數(shù)碼相框作為一種數(shù)碼消費(fèi)品和裝飾品的結(jié)合物,在市場上受到越來越多的關(guān)注。目前的數(shù)碼相框方案多采用MCU為核心的架構(gòu),相框功能固定,不便于產(chǎn)品升級。針對以上問題,本文設(shè)計(jì)了基于Nios II的多功能數(shù)碼相框,該相冊主要包含以下功能:支持包括BMP、JPEG在內(nèi)的多種常見文件格式的圖像顯示;圖像旋轉(zhuǎn)、縮放、瀏覽切換等特效;支持圖片瀏覽時(shí)背景音樂播放;可通過帶FAT文件系統(tǒng)的SD卡進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)更新,同時(shí)還具有時(shí)間顯示等擴(kuò)展功能。系統(tǒng)中將需要耗費(fèi)大量時(shí)間的復(fù)雜操作(如圖像解碼、圖像的各種特效功能以及SD卡控制)用掛載在Avalon總線上的自定義模塊實(shí)現(xiàn)。縮短了處理時(shí)間,提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度。系統(tǒng)采用基于Nios II處理器的SoPC技術(shù),使得該數(shù)碼相框具有靈活性高、可重配置、便于升級等優(yōu)點(diǎn)。
1 總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用經(jīng)濟(jì)型的Cyclone II FPGA芯片作為核心,基于Nios II軟核處理器,采用軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖1所示。
SD卡作為文件存儲介質(zhì),用于存放音頻與圖像文件,編寫SD卡控制器對SD卡進(jìn)行讀寫控制;采用LCM顯示屏作為數(shù)碼相框的顯示界面,SRAM作為LCM的顯示緩存,存儲圖像數(shù)據(jù)供LCM刷新,并由LCM_SRAM IP核控制圖像的顯示;SDRAM為Nios II軟核程序運(yùn)行空間;EPCS對FPGA進(jìn)行配置;Flash用來存儲軟件代碼和數(shù)據(jù)。
2 功能模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)數(shù)碼相框所要實(shí)現(xiàn)的功能,設(shè)計(jì)了如下模塊:
2.1 LCM_SRAM IP核設(shè)計(jì)
該模塊主要功能是圖像數(shù)據(jù)存儲、LCM參數(shù)配置以及圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)、切換效果控制等。以硬件方式實(shí)現(xiàn)圖像切換效果,提高實(shí)時(shí)性的同時(shí)降低對CPU的依賴。
2.1.1 切換特效實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)中通過控制LCM讀取SRAM的地址實(shí)現(xiàn)不同的圖像切換效果,如上方切入、下方切入、百葉窗、菱形等八種方式循環(huán)出現(xiàn)。切換時(shí),LCM上同時(shí)存在新舊兩幅圖像的數(shù)據(jù),因此,緩存中需要存儲這兩幅圖像的數(shù)據(jù)。以百葉窗效果為例,每行以16個(gè)像素作為間隔,將LCM的每一行分割成20個(gè)條形區(qū)域。如圖2所示,第i行被分割后,第一個(gè)區(qū)域的像素點(diǎn)為n1~n16,最后一個(gè)區(qū)域?yàn)閙1~m16.每個(gè)條形區(qū)域中,新圖像的數(shù)據(jù)逐漸向右覆蓋舊圖像數(shù)據(jù),從而形成百葉窗效果。具體實(shí)現(xiàn)過程為:在第一次刷新時(shí),每行的各個(gè)條形區(qū)域的第一個(gè)像素點(diǎn)(n1,…,m1)讀取新圖像的數(shù)據(jù),各區(qū)域其他像素點(diǎn)(n2~n16,…,m2~m16)仍然讀取舊圖像的數(shù)據(jù);第二次刷新時(shí),每行各個(gè)條形區(qū)域的前兩個(gè)像素點(diǎn)(n1、n2,…,m1、m2)讀取新圖像數(shù)據(jù),其他像素點(diǎn)(n3~n16,…,m3~m16)仍讀取舊圖像的數(shù)據(jù)。屏幕刷新16次則可實(shí)現(xiàn)百葉窗切換效果。圖2中每個(gè)圓點(diǎn)代表顯示屏的一個(gè)像素點(diǎn)。
2.1.2 縮放算法實(shí)現(xiàn)
為實(shí)現(xiàn)圖像縮放功能,該模塊實(shí)現(xiàn)了如圖3所示的雙線性插值縮放算法。該算法利用了需要處理的原始圖像像素點(diǎn)周圍的4個(gè)像素點(diǎn)的相關(guān)性,通過雙線性算法計(jì)算實(shí)現(xiàn)圖像縮放[2]。設(shè)計(jì)中使用SRAM作為顯示緩存,無嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求,因此忽略了行場同步信號,簡化了模塊設(shè)計(jì)。
緩存1模塊是待縮放圖像數(shù)據(jù)的緩存,存放來自SRAM中解碼后的RGB565數(shù)據(jù)。插值系數(shù)生成模塊的使能信號來自旋轉(zhuǎn)模塊或者按鍵輸入,由選擇器進(jìn)行判斷,按鍵按下時(shí),按照設(shè)定的行列縮放因子計(jì)算行列插值系數(shù);若使能信號來自旋轉(zhuǎn)模塊,則根據(jù)原始圖像的分辨率計(jì)算出旋轉(zhuǎn)過后的分辨率,并按照屏幕尺寸確定完整顯示該圖像能達(dá)到的最大分辨率,以此計(jì)算行列縮放因子。獲取相鄰像素模塊用來控制緩存1模塊的讀地址,從SRAM中讀取相鄰4個(gè)像素值。插值運(yùn)算單元根據(jù)相鄰4個(gè)像素的值及插值系數(shù)進(jìn)行雙線性插值運(yùn)算,并將數(shù)據(jù)輸出至緩存2,緩存2在SRAM空閑時(shí)將數(shù)據(jù)寫入SRAM中。
2.2 SD Card Controller IP核設(shè)計(jì)
SD卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的存儲設(shè)備,其數(shù)據(jù)傳送和物理規(guī)范由MMC發(fā)展而來。系統(tǒng)中將SD卡控制器設(shè)計(jì)成一個(gè)SPI模式的IP核,通過軟件驅(qū)動實(shí)現(xiàn)SD卡的基本讀寫操作,即不需要復(fù)雜的硬件電路又能得到比軟件模擬SPI的控制方式更快的讀寫速度。SD卡控制器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
2.2.1 功能模塊劃分
主控模塊的端口與Avalon總線連接,用于緩存SD卡命令,并存儲扇區(qū)地址、待發(fā)送的數(shù)據(jù)到雙口RAM以及從中讀取數(shù)據(jù)等。初始化模塊完成對SD卡的初始化操作。命令生成模塊完成SD卡命令、參數(shù)、命令校驗(yàn)值的發(fā)送和命令回執(zhí)的讀取以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。串并、并串轉(zhuǎn)換模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn)串并或者并串轉(zhuǎn)換[3]。
使用Quartus II自帶的邏輯分析儀(SignalTap II工具)對SD卡控制管腳的信號量進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性[4]。
2.2.2 驅(qū)動設(shè)計(jì)
SD卡控制器的驅(qū)動共設(shè)計(jì)了4個(gè)接口函數(shù),分別完成初始化、讀扇區(qū)、寫扇區(qū)和執(zhí)行SD命令的功能。驅(qū)動程序在初始化SD卡時(shí)得到卡類型標(biāo)志,之后驅(qū)動程序根據(jù)卡類型對地址參數(shù)進(jìn)行處理(若是SD1.1協(xié)議則地址左移9位,否則不變),以兼容SD1.1和SD2.0協(xié)議。讀數(shù)據(jù)函數(shù)核心代碼如下:
if(sd_type == 1) addr=addr 《 9; /*判斷地址偏移*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 517, CMD17); /*寫命令*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 518, addr); /*寫地址*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 519, 0); /*開始運(yùn)行*/
ret=IORD(SD_CARD_BASE, 519); /*讀命令回執(zhí)*/
…
for(i=0; i《512; i++)data[i]=IORD(SD_CARD_BASE, i);
/*讀回?cái)?shù)據(jù)*/
…
2.3 JPEG DECODER IP核設(shè)計(jì)
JPEG(Joint Photographic Expert Group)是第一個(gè)適用于連續(xù)色調(diào)、多灰度、彩色或黑白靜止圖像的國際標(biāo)準(zhǔn)。為提高JPEG圖像的解碼效率,實(shí)現(xiàn)良好的解碼效果,本設(shè)計(jì)采用流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)JPEG解碼IP核。解碼模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。
輸入緩沖模塊從傳輸碼流中接收圖像數(shù)據(jù),冗余處理后將數(shù)據(jù)輸出給頭文件解析模塊;頭文件解析完畢后,將數(shù)據(jù)輸出給熵解碼模塊;熵解碼模塊完成整個(gè)圖像數(shù)據(jù)的熵解碼處理,包括哈夫曼解碼、行程解碼和差分解碼,最終得到量化參數(shù);反量化和反Z掃描模塊對熵解碼后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行反量化和排序;IDCT模塊采用經(jīng)典的行列分解方法將頻域表示的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成時(shí)域表示的數(shù)據(jù)流,將數(shù)據(jù)恢復(fù)到傳輸前的形式。色彩空間轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)的內(nèi)插和色彩空間轉(zhuǎn)換。
使用Modelsim對該IP核進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,輸入一幅320×240的JPEG圖像原始數(shù)據(jù)。將解碼出的數(shù)據(jù)與軟件解碼出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,證明了JPEG解碼器解碼正確。
3 軟件設(shè)計(jì)
利用SD卡控制器驅(qū)動的接口函數(shù),在其讀寫的基礎(chǔ)上應(yīng)用FAT16文件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)SD卡文件操作(如獲取目錄/文件信息、讀文件、刪除文件、創(chuàng)建文件、追加文件等)以便于與PC機(jī)及其他多媒體設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。設(shè)計(jì)中使用實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)?滋C/OS-II,以降低系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6],并設(shè)計(jì)多個(gè)任務(wù),實(shí)現(xiàn)SD卡初始化、文件讀取、數(shù)據(jù)流控制。
3.1 FAT16文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3.1.1 讀文件
文件系統(tǒng)中文件數(shù)據(jù)的存放是以簇為單位的,而SD卡的基本讀寫單位是扇區(qū),所以需要根據(jù)簇號計(jì)算相應(yīng)的扇區(qū)號,由文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可得一般的計(jì)算公式為:
起始扇區(qū)號=隱藏扇區(qū)數(shù)+保留扇區(qū)數(shù)+2×FAT表占用扇區(qū)數(shù)+FDT表占用扇區(qū)數(shù)+(起始簇號-2)×每簇扇區(qū)數(shù)
從SD卡的數(shù)據(jù)扇區(qū)中讀取指定文件的核心代碼為:
clunum = ffdt.fst_clu; /*獲取下一個(gè)簇號*/
do{
secnum = get_sta_sec(clunum); /*由起始簇號獲得
起始扇區(qū)*/
clunum = fat[clunum]; /*獲取下一個(gè)簇號*/
for(i=0; i《gbpb.sec_per_chus; i++) /*從SD卡中
讀取一簇?cái)?shù)據(jù)*/
{ret = sd_read(rsv, secnum+(UINT32)i);
…
for(j=0; j《512; j++)fdata[count++] = rsv[j];}
}while(clunum != 0xFFFF);
3.1.2 長文件名支持
具有長文件名的一個(gè)文件或目錄實(shí)際對應(yīng)著多個(gè)目錄登記項(xiàng)(FDT),由幾個(gè)長文件名和一個(gè)別名組成。作為別名的短文件名以傳統(tǒng)的8.3文件名格式存儲在一個(gè)FDT中,其余的幾個(gè)長文件名則存儲在屬性標(biāo)志為0x0FH的FDT中。每個(gè)這種登記項(xiàng)中可以存儲13個(gè)字符,當(dāng)讀取文件或目錄時(shí),操作系統(tǒng)會將它們重組成可以包含小寫字母的長文件名[7]。實(shí)現(xiàn)思路為:獲取文件及目錄信息時(shí),記錄屬性為0x0F的登記項(xiàng)中的內(nèi)容直到出現(xiàn)屬性為0x01或0x02的登記項(xiàng),然后從之前記錄的登記項(xiàng)內(nèi)容中得出真正的文件或目錄名。支持長文件名的FDT結(jié)構(gòu)定義如下:
struct _longname_fdt_{
UINT8 name[2048]; /*文件名*/
UINT16 nlen; /*文件名的實(shí)際長度*/
UINT8 attr; /*屬性*/
UINT8 rsvd_data[10]; /*保留數(shù)據(jù)*/
UINT16 wrt_time; /*最后更新時(shí)間*/
UINT16 wrt_date; /*最后更新日期*/
UINT16 fst_clu; /*第一簇*/
UINT32 file_size; /*文件大小*/};
typedef struct _fdt_ FDT;
3.2 μC/OS-II任務(wù)劃分
在Nios II IDE集成開發(fā)環(huán)境中整合了?滋C/OS-II操作系統(tǒng),集成該操作系統(tǒng)后,根據(jù)系統(tǒng)的功能和軟硬件功能模塊設(shè)計(jì)多個(gè)任務(wù),各個(gè)任務(wù)間通過信號量、全局變量等方式進(jìn)行通信[8]。任務(wù)調(diào)度示意圖如圖6所示。
TaskStart任務(wù):優(yōu)先級為0,初始化硬件設(shè)計(jì)和全局變量;創(chuàng)建其他任務(wù),創(chuàng)建完成之后自我刪除,不參與任務(wù)調(diào)度。
TaskRdMusic:優(yōu)先級為2,從SD卡的音頻文件夾中讀取音頻數(shù)據(jù),完成一次操作后,跳轉(zhuǎn)到TaskPlayMusic.
TaskPlayMusic:優(yōu)先級為3,將讀取的音頻數(shù)據(jù)送至音頻解碼芯片的緩沖區(qū)內(nèi),以播放音樂。與TaskRdMusic之間通過信號量1切換。
TaskRdPhoto:優(yōu)先級為1,從SD卡的圖像文件夾中讀取一個(gè)圖像文件數(shù)據(jù)。
TaskFileHead:優(yōu)先級為2,圖像數(shù)據(jù)讀取完成后,分析文件頭,以確定圖像文件格式,根據(jù)其格式將圖像數(shù)據(jù)送至對應(yīng)解碼器。
TaskDisplay:優(yōu)先級為2,向LCM_SRAM IP核發(fā)出顯示命令,使SRAM中解碼后的圖像數(shù)據(jù)顯示到LCM上。
系統(tǒng)上電后,首先對各個(gè)硬件模塊及軟件中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化。如果初始化失敗(如SD卡沒插入、不帶有FAT16文件系統(tǒng)等),系統(tǒng)將再次進(jìn)行初始化嘗試;如果初始化成功,則系統(tǒng)按照圖7進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。
系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)好以后,將硬件配置文件下載到FPGA,再運(yùn)行軟件程序可查看實(shí)際顯示效果。
圖7中,上方是分辨率為800×400的JPEG源圖像;圖7(a)為LCM上顯示的效果圖,該圖經(jīng)過縮小以適應(yīng)屏幕的分辨率,此時(shí)的分辨率為320×160,居中顯示,背景為黑色;圖7(b)為按照屏幕尺寸縮放效果,此時(shí)分辨率為320×240;圖7(c)為順時(shí)針90°旋轉(zhuǎn)后的顯示效果,此時(shí)圖像分辨率為120×240.
該多功能數(shù)碼相框系統(tǒng)以Nios II軟核處理器為核心,其優(yōu)點(diǎn)是有很高的靈活性、硬件可裁剪、產(chǎn)品開發(fā)周期短、便于升級。在SD卡上使用FAT16文件系統(tǒng),便于對音頻、圖像文件進(jìn)行分類管理,并使多功能數(shù)碼相框與PC機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)更加方便。利用Nios II軟核特性移植?滋C/OS-II操作系統(tǒng),完成了各個(gè)功能模塊的任務(wù)調(diào)度,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,簡化了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。該數(shù)碼相框不僅可以用于產(chǎn)品原型開發(fā)、直接銷售,而且還可以進(jìn)行定制,滿足定制個(gè)性化禮品的市場需求,為多功能數(shù)碼相框開辟更加廣闊的市場。
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