FPGA和嵌入式處理器實現(xiàn)低成本智能顯示模塊

1、    FPGA和嵌入式處理器實現(xiàn)低成本智能顯示模塊引言LCD正在迅速成為汽車內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)部件。隨著LCD技術(shù)的發(fā)展，迫切需要采用更好的顯示圖形內(nèi)容控制和產(chǎn)生方法。傳統(tǒng)上，低成本汽車信息娛樂應(yīng)用采用基于字符的LCD和真空熒光(VF)顯示屏，而低成本彩色薄膜晶體管(TFT)技術(shù)很快成為最突出的選擇方案，但在現(xiàn)有的低成本應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)中采用彩色TFT有很大的難度。大部分低成本平臺沒有足夠的處理帶寬，特別是缺少帶有LCD控制器的處理器來控制并驅(qū)動彩色TFTLCD。此外，大部分現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)引言LCD正在迅速成為汽車內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)部件。隨著LCD技術(shù)的發(fā)展，迫切需要采用更好

2、的顯示圖形內(nèi)容控制和產(chǎn)生方法。傳統(tǒng)上，低成本汽車信息娛樂應(yīng)用采用基于字符的LCD和真空熒光(VF)顯示屏，而低成本彩色薄膜晶體管(TFT)技術(shù)很快成為最突出的選擇方案，但在現(xiàn)有的低成本應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)中采用彩色TFT有很大的難度。大部分低成本平臺沒有足夠的處理帶寬，特別是缺少帶有LCD控制器的處理器來控制并驅(qū)動彩色TFT LCD。此外，大部分現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)并沒有足夠的動態(tài)和非易失存儲器來存儲LCD需要的圖形內(nèi)容。更復(fù)雜的設(shè)計問題是產(chǎn)生并管理圖形內(nèi)容或者圖形用戶界面(GUI)時低效的設(shè)計過程，而現(xiàn)在可以通過彩色TFT LCD來解決這些問題。一般而言，如果沒有合適的設(shè)計資源，很難在硬件上實現(xiàn)LED背光

3、驅(qū)動器、觸摸面板控制以及TFT控制所需要的大量I/O，現(xiàn)在這些難題有了解決方法，即，名為ThomasII電路板(圖1)的模塊化擴展平臺，它含有低成本Altera Cyclone III FPGA和Nios II嵌入式處理器。使用這一平臺，汽車電子設(shè)計人員很容易在現(xiàn)有系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中加入彩色TFT，開發(fā)低成本智能顯示模塊。圖1 Thomas II演示平臺模塊化擴展概念的內(nèi)涵模塊化擴展設(shè)計概念基于Thomas II電路板，它是由Momiji Design LLC和Altera公司聯(lián)合開發(fā)的。設(shè)計圍繞低成本Cyclone III FPGA (EP3C10或者EP3C5)展開，這一器件采用了引腳數(shù)量較少

4、的E144 QFP封裝，在4層PCB上就能夠輕松完成布板。在實際應(yīng)用中，Thomas II設(shè)計(圖2所示)可以用作單獨的模塊，具有完整的電源供電和支持外設(shè)，也可以集成到現(xiàn)有設(shè)計結(jié)構(gòu)中。圖2 Thomas II設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Nios II嵌入式處理器是體系結(jié)構(gòu)的核心，同時用于系統(tǒng)控制和圖形生成。采用嵌入式處理器后，系統(tǒng)可以單獨工作，也可以作為現(xiàn)有微控制器單元(MCU)的協(xié)處理器，因此，Thomas II設(shè)計可以實現(xiàn)低成本信息娛樂設(shè)計的模塊化擴展功能。通過一個簡單的UART，F(xiàn)PGA成為系統(tǒng)的圖形顯示控制器。它管理并控制所有的圖形內(nèi)容產(chǎn)生和處理任務(wù)，從而把這些任務(wù)從主機MCU中分擔(dān)出來。任何串行或者并

5、行通信接口，甚至是定制或者專用標(biāo)準(zhǔn)都很容易替代FPGA設(shè)計中的UART模塊。例如，通常用于實現(xiàn)VF或者字符LCD的通信協(xié)議都可以重新用于控制基于Thomas II概念的TFT。最吸引人的特性是主機體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計能夠基本保持不變，如圖3所示。圖3 設(shè)計重用一次硬件設(shè)計實現(xiàn)多款產(chǎn)品不改動或者盡量少改動系統(tǒng)意味著同時節(jié)省了硬件和軟件資源。借助Thomas II概念，設(shè)計人員可以針對多款產(chǎn)品使用相同的核心硬件。根據(jù)產(chǎn)品需求來更新或者改變GUI，而不需要修改或者更新核心系統(tǒng)軟件。而且，還可以根據(jù)應(yīng)用需求來調(diào)整LCD分辨率和底層圖形FPGA中的LCD控制器設(shè)計很容易適應(yīng)各種標(biāo)準(zhǔn)和定制LCD分辨率(請參

6、考圖4)。它還能夠滿足雙視角、多視角和其他非標(biāo)準(zhǔn)LCD格式。FPGA中實現(xiàn)LCD控制器的內(nèi)在優(yōu)勢是它可以定制或者適應(yīng)LCD需要的數(shù)據(jù)和時序格式。圖4 應(yīng)用在WQVGA和QVGA LCD上的Thomas II電路板LCD控制器模塊是多層LCD控制器，含有兩個16位彩色圖像層和一個alpha層。每一層由單獨的DMA主機生成并進行控制。這樣，可以有效地劃分基于外部DRAM的幀緩沖。實質(zhì)上，每個DMA主機在需要數(shù)據(jù)時讀取幀緩沖。這使得LCD控制器模塊能夠讀取外部存儲器中存儲的任意幀分辨率或者圖像尺寸。每一層主機讀取存儲器后，LCD控制器模塊把層組合(或者平滑)成一個組合幀，然后將其輸出至LCD。LCD

7、控制器模塊組合了層之后，每一層都可以選擇組合alpha層或者“透明層”。Alpha層支持實現(xiàn)透明的覆蓋層，或者表面與下面層內(nèi)容相混合。此外，每一層都可以完全打開或者關(guān)斷，根據(jù)需要來激活或者去激活每一層。這一概念的一個例子是視頻采集層上菜單所采用的覆蓋圖。觸摸面板控制器簡化了和用戶的交互為實現(xiàn)和用戶的交互，Thomas II設(shè)計還在FPGA中采用了觸摸面板控制器。設(shè)計支持四線阻性觸摸面板控制器，它可以控制任何標(biāo)準(zhǔn)四線觸摸面板。Nios II嵌入式處理器采集來自觸摸面板的用戶事件數(shù)據(jù)并進行管理，根據(jù)GUI和系統(tǒng)總設(shè)計，相應(yīng)地提取或者執(zhí)行命令。為方便并加速GUI的產(chǎn)生，嵌入式處理器很容易集成到Alt

8、ia的圖形開發(fā)工具鏈中。利用Altia的圖形開發(fā)工具，藝術(shù)家、交互式設(shè)計人員、工程師和編程人員可以迅速構(gòu)建概念原型、模型和可實施代碼，不存在誤解圖形總設(shè)計或者圖形交互的風(fēng)險。從概念到代碼，這些工具大大縮短了總開發(fā)周期，同時保持了圖形設(shè)計的藝術(shù)完整性。Altia還提供Adobe Photoshop插件，名為PhotoProto，設(shè)計人員利用它很容易將視頻分量導(dǎo)出到Altia設(shè)計中，如圖5所示。在Altia設(shè)計中，開發(fā)人員可以在圖形設(shè)計中增加功能和行為。通過名為深屏(Deep Screen)的工具，在Altia設(shè)計中開發(fā)的原型或者概念生成Nios II嵌入式處理器連接庫圖形或者行為邏輯需要的所有一

9、切。然后，Nios II處理器運行Altia模型，管理用戶和模型之間的實際交互。圖5 Altia設(shè)計、PhotoProto和深屏工具視頻采集和圖像處理基于FPGA的設(shè)計中實現(xiàn)的另一功能是視頻采集，如圖2所示。視頻輸入模塊符合ITU-R BT.656數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)，完成以下操作：彩色空間轉(zhuǎn)換(CSC)、剪輯、去隔行、縮放和RGB 565包封。在Nios II嵌入式處理器的控制下，每一操作順序完成，并由寄存器對參數(shù)進行賦值。根據(jù)需要的輸出格式，還可以選擇對視頻輸入進行剪輯和調(diào)整(放大或者縮小)。采用寄存器后，可以針對各種顯示分辨率和輸入視頻格式(例如，NTSC、PAL和SECAM等)對系統(tǒng)進行定制。

10、來自模塊的視頻數(shù)據(jù)通過32位DMA傳送至外部SDRAM幀緩沖。象素數(shù)據(jù)被封裝成565格式，使兩個象素能夠通過DMA以一個字的形式進行傳送。這顯著提高了視頻帶寬，以及存儲器訪問效率。Thomas II設(shè)計使用Altera Quartus II設(shè)計軟件支持的標(biāo)準(zhǔn)SDRAM存儲控制器。SDRAM提供足夠的視頻帶寬和存儲器總帶寬，是DDR的低成本替代方案(對于所需要的密度)。而且，采用SDRAM還減小了電路板布板的復(fù)雜度，從而降低了系統(tǒng)總成本。在功能上，DRAM為視頻和圖像幀緩沖提供共享存儲空間，還為Nios II嵌入式處理器提供程序存儲器。Avalon系統(tǒng)互聯(lián)架構(gòu)連接SDRAM控制器和Nios II

11、處理器以及其他系統(tǒng)模塊，為存儲器訪問和存儲器管理提供仲裁。Cyclone III FPGA最引人注目的一個特性是未來可以移植到其他存儲器拓?fù)浜图夹g(shù)中。如果需要，很容易對設(shè)計進行修改，采用DDR或者DDR2存儲控制器，或者擴展SDRAM接口，以適應(yīng)32位SDRAM器件。FPGA靈活的I/O環(huán)以及SOPC Builder工具中各種存儲控制器支持這一切的實現(xiàn)。Thomas II設(shè)計還支持視頻和圖像處理。緩沖后的源視頻存儲在SDRAM中，圖像處理算法由Nios II處理器來完成。而Cyclone III FPGA的靈活性則體現(xiàn)在可以把算法作為軟件、硬件，或者以軟硬件混合的形式來執(zhí)行，這也是該器件的優(yōu)勢

12、所在?？梢圆捎肁ltera的Nios II C語言至硬件(C2H)加速編譯器來分析軟件算法，將函數(shù)轉(zhuǎn)換成硬件加速定制指令。然后，Nios II處理器執(zhí)行定制指令，不需要反復(fù)迭代處理周期。設(shè)計人員可以充分發(fā)揮Cyclone III FPGA架構(gòu)并行處理特性的優(yōu)勢，構(gòu)建定制指令。內(nèi)置數(shù)字信號處理(DSP)功能可用于完成各種圖像處理算法，例如，魚眼校正等。結(jié)論通過在低成本系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中采用彩色TFT，汽車電子設(shè)計人員能夠為市場帶來一系列在視覺和功能上都非常引人注目的實際應(yīng)用。采用模塊化擴展方法開發(fā)的Thomas II電路板基于引腳數(shù)較少的低成本FPGA，為這些應(yīng)用的實現(xiàn)提供了平臺。相應(yīng)的設(shè)計軟件和工

13、具不但加速了開發(fā)過程，而且還保持了GUI設(shè)計的完整性。此外，一片F(xiàn)PGA集成了各種功能，不需要改變主機體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計。如果需要，可編程技術(shù)還可以將設(shè)計靈活地移植到密度更大的FPGA中。參考文獻：(1)Thomas II電路板設(shè)計軟件和工具/thomas.html(2)Nios II C語言至硬件加速編譯器(3)實現(xiàn)靈活的汽車CPLD數(shù)字儀表(4)靈活的體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)汽車后視攝像頭魚眼校正功能：/literature/wp/wp-01073-flexible-architecture-fisheye-correction-automotive-rear-view-cameras.pdf(5)在基于FPGA的解決方案中實現(xiàn)圖形功能：/literature/wp/wp-01075-applying-graphics-to-fpga-based-solutions.pdf(6)使用LED作為亮度級傳感器和發(fā)射器：/literature/wp