引言

　　目前，LED大屏幕顯示系統(tǒng)按數(shù)據(jù)傳輸方式分為兩類：一是同步實時顯示,，即計算機顯示系統(tǒng)的內(nèi)容同時在LED視頻顯示屏上顯示；二是異步通信更新數(shù)據(jù)顯示,，計算機通過USB,、通用串行接口、以太網(wǎng)等通信方式將數(shù)據(jù)傳送給獨立視頻源顯示屏。通常,，異步通信控制方式只能將屏幕作為一個完整的區(qū)域顯示,，對于較大屏幕的顯示系統(tǒng)，有時需要將整屏分為若干個窗口分別顯示不同的內(nèi)容,，且內(nèi)容的更新只是某一個或幾個窗口,。針對這種情況，本文提出了一種基于NiosII32位處理器的設(shè)計方案,，能有效地實現(xiàn)單屏幕多窗口的任意位置顯示,，使得顯示方式更加靈活方便。

　　1　系統(tǒng)總體設(shè)計

　　1.1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　LED顯示系統(tǒng)主要由計算機系統(tǒng),、數(shù)據(jù)通信傳輸模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊、掃描控制模塊,、顯示驅(qū)動模塊和LED屏構(gòu)成,，如圖1所示。計算機系統(tǒng)將要顯示的點陣信息通過RS485串行接口送往存儲設(shè)備,，數(shù)據(jù)處理模塊讀取存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)并進行各種特技顯示處理,，將處理好的數(shù)據(jù)送往掃描控制模塊，顯示驅(qū)動模塊接收到掃描控制模塊的數(shù)據(jù)后送往LED屏上顯示,。數(shù)據(jù)通信傳輸模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊、掃描控制模塊3部分均在FPGA上實現(xiàn),，即構(gòu)成LED異步控制器,。

　　1.2　系統(tǒng)軟件方案

　　軟件基于NiosIIIDE開發(fā)完成，應(yīng)用程序基于μC/OS2II實時操作系統(tǒng)實現(xiàn),。軟件程序主要由2個任務(wù)和1個定時器中斷服務(wù)程序組成,，任務(wù)間采用信號量的方式進行通信。任務(wù)1將上位機傳送到CF卡存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中,；任務(wù)2從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并進行分析處理,，把分析處理完的數(shù)據(jù)送往掃描控制模塊。為了充分利用μC/OS2II的實時性和多任務(wù)的特點,，采用嵌入式文件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理,。

　　2　控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

　　數(shù)據(jù)處理模塊由NiosII軟核CPU、1片SDRAM和1片F(xiàn)lash存儲器組成,。NiosII軟核CPU是整個控制器的核心,，負責(zé)數(shù)據(jù)的處理；SDRAM作為CPU處理數(shù)據(jù)時的緩存使用,；Flash存儲器用于存儲點陣信息數(shù)據(jù)和LED屏顯示控制參數(shù),。

　　掃描控制模塊由用戶自定義的PWMIP核和顯存組成,。顯存采用1片SRAM實現(xiàn)，用來保存當前顯示的一幀點陣信息數(shù)據(jù),。PWM模塊通過Avalon總線和NiosIICPU連接,，將從CPU接收到的數(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取點陣信息數(shù)據(jù)進行掃描,。

　　串口控制器,、定時器、存儲器控制器,、CF卡控制器通過SOPCBuilder軟件定制集成IP核自動生成。本控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

　　3　控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

　　控制系統(tǒng)軟件是基于實時操作系統(tǒng)μC/OS2II進行設(shè)計的,。該操作系統(tǒng)利用高效任務(wù)調(diào)度算法調(diào)度每個任務(wù)，而每個窗口的顯示由單個任務(wù)完成,。主函數(shù)創(chuàng)建了2個任務(wù)：一個用于讀取CF卡數(shù)據(jù),；另一個用于接收來自不同顯示模塊的場景數(shù)據(jù)和播放顯示文件。

　　3.1　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)在存儲器中的存儲形式直接影響數(shù)據(jù)的存取速度和控制的復(fù)雜度,。本系統(tǒng)對顯存中的數(shù)據(jù)和緩存中的數(shù)據(jù)均重新組織,，降低了數(shù)據(jù)處理和掃描控制的復(fù)雜度。

　　3.1.1　顯存數(shù)據(jù)的組織

　　LED顯示屏的每個像素點都包括紅,、綠,、藍3種基色，每種顏色的灰度級均為256級（即由8位數(shù)據(jù)對像素點灰度級進行編碼）,，故每個像素點需要占用3字節(jié)的存儲空間,。顯示時，每個像素的紅管,、綠管,、藍管是同時點亮的，也就是說,，3種顏色的數(shù)據(jù)是并行上屏的,。

　　可將紅、綠,、藍3種顏色對應(yīng)的數(shù)據(jù)分開存儲,，以方便操作。數(shù)據(jù)存儲方式如圖3所示,。同一種顏色的數(shù)據(jù)集中存放在某個區(qū)域中,，區(qū)域的首地址作為該顏色的基址。在進行數(shù)據(jù)存放時,，每個像素點只需給出相對變化地址（變址）,，加上不同顏色的基址就可以在3個區(qū)域中找到對應(yīng)點的視頻數(shù)據(jù),。

　　LED顯示屏灰度的實現(xiàn)方法是分權(quán)重掃描的。這樣就需要對顏色數(shù)據(jù)進行位分離,，然后同權(quán)重的位重新組合,。為了方便操作，存儲時把圖3所示的每個區(qū)再分為8個權(quán)重區(qū),，所有同權(quán)重的數(shù)值集中放于對應(yīng)的權(quán)重區(qū)中,。

　　所謂位分離，就是把數(shù)據(jù)的高低位按權(quán)重分開,，然后重新組織,。位分離在可編程邏輯器件中比較容易實現(xiàn)，可以劃出一塊邏輯矩陣,，操作時橫向存入,，縱向讀出即可。位分離示意圖如圖4所示,。

　　3.1.2　緩存數(shù)據(jù)的組織

　　若要進行特技效果顯示,，則當前顯示的數(shù)據(jù)幀和下一個數(shù)據(jù)幀存在著某種變換關(guān)系。由于CPU只能對顯存進行寫操作,，所以需在緩存中劃分出一塊大小和顯存相等,、地址一一對應(yīng)的區(qū)域screen，用于存儲當前顯示的數(shù)據(jù)幀信息,。如果各窗口之間存在重疊現(xiàn)象,，且特技數(shù)據(jù)處理運算直接在screen區(qū)域進行，則窗口重疊部分信息可能發(fā)生混亂,。故在緩存中再為每一個窗口劃分出一塊存取空間（part1,，part2，partn）,，用于存儲本窗口顯示的前一幀數(shù)據(jù)信息,。在特技數(shù)據(jù)處理運算時，先在part區(qū)域處理各窗口的數(shù)據(jù)信息,，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)送往各窗口在screen區(qū)域中所對應(yīng)地址的存取空間,，最后將screen中的數(shù)據(jù)寫入地址對應(yīng)的顯存。

　　3.2　讀取CF卡軟件設(shè)計

　　任務(wù)1負責(zé)將CF卡上的數(shù)據(jù)讀取到SDRAM中,，供其他任務(wù)使用,。在程序中使用了1個指針（3pwmdata），為數(shù)據(jù)文件在SDRAM中分配空間,。在文件系統(tǒng)初始化時,，首先調(diào)用CF卡初始化函數(shù)IDE_initialize（）判斷CF卡是否存在。若存在,，則讀取文件系統(tǒng)的基本信息,。通過調(diào)用函數(shù)FS_SearchFile（char3FName,，F(xiàn)S_TFile3R，unsignedchardir）來查找需要讀取的文件是否存在,，若存在,，則通過指針（3pwmdata）為數(shù)據(jù)文件在SDRAM中分配一個緩沖區(qū)。讀取時,，每次讀取一個扇區(qū),，直到將數(shù)據(jù)全部讀取到SDRAM中。

　　部分程序源碼如下：

　　3.3　軟件總體設(shè)計

　　基于以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，軟件設(shè)計的流程如圖5所示,。系統(tǒng)首先進行初始化操作，然后從Flash中讀取顯示屏參數(shù),，進行參數(shù)初始化,。接著建立任務(wù)TaskControl（），其優(yōu)先級比各窗口顯示任務(wù)都要高,，主要用于實時管理各窗口顯示任務(wù)，每個窗口的顯示由單個窗口顯示任務(wù)來控制,。

　　窗口顯示任務(wù)根據(jù)各窗口顯示方式的不同,，在其對應(yīng)的part存儲區(qū)域進行下一幀數(shù)據(jù)的處理運算，然后調(diào)用窗口顯示子任務(wù)進行顯示,。在完成一幀數(shù)據(jù)的顯示后,，調(diào)用一次OSTimeDlyHMSM（）使當前任務(wù)進入等待狀態(tài)，下一個優(yōu)先級最高并進入了就緒態(tài)的任務(wù),，立刻被賦予了CPU的控制權(quán),，由此完成窗口顯示任務(wù)之間的切換。任務(wù)TaskControl（）定期查詢Reset是否有效,，若有效則刪除原來建立的任務(wù),，重新讀取窗口數(shù)，建立新任務(wù),，啟用各個窗口顯示任務(wù)Task_i,。

　　任務(wù)TaskControl的偽程序段描述如下：

　　4 結(jié)語

　　本設(shè)計充分利用了NiosII32位處理器的高性能和μC/OS2II實時操作系統(tǒng)高效的任務(wù)調(diào)度算法，實現(xiàn)了單屏幕多窗口顯示,，且顯示屏控制變得更加靈活,。整個控制系統(tǒng)在1片F(xiàn)PGA芯片上完成，有效地降低了系統(tǒng)的成本,。