（信号与信息处理专业论文）基于fpga的led同步屏接收卡设计与实现.pdf

摘要 摘要 根据l e d 同步屏显示控制系统设计要求，确定了基于可编程器件和千兆以太 网技术的同步屏接收卡的设计。 接收卡从物理功能实现上分六部分电路：千兆数据接收电路，显示数据处 理电路，数据存储电路，显示驱动电路，配置电路及电源电路。其中数据处理 电路的主体是一片f p g a 芯片，而按照功能的实现，又可将其分为帧同步头及 命令字解析模块，反y 校正模块，数据缓存控制模块，数据存储控制模块，中 央控制模块，显示驱动控制模块及配置模块。帧同步头及命令字解析模块实现 控制字和象素数据的同步接收以及向下级联；反y 校正模块实现对视频数据的 反y 校正，使数据格式显示效果符合人的视觉要求；数据缓存控制模块实现显 示数据的缓存，调节读写时序；数据存储控制模块采用乒乓存储架构，形成数 据处理流水，加快数据处理速度；针对占空比控制亮度损失大的情况，在显示 驱动控制模块中，提出了分场叠加与占空比控制相结合的方法，降低了灰度控 制对硬件频率的要求并能获得更高的l e d 点亮效率，采用具有1 6 位共6 5 5 3 6 级灰度可选的恒流芯片m b l 5 0 3 0 ，实现了高灰度级。 在本设计中完成了系统的硬件电路设计和相关软件设计，最后实现功能验 证。本系统工作的信号源场频6 0 h z ，视频信号分辨率为1 0 2 4x1 2 8 0 ，单卡带屏 尺寸为1 2 8 2 5 6 。由于时间关系，本系统尚处在与发送卡联调阶段。 关键字：l e d 同步屏反y 校正数据存储灰度实现显示驱动f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n to ft h el e dd i s p l a y ，t h e a r t i c l ec o n f i r m st h ed e s i g no ft h es y n c h r o n i z a t i o nr e c e i v ec a r d ，w h i c hi sb a s e do nt h e f p g aa n d10 0 0 m b i te t h e m e tt e c h n o l o g y t h er e c e i v ec a r dc a nb ed i v i d e di n t os i xp a r t si nh a r d w a r ec i r c u i t t h e ya r et h e 10 0 0 m b i td a t ar e c e i v ei n t e r f a c ec i r c u i t ，t h ed a t at r e a t m e n tc i r c u i t ，t h ed a t a s t o r a g e c i r c u i t ，t h el e dd i s p l a yd r i v ec i r c u i t ，t h ec o n f i g u r a t i o nc i r c u i ta n dt h ep o w e r s u p p l y c i r c u i t a m o n go ft h e m ，t h ed a t at r e a t m e n tc i r c u i ti sb a s e do naf p g ac h i p ，w h i c hc a l l b ed i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gm o d u l e sa c c o r d i n gt h ef u n c t i o n ：t h ef r a m eh e a dl o c a t e s a n dc o m m a n dw o r d se x p l a i nm o d u l e ，t h ea n t i yc o r r e c t i o nm o d u l e ，t h ed a t af i f o c o n t r o lm o d u l e ，t h ed a t as t o r a g ec o n t r o lm o d u l e ，c e n t r a lc o n t r o lm o d u l e ，d i s p l a yd r i v e c o n t r o lm o d u l ea n dt h ec o n f i g u r a t i o nm o d u l e t h ef l a m eh e a dm o d u l ec a nr e a l i z et h e s y n c h r o n i z a t i o nr e c e i v eo fc o n t r o lw o r d sa n dt h ed i s p l a yd a t a ；t h ea n t i yc o r r e c t i o n m o d u l ec a nc a r r yo u tt h ea n t i - yc o r r e c t i o no f d i s p l a yd a t a ，w h i c hc a nm a k et h el e d d i s p l a yl o o k sn a t u r a l ；t h ed a t af i f oc o n t r o lm o d u l ea c h i e v e st h eg o a lt h a tt om a k et h e d a t ar e c e i v er a t es l o wd o w n ；d a t a s t o r a g ec o n t r o lm o d u l ea d o p t st h ep i n g p o n g s t o r a g ea r c h i t e c t u r e ，w h i c hc a nm a k et h ed i s p o s es p e e dm o r ef a s t e r ；a i m sa tt h e s i t u a t i o no fm u c hl o s so ft h eb r i g h t n e s s ，t h ed i s p l a yd r i v ec o n t r o lm o d u l eb r i n g f o r w a r d saw a yt ol o w e rt h eh a r d w a r er e q u i r e m e n ta n dt o g e th i g h e rl e dl i g h t e f f i c i e n c y t h ec o n s t a n tc u r r e n tc h i pm b l 5 0 3 0 ，w h i c hh a s6 5 5 3 6g r a yg r a d e s ，m a k e s i tt r u et or e a l i z et h eh i g h 伊a yg r a d e s t h ea r t i c l eh a sf i n i s h e dd e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r e ，a n dh a s v a l i d a t e dt h ef u n c t i o n a no ns i g a lc a r d t h es y s t e mw o r k sa tt h es o u s ef r a m ef r e q u e n c y i s6 0 h z ，d i f f e r e n t i a t er a t ei s10 2 4x1 2 8 0a n dt h el e d d i s p l a ys i z ei s1 2 8 2 5 6 v i e w o ft h et i m ec o n s t r a i n t ，t h es y s t e mi sb e i n gt h ep h a s eo f d e b u g g i n ga s s o c i a t i n gw i t ht h e s e n dc a r d k e y w o r d s ：l e df u l lc o l o rd i s p l a y ；a n t i yc o r r e c t i o n ；d a t a s t o r a g e ； g r a y g r a d e ；d i s p l a yd r i v e r ；f p g a i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 背景介绍l 1 2 课题来源2 1 3 论文工作及主要内容3 第二章论文相关原理及总体方案论证5 2 1 l e d 相关原理5 2 1 1 l e d 发光原理及主要特性5 2 1 2l e d 显示屏工作原理7 2 1 3 l e d 显示屏关键技术指标7 2 2f p g a 原理9 2 2 1 f p g a 特点9 2 2 2 f p g a 工作原理一9 2 3 3f p g a 配置模式l o 2 3系统总体方案论证1 0 2 3 1 系统总体框架及设计要求1 0 2 3 2 数据处理流程1 1 2 3 3 反y 校正算法1 3 2 3 4 扫描控制原理1 5 2 3 4 p w m 灰度级控制原理1 6 2 4 本章小结1 8 第三章硬件电路设计及信号完整性分析1 9 3 1接收系统总体功能框图1 9 3 2 各功能模块原理图设计1 9 3 2 1 网络接口r t l 8 2 1 2 部分设计原理图2 0 3 2 2 数据存储模块s d r a m 原理图2 1 3 2 3 数据扫描驱动部分原理图2 2 3 2 4 单片机及其它接口电路原理图2 2 3 2 5 电源部分原理图2 3 3 2 6 接收系统整体原理图2 4 3 3 系统p c b 图设计实现2 4 3 3 1 p c b 简介2 4 3 3 2p c b 元件布局规划2 5 3 3 3 p c b 设计布线规划2 6 3 3 4 布线完成后的p c b 图一2 8 硕士学位论文 3 4 信号完整性分析及仿真2 8 3 4 1 信号完整性分析2 9 3 4 2 布线完成后信号仿真的意义3l 3 4 3 信号完整性分析工具及常用仿真模型3 2 3 4 4 信号完整性仿真及优化设计3 2 3 5 本章小结3 5 第四章f p g a 程序设计及算法实现一3 6 4 1 f p g a 的总体功能设计框图一3 6 4 2 数据帧同步头定位与命令字解析模块3 7 4 2 1i e e e8 0 2 3 标准中g m i i 数据收发帧格式协议3 7 4 2 2 模块功能3 8 4 2 3 模块设计实现3 9 4 3 反y 校正模块4 1 4 3 1 模块功能4 1 4 3 2 反y 校正实现41 4 4 数据缓存控制模块4 2 4 4 1 模块功能4 2 4 4 2 模块功能实现4 2 4 4 3 程序仿真4 3 4 5 中央控制模块4 4 4 5 1 中央控制模块功能4 4 4 5 2 功能实现4 5 4 6 数据存储控制模块4 6 4 6 1 模块功能设计4 6 4 6 2 乒乓存储控制接口模块实现4 7 4 6 3 控制命令解析模块4 8 4 6 4 数据通道模块模块实现4 8 4 6 5 程序仿真时序4 9 4 7 显示驱动控制模块5 0 4 7 1 显示驱动控制模块总体功能5 0 4 7 2 设计功能实现5 0 4 7 3 灰度控制实现51 4 8 本章小结5 5 第五章系统联调及未来展望5 6 5 1 系统联调5 6 5 2 工作总结5 8 5 3 后续工作展望5 9 参考文献一6 0 攻读学位期间科研成果一6 3 附录i 相关缩略语解释6 4 2 目录 附录i i 部分v h d l 源代码6 5 致谢一6 9 第一章绪论 1 1 背景介绍 第一章绪论 我国l e d 显示屏起步于上世纪8 0 年代末，发展于9 0 年代，成熟于近五年。 中国经济的腾飞，给显示屏提供了极好的发展机遇。l e d 屏具有高清晰度、色 彩鲜艳、视角大、工作稳定、寿命长、功耗低等优点。由于采用单元模块化结 构，屏体的大小可按用户要求灵活拼制。独特的优点使它在信息发布、公众多 媒体等现代显示领域独具魅力。l e d 显示屏市场随技术发展而攀升，且随着全 彩屏显示技术的日益完善拥有广阔的市场空间，极具前景。 l e d 显示屏的发展经历了几个阶段，进步明显。最初只有单色和1 6 级双 色图文屏，用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局 等公共场所，作为公共信息显示工具。后来出现了6 4 级、2 5 6 级灰度的双基色 视频屏。视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将l e d 显示屏 提升到了一个新的台阶。l e d 显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由 国内企业开发出来并得以应用。再后来，红、纯绿、纯蓝l e d 管大量涌入中国， 同时国内企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色l e d 生产的全彩 色显示屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而 将国内的大屏幕带入全彩时代。 随着l e d 原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2 0 0 1 年面世，主要用 在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点 间距，被不同价位需求者所接受，在短短几年时间内，产品销售额巨幅攀升， 表面贴装全彩色l e d 显示屏应用市场进入新世纪。就市场而言，l e d 技术在 北京奥运会上的出色表现，为l e d 显示屏产业发展注入了新的活力，而不久后 要举办的世博会也为l e d 的发展带来了新的契机，国内l e d 显示屏市场保持 持续增长。 目前，l e d 显示屏的主要制造厂商集中在日本、北美等地，我国l e d 制 造厂商出口的份额在其中微不足道。据不完全统计，世界上目前至少有1 5 0 家 厂商生产全彩屏，其中产品齐全，规模较大的公司约有3 0 家左右 1 1 。 目前的l e d 屏就控制方式而言，分为异步和同步两种，异步控制是指l e d 硕士学位论文 屏具有存储及自动播放的能力，将在p c 机上编辑好的文字及无灰度图片通过 串口或其他网络接口传入l e d 屏，然后由l e d 屏脱机自动播放，一般没有多 灰度显示能力，主要用于显示文字信息，可以多屏联网。异步控制的最大特点 是可以脱机显示，只要事先将要播放的节目做好并编排节目单，就可以关掉控 制机，且可以实现大屏重新上电而节目自动播放。不足之处是处理实时信号能 力差，不适合做各种视频信息的同步显示。同步控制l e d 显示屏的工作方式基 本等同于电脑的监视器，它以至少3 0 场秒的更新速率点点对应地实时映射电 脑监视器上的图像，通常具有多灰度的颜色显示能力，可达到多媒体的宣传广 告效果。 借助各种视频源设备，同步控制系统可以方便地接入各种视频信号，如 v g a ，d v i - d ，s d i ，c v ，s 端子等，近来又新添加了h d m i 功能接口，而且 借助上位机可非常迅速的实现信号切换，再加上新兴的网络功能，应用更为广 阔。 销售收入：5 0 。o ： 百万元1 ooo 500 0 ： d 2； 4 口 ， _ _ 订1 图1 - 12 0 0 1 - 2 0 0 5 年l e d 行业销售情况 f i g 1 1t h es a l e r o o mo fl e di n d u s t r yf r o m2 0 01t o2 0 0 5 随着中国经济的持续高速发展和l e d 光电器件技术的进步，国内显示屏市 场将有较大拓展，将有进一步的快速发展。随着市场的拓展和国内外其它力量 的介入，竞争将更为激烈。品牌、质量竞争将逐步取代目前的价格竞争。正在 形成主导国内市场的骨干企业，有望出现具有国际影响的大型骨干企业。规模 化、品牌化将成为行业的趋势。随着市场竞争和企业规模化，逐步趋于成熟， 技术和质量将成为行业竞争的重要手段，促使行业的技术和质量快速提升。 1 2 课题来源 本实验室长期与l e d 屏生产厂家进行技术合作交流，共同致力于打造丰富 的产品流水线。传统l e d 同步控制系统多是基于1 0 1 1 0 0 m 以太网设计，灰度级 2 第一章绪论 多为2 5 6 级，亮度可调等级少，传输距离近，显示效果不很稳定且色彩饱和度 差。伴随采用h d m i 标准的视频输出设备广泛使用，音频和视频融合，视频效 果进一步提高，数据传输率相应提高，原有显示系统无法满足带宽需求。市场 对开发出一款高速优质的千兆l e d 全彩同步屏控制器要求迫切。而作为今后课 题研究的主要方向，l e d 全彩同步屏控制器同时也成为本实验室开发设计的首 要任务。 1 3 论文工作及主要内容 课题小组本次设计的目标是实现一套完整的全彩l e d 同步屏控制方案，能 够实现将以计算机为视频源的信号最终显示在l e d 屏上，要求画质稳定，色彩 分辨率高，刷新频率足够，无闪烁感，传输速率快。在上位机分辨率为1 0 2 4 x 1 2 8 0 ，刷新率为6 0 h z 的情况下，实现一发多收，接收卡可级联的显示系统。 显示屏实现全彩及双基色面阵兼容，单接收卡最大支持1 2 8x2 5 6 像素点，支持 支持1 2 、1 4 、1 8 及静态多种扫描方式。亮度及灰度可调，最大实现6 5 5 3 6 级 灰度。接收板有在线更新功能，可通过网络更新，配置参数。 课题小组分软件组和硬件组。软件组负责上位机操作软件的设计实现；硬 件组负责控制系统的硬件设计实现。其中硬件实现l e d 全彩同步屏显示控制系 统分为两部分，发送系统和接收系统设计。发送系统由我同组的一位同学负责， 本人负责接收系统的设计和实现。 发送系统负责接收视频数据，从p c 机的显卡获取，经d v i 输入后解码， 恢复出供l e d 显示的红、绿、蓝2 4 位像素数据及行、场和控制信号。然后再 将收到的数据流进行缓存，按千兆网数据收发协议进行格式化封帧后发送至以 太网芯片进行以太网传输。接收系统接收以太网上传来的视频数据流，实现握 手后，首先进行状态字提取，之后再接收、转发显示数据，最后在控制命令操 作下将数据显示到l e d 屏。在接收系统内，数据分为两路：一路数据先进行位 分离操作，然后进行反y 校正，经f i f o 后再写入s d r a m 进行缓存，实现了 数据的读入。显示时，由帧头命令字获取显示区域，在控制模块的时序控制下， 经过一定的扫描算法后并行输出至l e d 显示屏进行扫描显示；另一路经以太网 卡芯片处理后送到下一级卡进行数据级联，实现显示区域的拼接。转发时其它 硕士学位论文 数据不变，只是将帧命令字中有关接收卡序号信息位加1 ，表示比原来又级联了 一块接收卡。 本设计从多方面论述了该方案的可行性，仔细推导了l e d 显示屏各技术参 数之间的联系及约束关系。利用可编程逻辑器件高集成度、高速度、在线可编 程等特点实现系统功能，不仅可以满足高速图像数据处理对速度的要求，而且增 加了设计的灵活性，不需修改电路硬件设计，缩短了设计周期，节约了升级成本。 后续部分主要有三部分内容。第二章介绍了与本设计课题相关的知识及方 案总体论证。背景知识包括l e d 原理及l e d 屏基本知识，及f p g a 相关知识。 方案论证提出了从硬件架构到f p g a 功能分区总体设计。第三章从硬件实现入 手，按功能分块设计，先是设计各功能模块的原理图，然后进行p c b 设计，最 后进行信号完整性及电源完整性分析，并提出了优化方案。第四章从f p g a 功 能实现入手，将各功能模块分别设计实现，用q u a r t u s l i 进行设计并用m o d e l s i m 进行了功能仿真。最后是总结及展望，对课题设计中的不足进行评估并对接下 来的设计改进进行了探索规划。 4 第二章论文相关原理及总体方案 第二章论文相关原理及总体方案论证 2 1l e d 相关原理 2 1 1l e d 发光原理及主要特性 半导体发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) ，依靠的是注入的载流子自发复 合的自发辐射非相干光。正向电压下，电子由n 区进入p 区，空穴由p 区进入 n 区。进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。发光原理 如下图 3 】o 图2 ll e d 发光原理 f i g 2 1i l l u m i n a n tp r i n c i p i u m 因为它的核心是p n 结，所以它具有一般p n 结的伏安特性：正向导通、反 向截止、击穿特性等，此外还具有发光特性。与其它发光器件相比，l e d 具有 体积小，工作电压低，功耗低，机械性能好，调试方便等优点，因而有着广阔 的应用前景。目前主要用在信息的传递，处理，存储和显示方面。 理论与实践证明，光的峰值波长九与发光区域的半异体材料禁带宽度乓有 关，即 允1 2 4 0 ( 2 1 ) 九一 k z lj t 其中，乓的单位为电子伏特( e v ) 。不同的发光波长产生了不同颜色的光。若 能产生可见光( 波长在3 8 0 n m 紫光7 8 0 n m 红光) 。半导体材料的乓应在 3 2 乳1 6 3 e v 之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及 气 硕士学位论文 蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本价格很高，用相对较少。 某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2 2 所示。由 图可见，该发光管所发之光中某一波长的光强最大，该波长为峰值波长。 嚣 6 0 霎4 。 2 0 5 波长入( n m ) 图2 - 2 光谱分布和峰值波长 f i g 2 2s p e c t r u md i s t r i b u t i n ga n dt h ep e a kv a l u ew a v el e n g t h 发光管最重要的特性是伏安特性，也即电压与电流的关系。在正向电压正 小于某一值( 阈值) 时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流 随电压迅速增加，发光。由v i 曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及 反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流i r s i g n a li n t e g r i t y ，进入仿真环境，全 部的信号在a l ln e t s 栏里已被列出，选择想要进行仿真的信号，导入窗口 3 2 第三章硬件电路设计及信号完整性分析 s i m u l a t i o n ，然后在工具栏里选择合适的激励，定制仿真条件如时钟频率、 仿真时间等后就可以仿真。此处选择l e d g 信号。这是负责m c u 与f p g a 通信的一条信号。当通信正常时，信号驱动信号灯红色二极管闪烁。 图3 1 2 信号完整性分析界面 f i g 3 1 2s i g n a li n t e g r i t ya n a l y s i sw i n d o w 如上图，先不加任何优化措施，选择上边一栏的r e f l e c t i o ns i m u l a t i o n ， 也即反射仿真，则得到如下波形： 图3 1 3 反射仿真波形 f i 9 3 1 3r e f l e c t i o ns i m u l a t i o nw a v e 可以看出该信号的顶部及底部产生了噪声，有过冲的存在，不够平滑，过 分的下冲会引起假的时钟或数据错误，必须予以消除。采取匹配措施，在信号 源端加入4 7o m e 匹配电阻来抑制反射。则得到下列波形： 硕士学位论文 图3 1 4 匹配后的反射波形 f i g t h er e f l a c t i o nw a v ea f t e rt h em a t c h i n g 可以看出在信号源端加入一定阻值的串联电阻的确可以减小反射，有 利于降低过冲，增强了信号的完整性。 下面再选另外一条信号c p l ，它是驱动数据输出显示的同步时钟，也 具有相当的敏感性。在不采取信号优化措施的前提下，所得信号输出如下： 图3 1 5 信号输出波形 f i g 3 15s i g n a lo u t p u tw a v e 可以看到信号保持的基本很好，只是上升沿比较缓，而下降沿相对比较陡。 第三章硬件电路设计及信号完整性分析 这一次，我们采用在输出端并联去耦电容来消除信号延迟。电容值选择4 7 p f 。 信号输出波形如下： 图3 1 6 匹配后的输出波形 f i g 3 1 6t h eo u t p u tw a v ea f t e rm a t c h i n g 可以看出，加入并联电容后还是很有效果的。各项数据可以从右边的 窗口中获得，还可以将结果打印出来。除了可以看反射仿真，还可以进行 串扰仿真，另外还可以查看信号的频域的显示，如f f t 格式等。具体方法 与上述类似，在此不一一赘述。 3 5 本章小结 本章主要完成了对接收系统的硬件设计及对信号的完整性分析。首先 提出接收系统的总体功能框图，然后按照各功能要求对各功能模块进行原 理图设计，之后又进行p c b 设计。在最后对p c b 进行了信号完整性分析 及优化设计。 第四章f p g a 程序设计及算法实现 第四章f p g a 程序设计及算法实现 前面第三章已经介绍了系统的硬件设计，接下来的本章将介绍f p g a 的程 序设计及算法实现，按照功能模块实现各部分的设计功能。先让我们来看一下 f p g a 的总体功能设计框图： 4 1f p g a 的总体功能设计框图 图4 1f p g a 总体功能设计框图 f i g 4 1f p g a t o t a lf u n c t i o nd e s i g nf r a m ec h a n 接收卡f p g a 功能模块包括帧同步头及命令字解析模块，反y 校正模块， 数据缓存控制模块，数据存储控制模块，中央控制模块，显示驱动控制模块及 配置模块。帧同步头及命令字解析模块实现控制字和象素数据的同步接收以及 向下级联；反y 校正模块实现对视频数据的反y 校正，使数据格式显示效果符 合人的视觉要求；数据缓存控制模块实现显示数据的缓存，调节读写时序；数 据存储控制模块采用乒乓存储架构，形成数据处理流水，加快数据处理速度； 针对占空比控制亮度损失大的情况，在显示驱动控制模块中，提出了分场叠加 与占空比控制相结合的方法，降低了灰度控制对硬件频率的要求并能获得更高 硕士学位论文 的l e d 点亮效率，采用具有1 6 位共6 5 5 3 6 级灰度可选的恒流芯片m b l 5 0 3 6 ， 实现了高灰度级。最终实现了对以1 2 8 ( 2 5 6 为单体的大屏幕的控制，通过级联 可以实现更大显示。 4 2 数据帧同步头定位与命令字解析模块 4 2 1i e e e8 0 2 3 标准中g m i i 数据收发帧格式协议 i e e e 8 0 2 3 中对数据通过g m i i 接口传输的收发格式有详细的规定 2 6 1 。数据 流格式如下： 表4 - 1 数据流格式 t a b 4 1t h ef o r mo fd a t af l o w 就g m i i 而言，发送接收8 位宽数据的过程为串行传入m a c 的比特流，经 发送端e l 转换成为8 比特并行输出，到接收端为8 比特并行输入，之后转为串 行比特流。示意图如下： l s b 图4 - 2 串行传入m a c 的数据流约束格式 f i g 4 - 2r e l a t i o n s h i po fd a t ab u n d l e st om a cs e r i a lb i ts t r e a m d o 为最低位，d 7 为最高位。下面就各数据收发帧各部分做一说明： 帧间隙：是指在一帧数据已经发完而另一帧还没发出，数据总线上为空的 一种状态，帧间隙的长短由t x e r 、t x e n 、r x e r 及r x d v 决定。帧的发送 有帧突发及单帧发送模式，突发长度由命令控制字决定。在t x e n 或r x d v 无 效时，便进入了帧间隙。 帧前导：是一组最多至7 字节长的8 位无符号数组。收发有所不同。发送 第四章f p g a 程序设计及算法实现 端为“1 0 1 0 1 0 1 0 , 接收端为“0 1 0 1 0 1 0 1 ”，格式固定。 帧开始分界符：标志数据发送的开始，从该位之后便是发送的数据信息。 收发有所区别。发送端为“1 0 1 0 1 0 11 ”，接收端为“11 0 1 0 1 0 1 ”；帧开始分界符由 r x d v 上升沿触发。 表4 - 2 带前帧开始分界符的帧前导格式 t a b 4 - 2s t a r to fr e c e i v ew i t he n t i r ep r e a m b l ep r e c e d i n gs f d s i g n a l b i t v a l u e so fo c t e t sr e c e i v e dt h r o u g hg m i i i oxlll111l1d o i lx000o000od 1 r x d 2x1111ll lld 2 r x d 3xo000o000d 3 r x d 4x1ll11l11d 4 i 5x0o0oooo0d 5 i 6xllll1l1ld 6 r x d 7x0o0oo001d 7 r xd v0111111lll 数据信息：显示信息； 帧结束分界符：由t x e n 信号决定t x d 7 ：o 】的结束，r x d v 决定r x d 7 ： o 】的结束。帧结束分界符由r x d v 下降沿触发。 扩展位：协调下层信号，由t x e r 及r x e r 决定。扩展位并不是必须的。 4 2 2 模块功能 数据帧同步头定位与命令字解析模块完成的功能是有三个：首先是定位数 据帧同步头，确认数据帧已经开始发送；其次是对接收到的命令字解析。对于 接收到的命令字，要存储到一块3 2 b y t e 的r a m 里，同时传到下一级接收卡， 并且在传送过程中，对与接收卡序号相关的命令字进行运算，以获得对应显示 区域地址范围，这样来实现对显示区域的拼接；第三是为后续的中央控制模块 提供命令字，中央控制模块首先提出取命令字请求，并送入命令字地址，解帧 模块在下一时钟周期答复请求，并在时钟上升沿将所在地址的命令字送出。 数据帧同步头定位与命令字解析模块的功能结构图如图5 3 所示，各引脚功 能描述为：p 1 r x d v 、p o t x e n 分别为接收、发送数据有效位，当为1 时开始 接收、发送数据；p 1 r x c 、p o g t x c 为收发时钟，均为1 2 5 m h z ；r q 、w q 为 读写请求，r e 、w e 分别为读写使能；p 1 r x d 、p o t x d 、d o u t 为数据的输入 输出端；r a m a d d r 为命令字地址，r a m w o r d 为所取得的命令字。 硕士学位论文 图4 - 3 解帧模块功能框图 f i g 4 3f r a m ep a r s i n gm o d u l ef u n c t i o nf r a m ec h a r t 4 2 3 模块设计实现 在这里，按照状态机写法描述数据帧同步头定位与命令字解析模块的流程 ( 以发送1 0 2 4 x 1 2 8 0 像素的数据为例) 如下： 图4 4 帧解析模块流程图 f i g 4 4f r a m ep a r s i n gm o d u l ef l o wc h a r t 发送卡传过来的数据先经过网卡芯片r t l 8 2 1 2 ，之后通过p o 、p 1 两口共 1 6 路数据接口与f p g a 相连，p o 、p 1 两个口都为全双工，可同时做为发送或 接收口。按照数据传输协议，发送卡对场信号按行打包，每行( 按1 2 8 0 列算) 分三帧发送，每帧的帧同步头为七组“0 1 0 1 0 1 0 1 ”和紧跟的一组“11 0 1 0 1 0 1 ”。之 后便是3 2 b y t e 的控制命令字，里面包含着关于显示分辨率接收卡的序号及对应 第四章f p g a 程序设计及算法实现 显示区域等等一些信息。最后到来的才是要显示的数据信息。当显示数据到来 之时，数据有两处流向：一是先进行反y 变换，之后再送入f i f o ，等到合适的 时间后再按照时序写到s d r a m 里，二是直接流向下一级接收卡。具体工作流 程如下： 系统上电进入空闲状态i d l e ，以数据帧同步头定位与命令字解析模块扫描 网卡芯片r t l 8 2 1 2 的p o r _ x d v p 1 r x d v 信号，如果该信号为l 则标志着信号 接收使能，数据可以开始接收，进入状态0 。这里将数据开始的数据包包头定 义为连续的7 组“0 1 0 1 0 1 0 1 ”和l 组“11 0 1 0 1 0 1 ”。之后将8 b i t 一组的数据与数据 标识位“0 1 0 1 0 1 0 1 ”对比，如果相等，则内部计数器加一，否则计数器清零。依 次接收8 组帧头数据，当满足接收的数据为包头数据时，进入下一状态，也即 状态1 ，开始接收控制字。控制字这里定义为3 2 字节，里面包含显示屏起始位 置，红绿蓝各包信号数据，亮度信息，行列信号信息等。将这3 2 个控制字按地 址存储到f p g a 里一块3 2 8 的r a m 里面，以供后续步骤取用，同时又被处理 后发往下一接收卡。处理的是其中的地址信号，也即接收卡负责显示的区域信 息。当计数器数满3 2 时，标志着控制字接收完毕，进入状态2 开始接收显示数 据。在状态2 下，数据分两处流向：一是直接流向下一接收卡，二是流入f i f o 缓存。显卡发送的数据是按整行发送，将一行分成三个数据包，包含了全部1 2 4 8 列的信息，而接收卡所显示的只是其中一部分列的信息，比如1 2 8 x 2 5 6 ，因此数 据是全部发送，有选择地接收这样一种工作模式。以下是总体接收时序图： 图4 - 5 帧解析模块时序图 f i g 4 5f r a m ep a r s i n gm o d u l et i m eo r d e rc h a r t 硕士学位论文 4 3 反y 校正模块 4 3 1 模块功能 数据经解帧模块提取过命令字之后就进入反y 校正模块，实现数据位的非 线性校正扩充，为后续灰度级的提升提供数据源。数据经反y 运算，生成的校 正数据，以数据表的形式存储在可编程器件的r o m 中。不同y 值对应不同的 表，红绿蓝校正表格分开，便于各颜色数据分别校正。 模块功能如图4 5 所示，各引脚功能描述为：解帧模块提出写请求，反y 校正模块答复请求，在下一时钟周期上升沿数据被送到d i n l 口，查找到校正 数据后提出写请求，请求写入后续的数据缓存模块中，缓存模块答复，则校正 数据在下一上升沿被送出。c l k 提供输入1 2 5 m h z 时钟信号，r s t 提供复位信 号。 w e l 畦红管棱枣簧嗥奉0 i j w e 2 d i n l 7 ：0 3爹燃绿管校正数据奏jd o u t 2 1 5 ：0 1= t c l ki 蓝管校正数据表5r s t ；i 图4 - 6 反y 校正模块功能示意图 f i g 4 6a n t i - yc o r r e c t i o nm o d u l ef u n c t i o nc h a r t 4 3 2 反y 校正实现 系统采用了1 6 b i t 的y 校正，即把每种颜色色8 b i t 灰级信号，扩展为1 6 b i t 。 在最大亮度脉冲宽度不变的情况下，最小亮度脉宽从t 2 5 6 ，减d , nt 6 5 5 3 6 ， 可以获得准确的校正曲线，实现接近自然的灰级层次。第二章中讲到了实现反 y 校正的必要性，并给出了函数曲线，对照曲线就可计算出2 5 6 级灰度( o v i 接 口输出的各基色都是2 5 6 级灰度的) 中的各灰度值对应于反y 校正后映射到目标 6 5 5 3 6 级灰度下面的值。由此可得出一张表格，表中列出了不同灰度级之间各 灰度的映射关系，将此表存放于可编程逻辑器件的内嵌的存储器中，这样就可 通过查表的方法实现反y 校正。校正逻辑表中的内容是经多次c r t 反y 校正， l e dy 校正验算，并经实践修订的后结果。在不同亮度时，均采用这一表值。 4 l 第四章f p g a 程序设计及算法实现 如图5 5 中所示，从解帧模块端口持续输入1 2 5 m h z 的8 b i t 数据，每2 4 个 数据分为一组，查表转化为2 4 个1 6 b i t 数后，形成2 4 个1 6 b i t 数缓存入f i f o ， 存到设定的容量后在时序控制下读到s d r a m 。这样做是为了读一次s d t l a m 就可以同时获得8 个点的亮度数据。 4 4 数据缓存控制模块 4 4 1 模块功能 数据缓存控制模块实现的功能是：将从反y 校正模块过来的1 6 位数据进行 数据先入先出缓存，向中央控制模块提供空、满、a l m o s t f u l l 以及u s e d w o r d 等 信号。中央控制模块通过对数据缓存模块的空满信号及u s e d w o r d 信号进行判 断，产生相应控制指令及对应地址信息。最后在中央控制模块时序控制下，以 1 6 位数据写进s d t l e t m ，模块功能示意框图如下： w e 2 i 写指针。 i 双1 2 ，1 r a g 叠r一读指针 r e 3 d i n 2 1 5 ：0 1 产生器。c 。 d o u t 3 1 5 ：0 _ - f i f 00。产生器 a i $ t 0 s t f u l l 7 ，、。? 。 i 笠 _ _ 1 _ i ：| 弋7u s e d w o r d f u l l _ 0 ，：| 0 一、 v ，：0 7 j 。，- e m p t y r s t 一；：状态判断器。+ ，o j ：。io i _ ， 1 ”1 1 | 。，。j c l k 图4 7 数据缓存控制模块功能示意图 f i g 4 7t h ef r a m