張麗紅

　　(冠捷顯示科技（廈門）有限公司，福建 廈門 361101)

      摘要：超高解析度圖像產(chǎn)生器用于檢測超高解析度液晶顯示器的性能和品質(zhì),。為了實(shí)現(xiàn)其便攜性和通用性,，提出了一種基于FPGA與SD卡的設(shè)計(jì)方案。在檢測顯示器的質(zhì)量時(shí)需要切換各種圖像輸出,，為了縮短圖像輸出的時(shí)間,，采用FPGA實(shí)現(xiàn)了SD卡的SD模式。實(shí)際應(yīng)用表明,，新型圖像產(chǎn)生器使用方便,、數(shù)據(jù)傳輸快速可靠。

　　關(guān)鍵詞：FPGA,；SD卡,；圖像產(chǎn)生器；SD模式,；硬件描述語言

0引言

　　隨著超高解析度液晶顯示器的發(fā)展,，測量顯示屏的質(zhì)量和性能也得到了相應(yīng)的重視和關(guān)注，因此有必要研究和設(shè)計(jì)超高解析度圖像產(chǎn)生器,。

　　目前主流的超高解析度液晶顯示器的分辨率是4K2K,，即3 840×2 160。為了測試和驗(yàn)證此類顯示器的性能和品質(zhì)，要求圖像產(chǎn)生器產(chǎn)生相應(yīng)的4K2K測試圖像,。此外,，為了縮短多張圖像連續(xù)輸出的時(shí)間，就要求提高整個(gè)系統(tǒng)的帶寬,，而系統(tǒng)的帶寬被限制在SD卡上,，因此為了提高SD卡的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，系統(tǒng)采用FPGA實(shí)現(xiàn)了SD卡的SD模式,，從而使SD卡的數(shù)據(jù)傳輸帶寬達(dá)到25 MB/s,。

　　所研制的圖像產(chǎn)生器不僅可以應(yīng)用于電視機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，還可以應(yīng)用于電視設(shè)備的生產(chǎn),、電視維修業(yè)等領(lǐng)域,，用于觀察和評(píng)價(jià)整個(gè)電視系統(tǒng)的質(zhì)量情況。

1設(shè)計(jì)方案

　　圖像產(chǎn)生器提供Low Voltage Differential Signaling (LVDS)和VbyOne (VBO)輸出端口,，可以產(chǎn)生多種不同分辨率的信號(hào)源,，時(shí)序部分嚴(yán)格遵守CEA861標(biāo)準(zhǔn)［1］。圖像產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)方案如圖1所示,，其中SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì),，Double Data Rate 3 (DDR3)作為SD卡與輸出模塊之間的緩存器，F(xiàn)PGA芯片［2］作為主控制器,，采用硬件描述語言［3］實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)的功能,。

　　其中主控制器采用ALTERA公司的Arria5系列FPGA芯片5AGXFB3H6F35C6來完成圖像信號(hào)的產(chǎn)生及SD卡和DDR3的控制。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SD卡,，支持SDHC卡的High Speed模式,。數(shù)據(jù)緩存則采用8塊Nanya公司的DDR3芯片，型號(hào)是NT5CB64M16FPDH,，以解決低速SD卡數(shù)據(jù)讀取和高速圖像輸出之間的時(shí)序問題,，最后通過LVDS或者VBO發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)輸出到超高解析度液晶顯示器上顯示。

2硬件實(shí)現(xiàn)

　　圖像產(chǎn)生器的硬件實(shí)現(xiàn)如圖2所示,，它包括與SD卡連接的4 bit SD模式控制器,，與8塊DDR3連接的DDR3控制器，通過I2C接口或者按鍵板發(fā)送圖像產(chǎn)生器所需參數(shù)的參數(shù)選擇模塊,，與顯示器LVDS或VBO接口相連的發(fā)送模塊,，及內(nèi)部相關(guān)邏輯控制單元。

　　2.1SD卡SD模式

　　FPGA通過發(fā)送,、接收和監(jiān)測SD卡總線上的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的控制,。SD卡的接口支持兩種操作模式，分別是SD模式和SPI模式,。由于SPI模式是單線雙向模式,，而SD模式支持四線雙向模式的高速數(shù)據(jù)傳輸,，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了4 bit SD模式，使系統(tǒng)具有較高的速度性能,。

　　圖5數(shù)據(jù)傳輸模式的仿真結(jié)果SD卡模塊的原理圖如圖3所示，SD卡控制器基于SD4.10技術(shù)規(guī)范［4］,，用硬件語言進(jìn)行描述,。用FPGA實(shí)現(xiàn)SD模式的SD卡控制器［5］，首先由命令收發(fā)模塊,、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊及相應(yīng)的校驗(yàn)?zāi)K和狀態(tài)控制模塊組成SD卡控制器,；再使用這些模塊實(shí)現(xiàn)SD卡的卡識(shí)別模式和數(shù)據(jù)傳輸模式；最后用Modelsim工具對(duì)卡識(shí)別模式和數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行仿真,，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示,。仿真結(jié)果符合SD卡的SD模式技術(shù)規(guī)范。

　　2.2DDR3緩存器

　　在基于FPGA的圖像處理系統(tǒng)中,，常常需要用到大容量,、高速度的存儲(chǔ)器。在主流的各種隨機(jī)存儲(chǔ)器件中,，DDR3具有速度快,、容量大、帶寬高和功耗低的優(yōu)點(diǎn),，而成為高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的首選方案,。

　　為了縮短開發(fā)周期和簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文采用FPGA內(nèi)部自帶的DDR3硬核控制器［6］,，如圖6所示,，即ALTERA公司提供的基于Avalon總線［7］的DDR3 SDRAM控制器，其配置窗口如圖7所示,。DDR3控制器的主要功能是完成對(duì)DDR3的初始化,，將DDR3復(fù)雜的讀寫時(shí)序轉(zhuǎn)化成Avalon總線的讀寫時(shí)序，發(fā)送周期性的刷新命令來維持DDR3中的數(shù)據(jù)等,。

　　2.3發(fā)送模塊

　　LVDS是一種低壓差分信號(hào)技術(shù)接口,，系統(tǒng)所采用的FPGA芯片支持高速LVDS接口，LVDS的時(shí)鐘頻率一般為74.25 MHz,。LVDS發(fā)送模塊的輸入信號(hào)包含RGB數(shù)據(jù)信號(hào),、時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)三大類，LVDS有4種數(shù)據(jù)格式,，分別是10 bit VESA格式,、10 bit JEIDA格式、8 bit VESA格式及8 bit JEIDA格式,。LVDS發(fā)送模塊可以通過調(diào)用ALTERA提供的宏功能模塊ALTLVDS_TX和外部時(shí)鐘模塊Altera PLL實(shí)現(xiàn),如圖8所示,。

　　早期的液晶顯示器采用LVDS標(biāo)準(zhǔn)傳輸圖像信號(hào),，之后隨著超高解析度液晶顯示器的發(fā)展，需要傳輸?shù)膱D像信號(hào)越來越多,，要求傳輸速度高速化,，且要解決傳輸線之間信號(hào)的時(shí)滯問題，為此日本賽恩電子公司提出了一種新的數(shù)據(jù)傳輸方式即VbyOne HS (VBO),。

　　VBO是一種傳輸圖像的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn),，采用一個(gè)或多個(gè)高速串行線路傳輸時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，且時(shí)鐘是疊加在數(shù)據(jù)信號(hào)上,，以共模方式傳輸,，每路最高速度可達(dá)到3.75 Gb/s。系統(tǒng)所采用的FPGA芯片支持高速VBO接口,，VBO發(fā)送模塊主要由打包器,、擾碼器、編碼器,、串行器及發(fā)送鏈路監(jiān)測模塊組成,，其中串行器可以通過調(diào)用ALTERA提供的宏功能模塊Arria V Transceiver Native PHY實(shí)現(xiàn)，其配置如圖9所示,。

3驗(yàn)證與測試

　　開發(fā)測試平臺(tái)使用的是ALTERA的Arria5系列FPGA板子,。板子上有一個(gè)SD接口，用于外接SD卡,。測試平臺(tái)的實(shí)物如圖10所示,。板子通過16組VBO線與超高解析度液晶顯示器連接，利用顯示器對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證,，驗(yàn)證結(jié)果如圖11所示,，從圖中可以看出，該設(shè)計(jì)可以正確輸出顯示器所需規(guī)格的圖像,，成功點(diǎn)亮屏幕,。

　　在硬件調(diào)試過程中，采用SignalTap II嵌入式邏輯分析儀觀察內(nèi)部信號(hào)的狀態(tài),，如在SD卡的卡識(shí)別模式過程中獲取16位relative card address (RCA)寄存器值,，如圖12所示；又如查看DDR3初始化是否完成,，如圖13所示,。

4結(jié)束語

　　本文提出了一種基于FPGA與SD卡的圖像產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。該設(shè)計(jì)能夠?qū)D卡命令進(jìn)行自動(dòng)解析和響應(yīng),，在數(shù)據(jù)傳輸方式上采用了4 bit SD模式,，有效地提高了SD卡的傳輸速率，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸帶寬,。 由于設(shè)計(jì)采用了SD卡,，因此圖像產(chǎn)生器尺寸小,，方便攜帶。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證圖像產(chǎn)生器可以用于檢測各種液晶顯示器,，尤其是超高解析度液晶顯示器,。

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　　圖13獲取DDR3初始化完成的狀態(tài)信息

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