陳東旭，李 宏

（寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，LCD在嵌入式系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用推動了LCD顯示控制器的發(fā)展和完善。隨著所需顯示的圖像信息增加、功能要求增多對LCD顯示控制器的功能提出了更高的要求[1]。

當(dāng)前，嵌入式領(lǐng)域使用的LCD顯示控制器主要有微處理集成型和專用型兩種類型，如LPC1788自帶的LCD顯示控制器和ILI9320專用LCD顯示控制器，由于使用便捷、性能穩(wěn)定，在一般嵌入式系統(tǒng)的顯示領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但隨著嵌入式系統(tǒng)定制化需求提高、顯示要求增多，如需視頻和操作界面等多路圖像混合輸出顯示的場合，上述的LCD顯示控制器由于接口單一、功能固定，很難滿足實(shí)際需求。如依舊使用這類顯示控制器，則往往需嵌入式處理器完成顯示前的合成處理，極大地增加了嵌入式處理器的處理壓力，不但需要額外選擇性能高端的處理器，更是加大了編程開發(fā)難度[2]。

針對以上情況，結(jié)合實(shí)際工程需求，本文提出了一種基于FPGA的專用LCD顯示控制器，具有多路圖像協(xié)調(diào)存取、畫中畫顯示、OSD字符疊加等功能，可用于視頻信息和顯示數(shù)據(jù)混合輸入領(lǐng)域。

1 LCD顯示控制器總體構(gòu)架

1.1 具有多路圖像數(shù)據(jù)合成的改進(jìn)型嵌入式系統(tǒng)

典型的具有視頻顯示功能的嵌入式系統(tǒng)如圖1(a)所示，主要由ARM最小系統(tǒng)、攝像頭、集成或?qū)Ｓ肔CD顯示控制器、顯存模塊、LCD組成。其中LCD顯示控制器由ARM處理器自帶或外接專用芯片，在需要多路圖像處理時(shí)需調(diào)用自身ARM處理器，極大增加了ARM處理器的負(fù)擔(dān)，不得不選用高端處理器來達(dá)到所需處理性能要求。

針對典型電路的不足，本設(shè)計(jì)將實(shí)時(shí)視頻直接接入LCD顯示控制器處理，而不經(jīng)過ARM處理器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。由LCD顯示控制器直接完成視頻數(shù)據(jù)與操作顯示數(shù)據(jù)的存取、合成、疊加等處理操作，降低了ARM處理器處理圖像數(shù)據(jù)的壓力，從而保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定工作。

圖1 嵌入式系統(tǒng)改進(jìn)前后對比圖

1.2 LCD顯示控制器的工作原理及構(gòu)架

LCD顯示控制器由視頻接口電路完成視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、輸入，由 8080、6800等協(xié)議接口電路完成ARM最小系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)的解析、輸入，再由主控器與存儲控制器把兩路數(shù)據(jù)分別存入片外存儲器中，再由后級合成顯示電路從顯存中讀取所需要的圖像數(shù)據(jù)，合成處理后配合LCD顯示所需要時(shí)序一同送入LCD中，完成最終的顯示。

根據(jù)上述原理提出了如圖2所示的LCD顯示控制器構(gòu)架，主要由圖像接口、圖像緩存、協(xié)調(diào)存取、顯示合成等模塊組成，完成從圖像接入、處理、存取、輸出顯示等一系列工作[3]。

圖2 LCD顯示控制器結(jié)構(gòu)框圖

2 圖像接口電路設(shè)計(jì)

2.1 視頻接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用OV7670作為接入攝像頭，不經(jīng)過ARM最小系統(tǒng)處理直接接入LCD顯示控制器中，通過SCCB總線對OV7670進(jìn)行初始化配置，然后把配置完成信息傳遞給拼接模塊，由拼接模塊來接收OV7670攝像頭輸入的視頻像素信號、像素時(shí)鐘、行同步幀同步信號，最終輸出16位RGB565格式數(shù)據(jù)、拼接后像素的像素時(shí)鐘和幀有效信號，視頻最高分辨率為640×480 ppi，幀率達(dá)到30 幀/秒 。

2.2 8080接口協(xié)議解析電路設(shè)計(jì)

ARM最小系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)以8080時(shí)序輸入，8080接口協(xié)議解析電路，一方面配合其時(shí)序接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，另一方面對接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析[4]，具體設(shè)計(jì)的總線連接和寄存器設(shè)置如圖3所示。

圖3 8080接口總線連接與寄存器設(shè)置圖

在ARM最小系統(tǒng)部分，可以使用模擬8080方式或FSMC（可變靜態(tài)存儲控制器）進(jìn)行時(shí)序信號的傳輸，其中使用FSMC方式速度更快、更便捷[5]。具體FPGA設(shè)置的控制功能和寄存器配置如表1所示，ARM處理器編程時(shí)只要按照以下數(shù)據(jù)時(shí)序要求，就可以方便地進(jìn)行寄存器控制和數(shù)據(jù)讀寫。

表1 8080接口模塊寄存器配置設(shè)定

3 協(xié)調(diào)存取電路設(shè)計(jì)

存取協(xié)調(diào)電路包括視頻與顯示數(shù)據(jù)的預(yù)處理、SDRAM協(xié)調(diào)控制器，其中SDRAM協(xié)調(diào)控制器是整個協(xié)調(diào)控制電路的核心，為了讓LCD顯示控制器靈活存取連續(xù)更新的視頻數(shù)據(jù)和非連續(xù)更新的ARM最小系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)，改進(jìn)了傳統(tǒng)的SDRAM控制器，總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，使其在操作兩類不同數(shù)據(jù)時(shí)更加靈活高效便捷，并可以移植擴(kuò)展。

3.1 SDRAM主協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

SDRAM主協(xié)調(diào)器主要根據(jù)控制信息控制SDRAM從控制器工作，完成視頻數(shù)據(jù)與顯示數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)。其中視頻幀有效信號和起始、結(jié)束地址分別給出視頻數(shù)據(jù)和ARM顯示數(shù)據(jù)的幀完成信號，其中ARM顯示數(shù)據(jù)像素點(diǎn)與起始地址、結(jié)束地址關(guān)系如式（1）所示：

圖4 SDRAM協(xié)調(diào)控制器結(jié)構(gòu)圖

其中S為有效像素點(diǎn)個數(shù)，H0、V0為起始行地址和起始列地址，H1、V1為結(jié)束行地址和結(jié)束列地址。

3.2 SDRAM從協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

SDRAM從協(xié)調(diào)器會根據(jù)接收的信息對對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲規(guī)劃，對于視頻數(shù)據(jù)，從協(xié)調(diào)器使用順序存取，而在ARM顯示數(shù)據(jù)部分，則使用映射存取，具體對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 顯示位置和存儲位置映射示意圖

當(dāng)ARM處理器需更新上圖所示區(qū)域時(shí)，可以根據(jù)式(2)計(jì)算出對應(yīng)SDRAM在存儲上述所更新數(shù)據(jù)時(shí)的地址值。

其中VM、HM為LCD顯示區(qū)域行像素點(diǎn)和列像素點(diǎn)，CM、RM為SDRAM存取列地址和行地址，AR為更新數(shù)據(jù)在SDRAM存儲時(shí)的起始行地址、AC為更新數(shù)據(jù)在SDRAM存儲時(shí)的起始列地址、NV為連續(xù)存儲的像素點(diǎn)值，NH為所需更新的區(qū)域塊，BA為連續(xù)存儲像素點(diǎn)結(jié)束后需跳過像素點(diǎn)個數(shù)。

3.3 SDRAM控制器設(shè)計(jì)

SDRAM控制器主要完成初始化、自刷新、行列地址輸出、讀寫控制等針對SDRAM的直接操作。在本設(shè)計(jì)中，SDRAM除了完成初始化和自刷新等基本控制功能外，其他的讀寫切換、分頁地址切換都受對應(yīng)SDRAM從協(xié)調(diào)器控制，最終完成單片SDRAM的部分乒乓存取，主要利用SDRAM高速讀寫來完成片內(nèi)的分頁讀寫切換。

4 合成顯示電路設(shè)計(jì)

4.1 合成控制電路設(shè)計(jì)

合成模塊從SDRAM中讀取所需顯示數(shù)據(jù)，根據(jù)顯示方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選調(diào)整，然后把相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)輸出，合成控制功能示意圖如圖6所示，其中根據(jù)顯示方式的不同，分別可以顯示單視頻、單ARM顯示信息和畫中畫顯示，以方便嵌入式系統(tǒng)根據(jù)對應(yīng)顯示要求進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，達(dá)到最佳的顯示操作體驗(yàn)[6]。

圖6 合成控制模塊功能示意圖

4.2 OSD字符疊加電路設(shè)計(jì)

OSD字符疊加是一種輔助信息顯示方法，可以在原本輸出顯示的圖像上疊加所需輔助顯示的字符信息，以達(dá)到顯示效果最優(yōu)化，本設(shè)計(jì)在最終數(shù)據(jù)輸出部分加入了OSD疊加模塊，ROM中數(shù)據(jù)有疊加所需給定，并通過分層疊加操作對輸入顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過透明度的調(diào)節(jié)可以讓隨屏疊加字符有透明效果，用以表示輔助信息的次重點(diǎn)[7]。

4.3 LCD驅(qū)動時(shí)序產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

時(shí)序發(fā)生模塊接收最終處理完成的顯示數(shù)據(jù)，并根據(jù)對應(yīng)顯示屏的驅(qū)動時(shí)序，產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動時(shí)序，把所需顯示數(shù)據(jù)送到LCD上完成顯示。本設(shè)計(jì)選取群創(chuàng)的7寸屏AT070TN83作為最終顯示屏幕。關(guān)鍵時(shí)序參數(shù)如表2所示，其中的tCLK的典型值為30 ns。

表2 同步模式輸入信號時(shí)序特征值

5 LCD顯示控制器的實(shí)現(xiàn)與功能測試

基于上述設(shè)計(jì)，用Verilog HDL編程在FPGA cyclone II EP2C35F484C8N上實(shí)現(xiàn)，用兩片1 M×4 BANK×16 bit容量的SDRAM K4S641632作為數(shù)據(jù)顯存，并通過攝像頭OV7670、ARM STM32F103和群創(chuàng) 7寸屏 AT070TN83進(jìn)行系統(tǒng)測試。

利用SignalTap II工具實(shí)時(shí)捕捉輸出端信號，主要包括驅(qū)動時(shí)鐘lcd_clk、行同步信號lcd_hs、幀同步信號lcd_vs、數(shù)據(jù)有效信號lcd_en、顯示數(shù)據(jù)藍(lán)色分量lcd_blue，捕捉實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動時(shí)序如圖7和圖8所示。

圖7 行同步輸出時(shí)序圖

圖8 幀同步輸出時(shí)序圖

由測試時(shí)序分析可得 LCD顯示控制器產(chǎn)生的時(shí)序完全符合7寸屏AT070TN83驅(qū)動所需的時(shí)序要求。

LCD顯示控制器接入實(shí)際嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行顯示效果測試，主要包括ARM、攝像頭和LCD屏等器件，最終實(shí)際的顯示界面如圖9所示。

圖9 LCD測試顯示效果圖

上圖中A區(qū)域?yàn)閷?shí)時(shí)視頻顯示區(qū)域，B區(qū)域?yàn)橛葾RM顯示數(shù)據(jù)確定的操作界面的顯示區(qū)域，C區(qū)域?yàn)橛蒓SD字符疊加形成的字符區(qū)域，其中視頻顯示界面可對大小位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，顯示界面可根據(jù)用戶自定義編程設(shè)置，并可以靈活加入各類隨屏顯示內(nèi)容。經(jīng)測試，LCD顯示控制器設(shè)計(jì)運(yùn)行良好、顯示效果穩(wěn)定可靠，可以滿足設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié)論

本文以FPGA+SDRAM為核心，完成特定功能LCD顯示控制器的設(shè)計(jì)。充分利用FPGA高效并行處理的特點(diǎn)，在帶視頻顯示功能的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)把復(fù)雜龐大的圖像數(shù)據(jù)處理合成功能放入到LCD顯示控制器內(nèi)部，極大地降低了ARM處理器的圖像處理壓力，讓一般ARM最小系統(tǒng)處理復(fù)雜圖像數(shù)據(jù)成為可能，同時(shí)LCD顯示控制器用Verilog HDL設(shè)計(jì)開發(fā)，有良好的移植性和功能拓展性，稍作修改和調(diào)整就可以適應(yīng)不同的嵌入式系統(tǒng)顯示要求。經(jīng)實(shí)際測試，該LCD顯示控制器運(yùn)行穩(wěn)定，顯示效果良好，可推廣用于視頻監(jiān)控、車載娛樂等具有視頻顯示功能的嵌入式系統(tǒng)中。

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