在指定窗口的顯示。

2.1 電源模塊

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，顯示器采用外部12 V或24 V電源供電，經(jīng)過(guò)LT3995轉(zhuǎn)換為DC 5 V，DC 5 V用來(lái)驅(qū)動(dòng)7英寸液晶屏的背光模塊，并經(jīng)過(guò)LM1085轉(zhuǎn)換為DC 3V3；DC 3V3通過(guò)TPS71711轉(zhuǎn)換為DC 1V1，然后DC 3V3和DC 1V1共同驅(qū)動(dòng)FPGA芯片。本系統(tǒng)用到兩個(gè)同一型號(hào)的FPGA模塊，F(xiàn)PGA_A用來(lái)處理視頻信息，F(xiàn)PGA_D用來(lái)處理數(shù)字信息，兩個(gè)芯片協(xié)同工作保證顯示器穩(wěn)定高效地運(yùn)行；DC 3V3經(jīng)過(guò)LM1117-1V8轉(zhuǎn)換為DC 1V8，然后DC 3V3和DC 1V1共同驅(qū)動(dòng)ADV7180進(jìn)行模擬視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換工作[3]。

2.2 基于RSM232的隔離通信模塊

數(shù)字信號(hào)的通信使用致遠(yuǎn)RSM232，如圖3所示，其中C82、C94作為隔離電容使用。R6、R7是防止通信線路串入強(qiáng)干擾所加磁珠或電阻[4]。

2.3 基于ADV7180的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

視頻轉(zhuǎn)換模塊如圖4所示，IN1、IN2和IN3為模擬視頻信號(hào)的輸入端，通過(guò)sma外接模擬攝像頭；BF_PPIx、BF_TMRx和LLC_CLK為ADV7180的輸出信號(hào)，連接到FPGA_A做進(jìn)一步的信號(hào)處理；BF_PFx為IIC總線，連接至FPGA_D用來(lái)配置ADV7180[5]。

2.4 顯示模塊

系統(tǒng)采用群創(chuàng)7英寸液晶屏作為顯示終端，分辨率為800×480，采用RGB565信號(hào)驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)以及視頻模擬信號(hào)在顯示屏上的正常顯示。上電之后首先進(jìn)行設(shè)備初始化工作，包括液晶顯示屏模塊、串口模塊以及ADV7180視頻轉(zhuǎn)換模塊的初始化設(shè)置；隨后進(jìn)入串口處理數(shù)據(jù)模塊，根據(jù)指定通信協(xié)議判斷串口是否接收到有效數(shù)據(jù)，如果未接收到有效數(shù)據(jù)則返回串口數(shù)據(jù)處理模塊，如果接收到有效數(shù)據(jù)則判斷顯示模式；根據(jù)顯示模式來(lái)切換液晶顯示屏的視頻或數(shù)字界面，并將串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理后顯示在界面上的指定位置，到此本次處理結(jié)束，開(kāi)啟下一次處理以保證顯示信息的實(shí)時(shí)性[6]。

3.1 ADV7180的初始化

3.2 數(shù)據(jù)的處理

采用中斷方式進(jìn)行串口接收處理，接收到的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)256 B的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。在處理緩沖區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)采用狀態(tài)機(jī)的原理，只有當(dāng)前一個(gè)狀態(tài)完成時(shí)才進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。緩沖區(qū)內(nèi)經(jīng)過(guò)判斷正確的數(shù)據(jù)放入一個(gè)數(shù)組中，顯示模塊調(diào)用該數(shù)組的內(nèi)容，這樣做可以保證界面信息的實(shí)時(shí)性，也有效降低了不同模塊之間的關(guān)聯(lián)性，增加了程序的穩(wěn)定性。串口接收，中斷處理的流程如圖6。

3.3 數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)疊加處理

模擬信號(hào)通過(guò)ADV7180芯片和FPGA芯片的協(xié)同工作，將其轉(zhuǎn)換為RGB信號(hào)保存到SDRAM中，過(guò)程如下：首先ADV7180將攝像頭輸出的視頻信號(hào)解碼后轉(zhuǎn)換為RBT656信號(hào)發(fā)送給FPGA芯片，進(jìn)入芯片后首先將RBT656信號(hào)解碼，同時(shí)為了減少視頻信號(hào)中的干擾，將RBT656信號(hào)中的Y信號(hào)濾波，濾波后將Cb、Cr和Y信號(hào)轉(zhuǎn)換為RGB信號(hào)，最后根據(jù)解碼后的行信號(hào)和奇偶場(chǎng)信號(hào)將RGB信號(hào)通過(guò)存儲(chǔ)器調(diào)度模塊寫入SDRAM保存起來(lái)，完成視頻信號(hào)的解碼過(guò)程。根據(jù)輸入的數(shù)字顯示信號(hào)中的行、場(chǎng)和時(shí)鐘信號(hào)生成地址和讀取信號(hào)，從SDRAM中讀取保存的視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)疊加模塊同數(shù)字顯示數(shù)據(jù)疊加后輸出，實(shí)現(xiàn)顯示。按彩色液晶屏像素的排列格式處理完成后的整屏RGB像素?cái)?shù)據(jù)，可以直接送入液晶屏，實(shí)現(xiàn)顯示。這一部分在FPGA中完成[1]，部分源代碼如下：

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

對(duì)本系統(tǒng)的硬件和軟件模塊調(diào)試成功后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體功能性測(cè)試。本文設(shè)計(jì)的液晶顯示器需要實(shí)現(xiàn)的功能是：上電后即按照通信協(xié)議將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析后按照幀定義進(jìn)行顯示，并可以根據(jù)通信協(xié)議自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新或者畫面切換。實(shí)驗(yàn)測(cè)試包含數(shù)字界面能否正常刷新，數(shù)字和視頻界面能否正常切換，視頻和數(shù)字的疊加是否正常和系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定等。表1的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)測(cè)試200次的結(jié)果以及運(yùn)行24 h的穩(wěn)定性結(jié)果[1-4，6]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種采用雙FPGA處理器、通信模塊加ADV7810視頻轉(zhuǎn)換的能同時(shí)實(shí)時(shí)顯示數(shù)字和模擬信號(hào)的彩色液晶顯示器。該顯示器能夠?qū)崿F(xiàn)畫面的高速更新，且互不干擾，可以直接使用攝像頭，真實(shí)還原攝像頭的信號(hào)，在很多空間狹小不方便進(jìn)去人員的場(chǎng)合都可以使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏麗玲，朱平，石永亮.基于FPGA的圖像采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（10）： 67-69.

[2] 曾聲奎.可靠性設(shè)計(jì)與分析[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[3] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4] 羅映紅，張博.傳輸線端接阻抗對(duì)線間串?dāng)_的影響研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2009，30（4）：120-122.

[5] 朱珍民，沈燕飛，何哲.視頻信號(hào)處理技術(shù)及應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34（10）.

[6] 陸民燕.軟件可靠性工程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015.