基于SOPC的嵌入式TFT触摸屏显示系统的设1.doc

基于sopc的嵌入式tft触摸屏显示系统的设计与实现摘要：使用基于xilinx fpga的sopc嵌入式系统设计的方法，提出了基于sopc的嵌入式tft触摸屏显示系统设计思路，分析了系统的硬件构建以及软件系统设计的流程，在基于裸机编程测试通过后，给出了开源linux操作系统以及qtopia用户界面的移植的过程。结果表明系统稳定可靠，显示清晰，色彩丰富，达到了设计要求。关键词：sopc，tft触摸屏，嵌入式系统 1 引言可编程片上系统（system on a progammable chip，sopc）是一种新兴的嵌入式系统，它是片上系统（system on chip，soc）与fpga的完美结合，兼具soc高速处理的性能，又有其独特的软硬件均可定制的功能。xilinx的sopc解决方案有powerpc405硬核处理器和丰富的ip核资源，最高可工作于300mhz的时钟下，可完成具有较高要求的嵌入式系统。tft-lcd具有功耗低、轻巧便携、显示效果极佳等诸多优点，可作为良好的人机交互平台，已广泛的应用于各类嵌入式产品当中。在系统要求高速处理大量的实时数据，并显示实时情况时，单片机因其处理速度以及内存的大小就显得非常困难。又因tft的控制时序复杂，而带有控制器的显示屏的价格昂贵，所以本文提出了基于xilinx fpga的tft触摸屏显示的sopc解决方案，采用fpga定制tft-lcd的控制器。2 tft-lcd接口时序分析本文使用的是群创公司的at070tn83 a-si tft触摸屏，屏幕大小为7寸，分辨率800x3(rgb)x480，26万色，背光源为led，数字ttl电平接口，并配有7寸的触摸面板，没有自带控制器，因此需要根据其特性参数来设计tft-lcd控制器。2.1 行扫描时序at070tn83的行扫描时序如图1所示，显示一行的脉冲数thp为928,用于同步的脉宽thw为48，后肩thfp为40，前肩thfp为40，一行中真正用来显示数据的脉冲数thv为800。图1 行扫描时序图2.2 列扫描时序at070tn83的列扫描时序如图2所示，显示一列的脉冲数tvp为525，用于同步的脉宽tvw为3，后肩tvfp为29，前肩tvfp为13，一列中真正用来显示数据的脉冲数tw为480。图2 列扫描时序图at070tn83最大工作频率为50mhz，典型值是33.3mhz，本文采用它的典型值来设计tft-lcd控制器，需要使用dcm的clkfx来产生时钟，设计d为15，m为5，输入dcm的时钟为100mhz，则tft-lcd的工作时钟为： 公式1设f为刷新率，则有： 公式2 公式3 公式4由公式2得屏幕刷新率为： 公式5将mplb_clk = 100mhz、thp = 928、tvp = 525代入公式5得即当工作在33.3mhz时，设计得到at070tn83有68hz的刷新率，满足人眼分辨的要求。2.3 tft-lcd控制器从图3中可以看到tft-lcd控制器主要由plbv46总线接口、tft时序发生器、显示缓冲器和tft接口四部分组成，显示缓冲器使用一个1kx18bit的fpga片内双口ram用作先入先出（first in first out，fifo）缓冲输出，一次只缓存一列数据，因此此控制器支持最大的列数为1024，双口ram以块的形式操作，一块的大小为128byte，因此一次只更新128byte的数据，一个数据为32 bit，所以128byte的数据为32*32bit，则一列有800个数据，需要更新25次。双口ram的一端作为数据输入，工作于总线时钟100mhz，另一端作为数据输出，也就是送到tft-lcd触摸屏，工作于tft-lcd的时钟33.3mhz。系统工作时，处理器将一帧的数据写到处理器与tft-lcd控制器共享的内存空间，当缓冲器fifo中的数据已经全被送到tft-lcd显示时，即fifo为空时，将发送标致位给tft时序发生器，此时tft-lcd控制器将从共享空间中把本帧的下一列数据以3倍的数据输出速度读入fifo缓冲，这样设计的优势在于提高了处理器的工作效率，减少等待时间，同时可以防止tft-lcd发生“雪花现象”。图3 xps_tft控制器原理图3、基于sopc的嵌入式tft触摸屏显示系统的设计3.1系统硬件构建xilinx嵌入式开发套件（embedded development kit，edk）包含有xilinx 嵌入式sopc系统开发的完善的工具集，主要完成sopc硬件系统构建、软件开发和调试的工作，同时还可以在edk环境下设计并定制用户ip核。嵌入式tft触摸屏显示系统硬件结构如图4所示，在virtexii pro fpga芯片内部主要包括powerpc405硬核处理器、tft-lcd控制器、spi控制器、mpmc ddr内存控制器、systemace控制器、jtag和uart、blockram、dcm时钟管理ip核。系统以powerpc405处理器为核心，其他ip核通过plbv46总线与处理器连接在一起。在fpga芯片外部，主要有at070tn83 7寸tft触摸屏（电阻式触摸屏控制芯片ads7843）、ddr内存条（256mb、133mhz）、cf卡（2gb）。tft-lcd控制器为触摸屏显示提供时序信号，以及控制缓冲输出。spi控制器主要负责从ads7843电阻式触摸屏控制芯片中读取触摸屏的xy坐标信息。jtag和uart主要完成调试和与pc机通信，此外uart还映射为linux系统的控制台终端的操作命令输入和显示，系统脱机工作时，可使用触摸屏代替。片内blockram用于提供powerpc405硬核处理器boot启动的地址0xffffffff。dcm主要负责产生时钟，包括处理器工作时钟、plb总线时钟、tft-lcd控制器时钟。at070tn83 7寸tft触摸屏作为最终的显示图像文字信息的设备。ddr内存条作为系统软件运行的ram空间以及tft-lcd显示缓存空间。cf卡有两个功能，一是通过systemace器件配置fpga的硬件信息；二是作为linux系统运行的文件系统存放空间。需将其分为三个区，第一个分区建立fat文件系统，放生成的.ace配置文件；第二个分区格建立linux swap交换空间；第三分区建立ext2的文件系统，用以放置linux根文件系统（busybox）。系统硬件构建的流程包括，根据所使用的外设以及器件的特性，在edk10.1的环境下，采用bsb的方式添加所需的基本的ip核，包括powerpc405硬核处理器、mpmc ddr内存控制器、systemace控制器、jtag和uart、blockram等，构建一个基本的硬件系统。然后手动添加tft-lcd控制器和spi控制器等ip核，将它们连接至plbv46总线上，tft-lcd控制器与powerpc405共享部分ddr内存空间，作为显示缓存，tft-lcd控制器与mpmc ddr内存控制器通过新添加一条plbv46总线相连，以获取共享内存空间。添加外部引脚，锁定到fpga引脚上，用于连接相应的器件。设置完ip核的参数后，使用generate address分配各个ip核的基地址。最后使用generate bitstream生成带有硬件配置信息的.bit文件。此时可以在edk环境下建立一些裸机测试程序，如在tft-lcd上打印彩条的测试。设置software platform settings，在弹出的选项框中设置os为device-tree（确保你已经有支持bsp的device-tree的文件，并将device-tree的bsp文件夹放在正确的工程路径中，在linux环境下，使用git命令来获取 “git clone git://device-tree.git”）。选择os and libraries将console device设置成uart的名称，把bootargs的值由ttys0设置为console=ttyul0（如果uart使用xps uart16650的ip核时，使用ttys0，本文使用的是xps uart lite所以是ttyul0），将root=/dev/ram改为root=fd03（fd03是cf卡的第三个分区），添加init=linuxrc用于从根目录下的linuxrc启动文件系统。使用generate libraries and bsps在相应的目录下就会生成.dts的ip核描述文件，用于控制linux内核编译。图4 系统硬件结构框图3.2系统软件设计系统软件结构如图5所示，包括三个部分linux内核、根文件系统、qtopia-core及qt编写的应用程序。图5 系统软件结构框图3.2.1 linux内核移植在x86架构的主机上安装vmware虚拟机工具，建立linux centos操作系统，作为开发主机，交叉编译工具采用crosstool-0.43，在开发主机linux操作系统上编译生成powerpc-405-linux-gnu-的交叉编译工具链（gcc-3.4.5-glibc-2.3.6）。可以有几种办法得到linux内核包，本文采用上的linux-2.6-xlnx（在linux终端输入获取命令：git clone git://linux-2.6-xlnx.git， linux-2.6-xlnx内核包大概760mb）。linux-2.6-xlnx为争对xilinx fpga sopc平台开发的device tree，是一个开源项目，内核版本为linux-2.6.32，有增加xilinx各类ip核的驱动支持，这样可以节省很多开发时间，缩短开发周期。linux内核的移植包括了内核的板级移植、内核的裁剪以及用户ip核相应的内核驱动的编写等。本文使用的是digilent公司开发的xup-v2p(xilinx university program virtex-ii pro development system)开发平台，需要将edk环境下构建硬件生成的ip描述文件（.dts文件，本文为xilinx.dts）拷贝到arch/powerpc/boot/dts目录下，修改lcd的驱动函数，再用make menuconfig命令配置并裁剪内核，需要增加framebuffer、spi触摸屏控制器ads7843的支持、ext2文件系统支持、xilinx systemace 支持。内核配置裁剪完后，使用make命令生成内核镜像.elf文件。将此文件拷贝到edk开发环境下，与硬件配置文件.bit，通过使用edk shell合并生成ace的配置文件.ace文件，用于对fpga的硬件配置、系统的引导以及linux操作的系统内核的启动。3.2.2 busybox根文件系统移植文件系统指文件存在的物理空间，linux文件系统采用的是树型结构，最上层是根目录，其他的所有目录都是从根目录出发而生成的。根文件系统主要用于linux存放配置文件、软件工具、软件运行库文件以及其他文件等。本文采用busybox-1.13.3来制件根文件系统，busybox可以提供多种gnu工具集，虽然相比而言有所简化，但其实用，短小，稳定，满足嵌入式系统的要求。busybox的移植就是在开发主机上使用mkroofs工具编译制作目标板上linux的根文件系统的过程，同时做适当的裁剪。典型的busybox文件大小在动态链接的情况下是300 kb左右，静态链接为800 kb左右，可以控制在1mb以内。3.2.3 qtopia-core移植qtopia是由挪威trolltech公司，为采用嵌入式linux操作系统的消费电子设备而开发的综合应用平台,包含完整的应用层、灵活的用户操作界面（触摸屏支持）、窗口操作系统、应用程序启动程序以及二次开发的框架。本文所采用的qtopia-core-4.3.5是qt/embedded的最新版本。qtopia-core移植包括处理器架构的选择、参数的配置。本文使用的是tft触摸屏作为显示和输入设备，需要添加对触摸屏的支持。一种方法是利用qtopia-core为linux tp协议提供的鼠标驱动接口类，修改触摸屏驱动的源代码，并在执行configure配置时传递-qt-mouse-linuxtp选项激活；另一种方法是嵌入tslib。tslib是一个开源的程序，能够为触摸屏驱动获得的采样提供诸如滤波、去抖、校准等功能。将最终编译生成的静态运行库拷贝到文件系统的相应目录下。最后需要编写qt用户程序，交叉编译生成二进制文件。4、结果分析及功能实现本文设计的系统使用fpga为xilinx virtexii pro系列的xc2vp30芯片，使用资源如表1所示。处理器运行时钟为300mhz，plbv46总线时钟100mhz，tft控制器时钟33.3mhz。表1 fpga资源使用情况名称使用数总数使用率slice49441369636%lut42022739215%iob16755630%ppc4051250%ramb163013622%dcm3837%bufgmux71643%设计生成的硬件配置文件.bit为1.38mb，.elf内核文件为2.38mb，并且可以做到进一步的裁剪，由这.bit和.elf合并生成的.ace配置文件为13.7mb。busybox文件系统完整的静态库为19.4mb，qtopia-cor