（电路与系统专业论文）基于嵌入式linux的led视频显示控制系统的设计.pdf

东南大学学位论文独创性声渊f 燃螋 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 硇丝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 一繇啦翩虢讴述 摘要 摘要 l e d 显示屏是一种新型的信息显示媒体，它是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面 式显示屏幕，以发光效率高、使用寿命长、环境适应能力强、性价比高、组态灵活、色彩丰富等特 点，已成长为平板显示的主流产品，被广泛应用于金融、交通、体育、广告等诸多领域。l e d 显示 技术涵盖了微机控制、视频、光学、机械和数字图像处理等多种技术。本文介绍了一种基于嵌入式 系统和可编程逻辑器件的l e d 显示系统设计方案。 本系统的控制部分采用了f t ) g a + a r m 架构的嵌入式硬件平台。系统的l e d 显示屏扫描部分选 用可编程逻辑器件f p g a 来实现。可编程逻辑系统具有高集成度、高速度、高可靠性、在线编程等 优点，适合用于实现显示屏的扫描驱动。a r m 芯片采用先进的r i s c 体系架构，配以一定容量的 s r a m ，使得指令执行速度比普通单片机高一个数量级，采用s d r a m 作为系统内存提高运行速度， 提供多种外设接口增强系统应用的灵活性。嵌入式操作系统l i n u x 的使用，可以更有效的管理系统 资源的分配，通过其高效的调度算法，使得整个系统的软件设计可以采用多任务的方式来实现，极 大的提高了系统的运行速度和可靠性。嵌入式系统可以在运行速度、存储容量、通讯方式和单任务 程序低效性等方面很好的提高系统的性能。 本文首先介绍了嵌入式平台的主要硬件电路设计，主要包括存储器模块、以太网通信模块、串 口、u s b 、s d 卡接口电路和l e d 扫描模块。然后详细的介绍了f p g a 视频处理平台的程序设计， 接着，讨论了嵌入式l i n u x 操作系统在a r m 微处理器上的移植过程以及文件系统的制作。还介绍 了嵌入式l i n u x 下以太网驱动程序和l c d 显示驱动程序的设计和视频播放功能的实现。最后，针对 整个系统设计进行了分析和总结，并提出了相应的改进方法。 关键词：a r m ，嵌入式系统，l e d 显示屏，l i n u x ，f p g a , $ 3 c 2 4 4 0 a 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t l e dd i s p l a yp a n e li san e wt y p eo fam e d i at os h o wi n f o r m a t i o n i tc o n s i s t so ft h em a m xo fl i g h t e m i t t i n gd i o d e so rp i x e lu n i t s d u et ot h e f e a t u r eo fh i 【g he f f i c i e n c yo fl u m i n o s i t y , l o n gl i f e ，h i g h p e r f o r m a n c ec o s tr a t i o ，s t r u c t u r a lf l e x i b i l i t y , c o l o rt o l e r a n c et h el e dp a n e li sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ， s u c ha sa sf i n a n c e ，t r a f f i c ，s p o r t s ，a d v e r t i s e m e n ta n ds oo n t h et e c h n o l o g yo fl e dd i s p l a yi n c l u d e so f k n o w l e d g eo fm i c r o c o m p u t e rc o n t r o l ，v i d e o ，o p t i c s ，m e c h a n i c sa n dd i g i t a li m a g ep r o c e s s t os o l v et h e p r o b l e mo fc u r r e n tl e dd i s p l a yc o n t r o ls y s t e mi nd a t at r a n s m i s s i o na n dd i s p l a yt h ep a p e ri n t r o d u c e sa s o l u t i o nb a s e de m b e d d e ds y s t e ma n dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e t b ea d v a n c e de m b e d d e dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h ed e s i g no fl e dc o n t r o ls y s t e m o u r l e dd i s p l a yc o n t r o ls y s t e mu s ef p g aa n da r mt oe s t a b l i s he m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r m t h el e d d i s p l a yp a n e ls c a n n i n gp a r ti no u rs y s t e mi sd e s i g n e du p o nf p g a d u et ot h ea d v a n t a g eo fh i g hi n t e g r a t y , h i g hs p e e d ，h i g hr e l i a b i l i t ya n di s pf p g ai sag o o dc h o i c ef o rs c a n n i n gd r i v e rc i r c u i t t h ea r mc h i pw i t h s r a mp r o c e s s e sf a s t e rt h a nt h er e g u l a rm i c r o c o m p u t e r s d r a ma s t h es y s t e mm e m o r yi r e p r o v e st h e p e r f o r m a n c e b e s i d e s ，i tp r o v i d e sm a n yt y p e so fp e r i p h e r a li n t e r f a c ew h i c hi n c r e a s e st h ef l e x i b i l i t yo ft h e s y s t e m a n dt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mc a l lm a n a g et h es y s t e mr e s o u r c em o r ee f f i c i e n c y , s ot h e r u n n i n gs p e e da n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mc a n b eh i g h l yi m p r o v e d t h cp a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ee m b e d d e ds y s t e mw h i c hc o n s i s t so fm e m o r y i n t e r f a c e ，e t h e m e ti n t e r f a c e ，s e r i a lc o m m ，u s b ，s dc a r di n t e r f a c ea n dl e ds c a n n i n gc o n t r o lc i r c u i t t h e n i ta n a l y s et h ep r o g r a mo ff p g a b e s i d e s ，t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h ei m p l a n t a t i o no fe m b e d d e dl i n u xa n dt h e d e s i g no ff i l e s y s t e m t h ed r i v e ro fe t h e m e ta n dl c dd i s p l a ya r ea l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r n e r e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o no fd i s p l a y i n gv i d e oi sd e m o n s t r a t e d f i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y s e sa n ds u m m a r i z e s t h ew h o l es y s t e ma n dp r o p o s e ss o m ee n h a n c e m e n tt ot h es y s t e m k e y w o r d ：a r m ，e m b e d d e ds y s t e m , l e dd i s p l a yp a n e l ，l i n u x ，f p g 八$ 3 c 2 4 4 0 a 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目录i i i 第一章绪论l 1 1l e d 显示屏的应用及发展l 1 2 嵌入式系统概述l 1 3 课题研究目的及主要内容2 第二章l e d 显示屏工作原理5 2 1 屏体的构成5 2 2 动态扫描方式5 2 3 灰度等级实现方法6 2 4 子场法实现灰度等级7 第三章系统硬件设计9 3 1 系统需求分析9 3 2 系统整体结构9 3 3 嵌入式硬件主要功能模块介绍l o 3 3 1 嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 介绍一l o 3 3 2 存储器模块1 1 3 3 3 以太网通信模块1 3 3 3 4 串口、u s b 、s d 卡接口模块1 6 3 3 5l e d 扫描模块1 7 3 3 6 电源模块一2 4 第四章视频显示控制系统的逻辑实现2 7 4 1 总体概述一2 7 4 2d a t a l n p u t 功能模块。2 8 4 3s w i t c h 功能模块一3 l 4 4d a t a o u t p u t 功能模块一3 2 4 5s c u m 功能模块3 5 4 6f p g a 程序的调试步骤3 6 第五章嵌入式系统的构建3 9 5 1 构建嵌入式l i n u x 概述4 0 5 2b o o t l o a d e r 的实现一4 0 5 3l i n u x 内核的移植4 4 5 4l i n u x 设备驱动5 0 5 4 1l i n u x 设备驱动概述5 0 5 4 2c s 8 9 0 0 a 驱动的实现j 5 2 5 4 3l c d 显示驱动的实现5 3 5 5 文件系统的建立5 4 5 6l i n u x 应用程序的移植5 8 5 6 1m p l a y e r 的移植5 8 5 6 2v s i t p 的移植6 0 第六章结束语6 3 致谢6 5 i i i 东南大学硕士学位论文 参考文献6 7 在攻读硕士学位期间发表的论文6 9 附录7 1 i v 第一章绪论 1 1l e d 显示屏的应用及发展 第一章绪论 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，发光二极管) 作为一种半导体显示器件是在二十世纪六十年代末才发 展起来的。七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和p n 结形成技术的研究进展，发 光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。进入八十年代后，l e d 在 发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即l e d 显示屏，成为新型信息显示媒 体，它凭借亮度高、功耗小、视角广、故障率低、组合灵活、使用寿命长、显示内容多样、显示方 式丰富等优点，在短短十几年中已迅速成长为平板显示的主流产晶，在信息显示领域得到了广泛的 应用。l e d 自身的优点推动l e d 大屏幕发展并形成一种产业，l e d 显示屏的最大特点是不受面积 的限制，可以达到几十甚至几百平方米以上，应用于室内外各种公共场所显示文字、图形、动画、 视频图像等各种信息。目前世界最大l e d 显示屏坐落在中国苏州圆融时代广场。这座5 0 0 米长、3 2 米宽的巨型l e d 天幕，取代了美国赌城拉斯维加斯的4 0 0 米“天幕”而成为世界第一。整个“天幕” 由2 0 0 0 多万只超高亮度的l e d 灯组成，耗资数亿元i l j 。 现代信息社会中，作为人机视觉传播媒体的显示产品得到了迅速发展，2 1 世纪将是平板显示的 时代，l e d 显示屏作为平板显示的主要产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为2 1 世纪大屏 幕平板显示的代表性主流产品l z j 。 1 高亮度、全彩化 蓝色及绿色超高亮度l e d 产品出现以来，成本逐年快速降低，使全彩色l e d 显示屏产品成本 下降，推广速度加快。同时，随着控制技术的发展和l e d 显示屏体稳定性的提高，使全彩色l e d 显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求， 而且图像更清晰、更细腻、更亮丽。 2 标准化、规范化 ： 材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，l e d 显示屏的标准化和规范化将成为l e d 显 示屏发展的一个新趋势。综观近几年业内的发展，市场竞争在传统产品条件下是以价格作为主要的 竞争手段，几番价格回落调整达到基本均衡，产品质量，系统的可靠性等将成为主要的竞争因素， 这就对l e d 显示屏的标准化和规范化有了较高要求，业内一些骨干企业已开始实施i s 0 9 0 0 0 系列 标准。行业规范和标准体系的形成，对产品的检测有了相对统一的认识和评判依据，生产条件差、 技术性不强、售后服务体系不完善的企业将会被市场所淘汰，预计今后几年内一批小规模l e d 显示 屏厂商会逐步淡出，行业的发展趋于有序。 3 产品结构多样化 信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，l e d 显示屏的应用前景更为广阔。预计大型或超大型 l e d 显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型l e d 显示屏 会有较大提高，面向信息服务领域的l e d 显示屏的产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场 需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需 求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统l e d 显示屏在l e d 显示屏市场总量中将会占有 多数份额。 1 2 嵌入式系统概述 随着计算机技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分，所谓嵌入式系统， l 东南大学硕士学位论文 就是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。近年来，随着芯片制造技术、通信技术和网络技 术等快速发展，嵌入式系统诸多方面也有突飞猛进的发展，新的软硬件技术层出不穷，使得利用嵌 入式技术开发的产品成本不断降低，为嵌入式系统的应用创造了有利的条件【3 1 。 一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可以分成四个部分：嵌入式处理器、嵌入式外围设备、 嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器 与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将 通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化， 同时还具有很高的效率和可靠性。 1 3 课题研究目的及主要内容 当前l e d 显示屏应用领域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面，具有广阔的市 场空间和良好的发展前景。我国l e d 显示屏的发展基本上与世界水平同步，至今已经形成了一个具 有相当发展潜力的产业。 对于l e d 显示屏来说，l e d 显示屏控制系统是其核心部件，其技术水平、性能指标的高低直 接影响l e d 显示屏运行的稳定性及显示画质的效果，所以l e d 控制系统是l e d 显示屏中技术含量 最高、研制难度最大的部分。目前，市场上普遍采用的l e d 控制系统大致可以分为两类，一类是采 用8b i t 或1 6b i t 的微处理器做为控制核心，其运算速度，内存容量，存储空间和通讯方式等方面存在 着很大的局限性，很难实现高难度图文动态特技显示和灰度显示等在信息容量和处理速度上要求很 高的显示技术。另一类是采用台式p c 加视频控制卡的形式，这种方式虽然可以满足l e d 显示屏在 复杂视频显示上的需求，但由于台式p c 和远距离高速数据传输的采用使整个系统的成本增加，安 装维护不便，稳定性也打了折扣。 随着市场需求的发展，人们对于l e d 显示屏的开发也提出了一些新的要求： 1 产品的开发生产快，能迅速占领市场。 2 产品安装维护方便，能够更好的满足客户需要。 3 产品成本低、性价比高。 为了满足市场新的需求，本文设计了基于嵌入式l i n u x 的l e d 视频显示控制系统。该系统在较 小的p c b 面积上集成了高性能a r m 9 和f p g a 芯片，能够实现最大分辨率为6 4 0 * 4 8 0 的实时全彩 色视频显示，该控制系统体积小，功耗低可直接整合进显示屏内部，安装维护灵活方便。由于嵌入 式l i n u x 的采用，系统支持从u 盘或s d 卡读取视频，图片等数据文件，也支持1 0 0 m 以太网数据 传输，能够很好的满足客户需求。以高性能a r m 9 替换p c 做为视频源，价格低廉，稳定性高，具 有较强的市场竞争能力。 该系统主要包括视频信号产生模块和l e d 时序扫描模块。视频信号产生模块由a r m 9 微处理 器+ l i n u x 操作系统组成，主要实现视频的播放以及l c d 视频时序的生成。f p g a 则用于将l c d 时 序转换为相应l e d 扫描时序，控制l e d 屏显示视频。 本文主要包括以下几个方面的内容： 1 l e d 显示屏结构介绍； 2 根据系统总体方案进行基于3 2 位a r m 微处理器的大屏幕l e d 显示系统控制器的硬件设计，主 要包括：a r m 微处理器的系统配置及相关的接口电路的设计；a r m 微处理器和s d 卡和u s b 的接口电 路设计；基于可编程逻辑器件的l e d 显示屏动态扫描电路的设计；系统的网络通信的设计；a r m 与f p g a 的接口设计； 3 f p g a 编程实现与a r m 的通信以及扫描时序的输出： 4 构建嵌入式系统。主要包括u - b o o t 、l i n u x 操作系统的移植及根文件系统的制作，驱动程序的实 现； 2 第一章绪论 5 应用程序的设计，实现视频的播放； 第二章l e d 显示屏工作原理 2 1 屏体的构成 第二章l e d 显示屏工作原理 显示屏体由大量的l e d 阵列和驱动电路组成，大型的显示屏是由功能相对对立的模块拼接组成 的，如图2 1 所示。 图2 1l e d 显示屏体构成 我国电子行业标准 爿s 胛1 11 4 1 2 0 0 3 ) 对屏幕的组成做了明确地描述： 1 l e d 显示屏是通过一定的控制方式，用于显示文字、文本、图形、图像、动画、行情等各种信息， 以及电视、录像信号并由l e d 器件阵列组成的显示屏幕； 2 像素是l e d 显示屏的最小成像单元； 3 显示模块是由若干个像素组成的，结构上对立的组成l e d 显示屏的最小单元； 4 显示模组是电路及安装结构确定的并具有显示功能的组成l e d 显示屏的独立单元。0 5 全彩色l e d 显示屏：由红、绿、蓝三基色l e d 器件组成并可调出多种色彩的l e d 显示屏。 2 2 动态扫描方式 由上文分析可知，组成l e d 显示屏的最小单元是显示模块。将采用动态扫描方式的屏体，称之 为动态扫描屏，将组成动态扫描屏的最小单元，称之为显示驱动单元。动态扫描屏是若干个显示驱 动模块构成的，每个显示驱动模块具有标准的尺寸，串行接口，可以级联f 4 1 。显示驱动模块已经按 照不同的线数( 即是行数) 进行了分类，模块将若干行l e d 组成一组，一般情况下，分为1 6 线屏体、 8 线屏体和4 线屏体。模块按照基色的数量可分为单基色、双基色、三基色，其中三基色驱动模块为 设计全彩色l e d 显示屏提供了准备条件p j 。以1 6 线屏体为例，说明动态扫描方式的工作流程。 l e d 显示屏中单个驱动模块电路如图2 2 所示。图中采用动态扫描方式，每行有一个行驱动器， 各行的同名列共用一个列驱动器。工作时，首先利用行信号串行时钟c l k 将第一行要显示的数据逐 行移入7 4 h c 5 9 5 中，当整行数据全部移入后，产生的数据锁存信号s t r 将数据由7 4 h c 5 9 5 后台移入前 台锁存，同时对锁存信号s t r 进行计数译码产生第一行有效信号，使第一行的p n p 管导通，即第一行 的l e d 正端全部接到高电平，由于在7 4 h c 5 9 5 中锁存数据将使对应的列驱动三极管导通或截止，所 以第一行l e d 的亮暗将由移入的数据决定；在第一行l e d 管有效期间，移位时钟移入第二行要显示 的数据，全部移入后，进行数据锁存并由计数译码电路产生第二行有效信号，显示第二行数据：如 5 东南大学硕士学位论文 此往复，当移位时钟足够快使整屏的扫描频率大于某一值的时候。就可以显示一幅完整的图像了。 只要能保证一个扫描周期不高于1 6 0 秒，利用人眼的视觉残留，就不容易感觉出闪烁现象。 图2 2l e d 显示屏屏体驱动电路 对图2 2 中的信号说明： c l k ：为串行时钟，上升或下降沿将数据锁存入驱动模块中的串行寄存器中： a 、b 、c 、d ：为行选信号，决定每组1 6 行中的哪一行点亮，其他行熄灭。0 0 0 0 对应于第一行 点亮，0 0 0 1 对应于第2 行等等： d a t a ：为数据输入，对应于三种基色( 红、绿、蓝) 的数据； s t r ：数据锁存信号，上升沿将串行数据锁存入并行寄存器，同时屏体显示更新： r e s ：消影信号，有效时屏体点亮，无效时屏体熄灭，在数据转换时。消影信号可以很好地消 除“鬼影”现象，同时此信号对灰度的实现也非常有用。 图2 2 中，7 4 h c 5 9 5 组成了列驱动电路，7 4 h c 5 9 5 具有串行输入并行输出的功能，内部有两组寄 存器，分别用来存储串行和并行数据，可以有效解决数据串行传输和数据显示在时间上的矛盾问题， 即采用重叠处理的方法，在显示本行各列数据的同时、准备下一行的数据。a b c d 行选通过译码器 来实现。模块的使能端接到了译码器的使能端，无效时，所有行管都截止，屏体l e d 熄灭。c l k 是 移位时钟，数据在时钟的控制下移位进入7 4 h c 5 9 5 ，当全行数据移到位之后，在锁存信号s t r 的控 制下由7 4 h c 5 9 5 的后台移入前台锁存。r e s 是消影信号，这个信号对灰度的实现非常有用，详细实现 过程在下一节中进行阐述。 2 3 灰度等级实现方法 在一定的显示重复扫描频率下，l e d 器件的亮度还可以由发光时间( 即脉冲宽度) k 与扫描周期 珀勺比乙殁占空比) 进行控制，如图2 3 所示。用脉冲宽度调节l e d 的亮度，是发光能量与人眼暂留作 用两者相结合的产物。在相同的l e d 正向电流作用下，乙越长发光能量越大，只要周期性扫描的速度 足够快的话，人眼发觉不到一个周期内不发光的部分( 即无闪烁现象) ，只是感觉l e d 的亮度更高1 8 j 。 调节脉冲宽度就是调节发光时间长度。在数字电路中，对时间的控制是不困难的，其实质不外乎脉 冲计数。下面来讨论脉冲宽度控制方案及具体实现。在屏体电路采用如图2 2 所示的结构基本不变的 情况下，对于实现2 5 6 级灰度而言，在扫描显示过程中，每次传输和显示的只是8 b i t s ( d 7 0 0 ) 灰度 级的某一列数据的i b i t ，这样传输并显示8 次，且每次显示的时间分别为l t ，2 t ，4 t ，s t ，1 6 , 3 2 n 6 4 t ，1 2 8 t ( 扛一帧的时间2 5 5 ) ，就可以反映出8 b i t s 的灰度级来了，且l e d 显示屏的点亮效率可以 达到约1 0 0 t 9 1 。但显示屏的工作情况是一行的显示时间与下一行的数据传输时间是重叠的，如果最 低位显示时间是l 兀想在这么短的时间传输6 4 0 列数据，若设l e d 显示屏的扫描频率为6 0 h z ，则系统 6 第二章l e d 显示屏工作原理 移位时钟频率= 6 0 x 2 5 5 1 6 x 6 4 0 1 5 7 m h z ，这么高的移位时钟是很难实现的。 1 乙 一 图2 3 占空比发光时间与扫描周期 2 4 子场法实现灰度等级 在显示屏中灰度级或者说灰度显示的能力是至关重要的。不同灰度的三基色可以混合出各种颜 色，实现彩色显示。画图有了灰度，才有层次感和立体感。驱动脉冲宽度控制法l e d 显示屏的点亮 效率虽然可以达到约1 0 0 ，但系统移位时钟频率要求太高，使其应用受到限制，需要改进。子场 法是驱动脉冲宽度控制法的一种改进方式，此方法把一帧画面分成若干个子场，每个子场的周期相 同。所谓的子场周期就是显示一级灰度权重图像需要的最短时间【lo j 。文中所提到的灰度权重图像是 指各灰度数据位所对应的图像，以2 5 6 级灰度图像为例，灰度数据位为8 位，灰度权重就有8 级， 第i 级灰度权重图像对应灰度数据中的第f 位。 首先给出消影信号和锁存信号的概念。所谓的锁存信号( 即s t r 信号) ，就是l e d 显示屏的上 屏锁存信号，当一行数据发送完毕后，s t r 会产生一次有效信号将这行数据信息显示到屏体上。消 隐信号( 即r e s 信号) ，就是指控制l e d 管开关状态的信号，当r e s 信号为有效信号时，l e d 管 处于打开状态，管子发光：当r e s 信号为无效信号时，l e d 管处于关闭状态，管子熄灭。消隐信 号的功能一般通过控制行选芯片的使能端来实现。可以控制锁存信号和消影信号，让l e d 管在某个 显示周期内只有部分的时间在工作，从而控制发光二极管的亮度，以达到实现灰度等级的目的。 屏体在实现灰度时，各灰度权重之间的点亮时间不同。以2 5 6 级灰度实现为例，屏体各灰度权 重的点亮时间能按l ：2 ：4 ：8 ：1 6 ：3 2 ：6 4 ：1 2 8 的时间比例，来实现2 5 6 级灰度显示l 】。如果只用s t r 信号+ 实现灰度，并假设扫描第一级灰度权重图像的时间为l ，那么扫描所有级灰度权重的时间就是 l + 2 + 4 + + 1 2 8 = 2 5 5 。设显示屏的场频为r ，则扫描一帧数据的时间为1 7 , ，那么扫描第一级灰度权 重图像的时间就为1 ( 2 5 5 f 0 。屏体的扫描方式与屏体的固有特性有关，s 线屏体只能采用1 s 扫描 方式，常用的屏体为4 线屏体、8 线屏体和1 6 线屏体。如果屏体为s 线屏体，那么第一级灰度权重 一线图像的扫描时间只能控制在1 ( 2 5 5 x r s ) 时间内，而数据移位时钟可能超过缸，所以在灰度实 现时，还应该考虑到消影信号的作用。系统按高低灰度级两部分来实现灰度等级。在实现低灰度级 时，保持概不变的情况下通过增加t r e s 来延长l e d 的等效点亮时间；在实现高灰度级时，保持 r e s 为有效信号的情况下通过增加i s - r g 来延长l e d 的等效点亮时间。例如在s t r 信号的点亮时间 比为1 ：1 ：1 ：l ：l ：2 ：4 ：8 的基础1 z ，扫描第一级灰度权重图像时调整妇为t s r r 1 6 ，扫描第二级灰度权重 图像时调整t r i e s 为t s r n 8 ，扫描第三级灰度权重图像时调整t r e s 为t s r d 4 ，扫描第四级灰度权重图像 时调整i r s 为t s r d 2 ，第五级灰度权重以后r e s 信号始终保持有效。所以，t p e s 按照 ( 1 1 6 ) ：( 1 8 ) ：( i 4 ) ：( 1 2 ) ：1 ：2 ：4 ：8 的时间比例有效，此方法同样可以实现2 5 6 级灰度，而此时扫描一帧图 像的时间变为l + l + l + l + l + 2 + 4 + 8 = 1 9 ，因此只要在l ( 1 9 x f v x s ) 时间内完成第一级灰度权重一线图像 的扫描就可以了1 4 。但设计中l e d 显示屏的亮度却降低了，这种方法是以牺牲l e d 驱动模块的亮 度为代价换取了移位时钟频率的大幅降低，有利于高分辨率大屏体的灰度显示实现。在本设计中正 是采用这种方法来实现灰度等级的。 7 东南大学硕士学位论文 。! ； 8 第j 章系统硬件设计 3 1 系统需求分析 第三章系统硬件设计 该系统为l e d 视频显示控制系统，需要满足以下需求 l 嵌入式处理器能够通过网络、u s b 、s d 卡接口接收视频数据； 2 嵌入式处理器能够流畅的播放视频，进而产生l c d 驱动时序； 3f p g a 实现l e d 扫描算法，保证l e d 显示屏能逼真的重现彩色画面。 4 在保证性能的基础上使整个系统体积小，功耗低，成本低，稳定可靠。 3 2 系统整体结构 通过分析系统需求，决定采用内置l c d 控制器的高性能a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 4 0 和c y c l o n e 系列 f p g a 来搭建硬件电路。其中$ 3 c 2 4 4 0 在市场中得到大量应用，具有4 0 0 m h z 的时钟频率，搭载嵌 入式l i n u x 系统，可以满足系统对媒体播放的需求，并且内置l c d 控制器，方便和f p g a 对接完成 视频数据传输。 图3 1 系统整体结构 如图3 1 所示，系统由s 3 c 2 4 4 0 a 内置的l c d 控制器产生l c d 时序( 2 4 位，r ，g ，b 各8 位， v s y n c ，h s y n c ，d e ) ，再经过f p g a 采样，处理后，产生l e d 的扫描时序。 为减少硬件平台的体积和成本，本系统采用核心板和扩展板的结构形式。核心板设计为最小系 统电路，包括电源、晶振、复位电路、$ 3 c 2 4 4 0 a 芯片、存储系统。存储系统包括一片6 4 m b y t e 的 b a n t ) f l a s h 和两片3 2 mb y t e 的s d r a m ( 共6 4 m b ) ：扩展板上主要集成了以太网通信模块( 包括 网络控制芯片c s 8 9 0 0 和网络接口) 、u s b 模块( u s b 主机) 、串口模块、l e d 扫描模块( 包括f p g a 和两组乒乓工作的s r a m ) 。以下对该系统的主要模块作分析和说明。 9 东南大学硕士学位论文 3 3 嵌入式硬件主要功能模块介绍 3 3 1 嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 介绍 三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a ，为一般类型应用提供了低价格、低功耗、 高性能小型微控制器的解决方案。 $ 3 c 2 4 4 0 a 的杰出特点是其核心处理器( c p u ) ，是一个由a d v a n c e d 砒s cm a c h i n e s 有限公司设 计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t 的r i s c 处理器。瓜m 9 2 0 t 实现了m m u ，a m b a ，b u s 和h a r v a r d 高速 缓冲体系结构。这一结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 。每个都是由具有8 字 长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，s 3 c 2 4 4 0 a 减少系统成本和无需配置额外的组件 1 1 2 。基本性能： 1 2 v 内核供电，1 8 v 2 5 v 3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i ，o 供电，具备1 6 k b l - c a c h e 1 6 k b d - c a c h e 倍心仉7 微处理器。 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) 。 l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 色t f t ) 提供1 通道l c d 专用d m a 。 4 通道d m a 并有外部请求引脚。 3 通道u a r t ( i f d a l 0 ，6 4 字节t xf i f o ，和“字节r xf i f o ) 。 2 通道s p i 。 l 通道i i c b u s 接口( 多主支持) 。 l 通道i i s b u s 音频编码器接口。 a c 9 7 解码器接口。 兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 l 兼容版。 2 端口u s b 主栅l 端口u s b 设备( 1 1 版) 。 4 通道p w m 定时器l 通道内部定时器看门狗定时器。 8 通道l o 比特a 工) c 和触摸接口。 具有日历功能的r t c 。 相机接口( 最大4 0 9 6 x 4 0 9 6 象素输入支持。2 0 4 8 x 2 0 4 8 象素输入，支持缩放) 。 1 3 0 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源。 具有普通，慢速，空闲和掉电模式。 具有p l l 片上时钟发生器。 下图为s 3 c 2 4 4 0 a 的内部资源： 1 0 第二章系统硬件设计 3 3 2 存储器模块 图3 2s 3 c 2 4 4 0 a 内部结构 系统的存储器主要分为两部分。首先是系统的内存，作为程序的运行空间、临时数据的存储， 是系统的核心之一。目前外存通常由s d r a m 构成，因其具有功耗小、容量大、成本低、集成度高 等优点。除s d r a m 外，程序还必须固化在本系统中，通常采用可直接在系统进行读写的非易失性 存储芯片f l a s h 。f l a s h 闪存有两种，一种是n a n df l a s h ，另一种是n o rf l a s h 。目前，n o rf l a s h 价格很高，而n a n df l a s h 和s d r a m 相对经济，这就促使在n a n df l a s h 上执行启动代码，在 s d r a m 上执行主程序。$ 3 c 2 4 4 0 a 的启动代码能够在外部n a n df l a s h 存储器上执行。为了支持 n a n df l a s h 的b o o tl o a d e r ，$ 3 c 2 4 4 0 a 配备了一个内部的s r a m 缓冲器名为“s t e p p i n g s t o n e ”。 启动时，n a n df l a s h 上的前4 k b y t e 字节被装载到s t e p p i n g s t o n e 上，并且装载到s t e p p i n g s t o n e 上的 启动代码会被执行。一般情况下，启动代码会拷贝n a n df l a s h 上的内容到s d r a m 。使用硬件e c c ， n a n df i a s h 的数据被检查。在完成拷贝的基础上，主程序在s d r a m 上被执行。因此，本设计 中采用n 砧囝f l a s h 。 s 3 c 2 4 4 0 a 内部集成了存储器控制器和n a n df l a s h 控制器，大大简化了存储其接口电路的设 计。 1 s d r a m 存储器接口电路 本系统选用两片现代公司( h 蛆x ) 的1 6 位数据总线、容量为2 5 6 m 位的s d r a m 芯片 东南大学硕上学位论文 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 。两片s d r a m 共计6 4 m 字节， 数据总线的吞吐能力发挥到最大。 采用拼接数据总线的方式实现3 2 位的总线宽度，将 t ， h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的工作电压为3 3 v ，存储容量为4 组x 4 m x1 6 b i t ( 3 2 m 字节) 1 6 位数据位宽。 将两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 作为一个整体配置到存储器控制器b a i l l ( 6 ( 起始地址为0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 0 ) ，即将 $ 3 c 2 4 4 0 a 的n s c s 0 ( n g c s 6 ) 接至两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的c s 端。图3 3 为两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 构建 的3 2 位s d r a m 存储器接口原理图： 图3 3s d r a m 接口电路 2 n a n df l a s h 存储器接口电路 本设计采用三星公司的k 9 f