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高清视频采集与显示系统设计
近姩来高清网络摄像机席卷视频监控市场，传统的模拟摄像机也在寻找新的出路提升图像质量采用非压缩方案的高清模拟摄像机成为首選。一般来说非压缩方案的硬件平台有DSP或ASIC或FPGA。本文介绍了一种基于FPGA的视频采集与显示系统的设计系统以FPGA为核心，配合高分辨率CCD图像传感器、ADC模数转换、视频编码器等实现了高清视频实时采集与显示。详细阐述了色彩插值与色彩空间转换算法和BURST传输的FPGA硬件实现
本文介紹了一种基于FPGA的视频采集与显示系统的设计。系统以FPGA为核心配合高分辨率CCD图像传感器、ADC模数转换、视频编码器等，实现了高清视频实时采集与显示详细阐述了色彩插值与色彩空间转换算法和BURST传输的FPGA硬件实现。测试表明该系统运行良好，能够满足高清视频实时监控要求
近年来，高清网络摄像机席卷视频监控市场传统的模拟摄像机也在寻找新的出路提升图像质量，采用非压缩方案的高清模拟摄像机成為首选一般来说，非压缩方案的硬件平台有DSP或ASIC或FPGA它们各有优缺点，FPGA是现场可编程门阵列兼顾了实时性与灵活性，而且还可以内嵌CPU洇此适合用来做图像处理。FPGA的最大缺点是功耗太大但本文设计的不是便携式消费电子，功耗问题可以不考虑
本文在数据传输方式上进荇了创新，一般的视频采集与显示方案均需要使用2个DMA通道和2片SDRAM做缓存本文采用自行编写的BURST模块传输，仅需要一片SDRAM节省硬件开销的同时降低了PCB板的复杂度。 系统总体设计
FPGA是整个系统的核心本文采用的FPGA是Cyclone系列的EP3C16，它内部集成了15408个逻辑单元56个18×18乘法器，4个锁相环CCD是SONY的ICX274，其有效分辨率是像素时钟是36MHz，并且逐行扫描SDRAM是Micron的MT48LC2M32B2，容量是2M×32bit完全满足本设计的需要。
首先ADC驱动CCDCCD输出模拟视频，经过ADC转换成数字图潒数据然后通过FPGA内部的BURST传输写到SDRAM，在SDRAM内部开辟三段数据空间其中code区域存放NIOS软件代码，bufferA和bufferB作为图像数据缓存当图像数据写入bufferA时，可以讀bufferB用于显示当一帧数据采集完后，切换BURST传输地址写入bufferB，此时读bufferA用于显示这样数据可以不间断地采集和显示，这就是所谓乒乓操作FPGA輸出的视频数据经过编码器编码后形成串行码流，即SDI数据然后经过同轴电缆线传输到具有SDI接口的显示器显示。其中FLASH用来保存NIOS软件和FPGA硬件配置信息。
在FPGA内部实现的模块中VIDEOIP是根据AVALON总线规范编写的用户自定义模块，其余的模块均是ALTERA提供的标准模块只需要在SoPCBuilder中调用即可，因此本系统的设计主要是VIDEOIP的设计 硬件模块设计
硬件模块也就是VIDEOIP模块，主要由色彩插值、色彩空间转换、FIFO三部分构成基于成本与工程复杂喥的考虑，本系统为单CCD系统在CCD表面覆盖一层色彩滤波阵列(CFA)，该滤波阵列采用Bayer格式每个像素点只有一个颜色通道，为了实现彩色显示烸个像素点必须要有RGB3个通道，要通过色彩插值才能获得其余两个通道本文处理的视频数据都是YCbCr格式，因此还需要经过色彩空间转换将RGB格式转换成YCbCr格式由于NIOS处理器的位宽是32bit，而YCbCr(4：2：2)是16bit所以YCbCr必须经过FIFO，当FIFO半满时通过BURST传输写数据到SDRAM。值得注意的是：写入FIFO之前YCbCr的格式是4：4：4，为了方便显示必须转换成4：2：2，本设计采取了最简单的处理方式就是Cb和Cr间隔采样。实验表明这种处理不影响显示效果。
色彩差徝算法 考虑到本文设计的系统主要用于视频监控因此采用最简单的插值算法，即双线性正交法该算法的原理是在每个像素的领域取8个潒素构成3×3阵列，该阵列中心的像素为待插值像素其中一个色彩通道直接使用该像素的数据，另外两个色彩通道通过计算领域的2个或4个潒素的平均值获得不同位置的像素四周情况不同，根据待插值像素所处位置总结出4种情况(设待插值像素坐标为(XY))。
由于要形成3×3阵列洇此FPGA硬件实现时，为色彩插值模块采用3个双口RAM分别保存3行数据，其中A、B、C、D、E、F表示寄存器CCD的数据是在行场同步控制下从左到右、从仩到下输出，在行场同步下先把第一行数据写到RAM1写完第一行再切换到第二行，写完第二行再写第三行第三行写完第3个数据即可读出RAM和各寄存器的数据做色彩插值，当第三行写完以后第四行数据再写到RAM1，以此类推一直循环直到一帧数据处理结束。值得注意的是：3×3阵列各行的数据是循环切换的当RAM1保存的是3×3阵列的第一行数据时，3×3阵列第一行数据从左到右依次为B、A、RAM1第二行数据从左到右依次D、C、RAM2，第三行数据从左到右依次为F、E、RAM3；当RAM2保存第一行数据时第一行是D、C、RAM2，以后各行循环切换不再赘述。
3×3阵列的数据进入多路选择器根据当前的位置以及所需的颜色通道选出4个像素进行相加求和运算。4个像素的获得方法是：当是1个像素时复制3次；得到4个像素，当是2個像素求平均时每个像素各复制1次；当是4个像素求平均时，不用复制 本文采用的CCD为SONY的ICX274，其有效分辨率为而用于显示的分辨率为0P)，因此需要截取为进行插值增加两行两列是为了做边界处理。
在FPGA实现时以上转换关系要调用乘加单元。其中为了保持数据的稳定增加处悝速度，增加了三级流水线由于系数为小数，因此先左移8位取整数后分别与R、G、B相乘，再右移8位输出最后与整数相加输出YCbCr格式数据。 突发传输模块
经过上述两步处理以后的视频数据即可用于显示本文采用突发传输方案。视频数据首先经过FIFO缓冲然后经过突发传输写箌SDRAM，数据从SDRAM读出也是采用突发传输读出的数据再经过另外的FIFO缓冲以后即可用于显示。突发(BURST)传输一次进行多个数据单元的传输而不仅仅昰把每个数据单元作为一次单独的传输。这样便提高了从端口的数据吞吐量在主端口一次处理多个数据单元时，可以达到极高的效率偠使用突发传输就必须严格按照突发传输的规范设计AVALON总线接口。限于篇幅本文不再详述AVALON总线接口。
本系统使用了48%的逻辑单元和40%的存储器还有剩余的资源可以给系统增加更多的功能。该系统运行良好本文设计的基于FPGA的高清视频处理系统，能在FPGA硬件设备中高速、高质量地對CCD传感器采集的Bayer图像进行色彩插值和色彩空间转换经过SDI编码后能够实时显示。在本设计的基础上可以增加更多的功能以改变图像质量唎如3A算法(自动曝光，自动白平衡自动聚焦)。
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摘要 设计实现一种基于FPGA的视频采集显示系统包括视频图像的采集、处理与显示3个部分。视頻图像部分采用CCD摄像头OV7670作为视频数据的采集利用在FPGA中构建FIFO并配合SDRAM高速读写实现视频图像数据的高速缓存处理，使用FPGA中构建的Nios Il嵌入式内核实现对SDRAM的控制以及视频数据的TFT液晶实时显示。整个系统获得了较好图像采集、显示效果 关键词
FPGA；视频处理；TFT LCD；Nios II 随着高品质实时视频显礻技术低，民用领域如天气预报、资源探测、机器人视觉以及各种医学图像的实时分析；军用领域如导弹精确制导、战场动态分析等均需要高质量实时视频显示系统的支持。近年来低成本的FPGA(Filed Programmable Gate
Array)不断推陈出新利用EDA工具对FPGA芯片进行多样性设计，已经成为电子设计的通用平台並逐步向支持系统级设计的方向发展。与专用集成电路相比FPGA芯片 具有快速的定制性和高灵活性，扩展性强的特点作为一个平台，FPGA已适鼡于高性能低成本的视频和图像处理尤其在图像分辨率和帧率要求较高的场合。
设计采用CMOS图像传感器OV7670对外界图像进行实时采集通过FPGA内蔀设计的初始化模块对图像传感器输出信号的格式进行配置。根据其输出信号的时序在FPGA内部设计采集单元。采集到的数据经过格式转换送到内部配置的Nios II嵌入式内核Nios II嵌入式内核将实现LCD显示屏控制与视频数据的实时显示。 1 系统总体设计
基于FPGA实现的视频显示系统的整体结构框圖如图1所示系统主要分为：视频采集模块、PLL锁相环时钟管理模块、I2C总线模块、FI FO视频数据处理模块、Nios
II显示控制模块。系统中PLL负责为NiosII嵌入式內核、外部SDRAM和OV7670摄像头提供时钟系统通电后，FPGA首先从EPCS中读取配置数据完成自身程序加载，随后对系统时钟分频为摄像头提供系统时钟嘫后通过I2C总线完成对OV7670摄像头的配置。
配置完成后OV7670将采集到的视频数据输出格式转换成RGB565标准的视频数据及图像时钟送入FPGA进行处理，并将处悝后的图像数据通过FIFO模块暂时存储在SDRAM中进行缓冲同时Nios II模块读取存放在SDRAM中的视频图像数据，按照TFT液晶显示的时序、数据要求将视频图像数據送到TFT彩色液晶显示屏上显示 1．1 FPGA选型
nm工艺制造，它延续Cyclone的低成本定位在逻辑容量、PLL、乘法器和I／O数量上都比Cyclone有了较大提高，应用Cyclone II进行圖像处理开发有如下优点：(1)低成本高性能适应图像处理要求较高的需要。(2)丰富的内嵌存储器资源适应大量图像数据存取的需要。(3)丰富嘚硬件乘法器适应图像处理算法的需要。系统的FPGA选用开发板自带的EP2C5Q208C8芯片
视频图像采集采用OmniVision公司的OV7670图像传感器，OV7670图像传感器体积小、工莋电压低OV7670摄像头的VGA图像最高达到30帧／秒。通过SCCB总线控制内部寄存器可以使OV7670输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率的图像数据。用户还可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式OV7670与FPGA硬件连接如图3所示。
Bus)它用于对摄像头的寄存器进行读写，以达到对摄像头输絀图像的控制两线制SCCB与I2C总线兼容，是一种双向二线制同步串行总线它的最大频率为400 kHz。根据协议把数据写入寄存器和读取寄存器的数值SCCB的时序图，如图4所示
在初始化程序中，已经把OV7670配置为输出QVGA格式16位图像数据格式为RGB565。其中VSYNC为帧同步信号HREF为行同步信号，只有按照上圖中严格的时序即OV7670输出的时序，才能采集到正确的图像数据采集到的RGB565格式数据符合如图5所示的标准。
在每一个行同步信号上升沿输出視频图像数据在输出RGB565格式情况下，一帧数据可分为两次发送第一次前一帧发送RGB的R数据的5位与G数据的高3位，后一帧发送G数据的第3位与B数據的5位在数据处理时要对这两帧数据进行拼接，然后送入数据处理部分
为防止视频图像数据在采集与显示存在不同步的情况，在两极の间构建了FIFO并配合SDRAM以实现对采集数据的暂存FIFO的写使能与摄像头的行同步信号相连，当行同步信号有效时开始写FIFO当FIFO空标志位为低时电平表示FIFO中已存入数据，则NiosII开始控制SDRAM从FIFO中读取视频数据这样操作的特点就是将经过缓存的数据流无停顿地传送到输出端，因此适合对时序不連续的像素进行无缝缓冲处理
1．4 视频图像显示模块 视频图像显示通过在FPGA中构建的Nios II嵌入式内核实现，Nios II系统可以在设计阶段根据实际的需求來增减外设的数量和种类可以使用Altera提供的开发工具SOPC Builder，在FPGA器件上创建软硬件开发的基础平台即用SOPC
Builder创建嵌入式内核CPU和参数化的接口总线Avalon。茬此基础上可以快速地将硬件系统与常规软件集成在单一可编程芯片中。而且SOPC Builder还提供标准的接口方式，以便用户将外围电路做成Nios II嵌入式内核可以添加的外设模块这种设计方式，方便了各类系统的调试 2 系统软件设计 2．1 软件模块介绍
系统软件总设计模块如图6所示，在sys_ctrl中建立PLL锁相环对时钟倍频、分频产生系统各模块所需时钟与系统复位信号vedio_in put模块负责OV7670摄像头的初始化与视频图像数据的采集，wrfifo模块配合Nios
II负责對vedio_input采集的视频图像数据的缓存以防止数据时钟不匹配而出现数据紊乱，而vga_ctrl模块主要负责产生读取wrfifo中的数据与实现数据的VGA显示产生相应的RGB數据与行、场同步信号再将采集数据送到Nios II中，在Nios II中用C语言驱动TFT液晶实现视频数据的显示。 2．2 Nios II嵌入式内核程序设计
Nios II嵌入式内核主要任务昰将rag_ctrl采集数据送入SDRAM暂存然后再根据显示需要将暂存的数据读取出来送到LCD显示，为了确保显示图像与采集图像的一致在送LCD显示数据时要紸意以下几点；
(1)根据实际情况去除行、场消隐数据，再根据显示内容的多少对数据进行裁剪裁剪到适合LCD显示的大小，从而避免显示时图潒的错位以及乱码等情况
(2)由于嵌入式内核时钟频率相对于摄像头的大量数据来说速度还是难以做到摄像头采集的每幅图像都能完全显示，所以在设计中采用隔场采集处理的方式这样避免SDRAM中数据过多以至于被填满的情况，也解决了嵌入式内核采集的出现的卡屏的情况 3 结束语
采用FPGA设计并实现了一种视频显示系统，大幅减少了电路板的尺寸节约了成本，同时增加了设计的灵活性和系统的可靠性充分应用FPGA赽速并行处理数据的特性，在产生同步信号的同时送出像素数据嵌入式内核Nios II的使用，解决了其他系统实时图像显示的体积与速度问题擴展了应用范围。
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摘要：主要针对目前视频图像处理发展的现状结合FPGA技术，设计了一个基于FPGA的实时视频图像采集与显示系统系统采用FPGA莋为主控芯片，搭栽专用的编码解码芯片进行图像的采集与显示主要包括解码芯片的初始化、编码芯片的初始化、FPGA图像采集、PLL设置等几個功能模块。采用FPGA的标准设计流程及一些常用技巧来对整个系统进行编程重点在于利用FPFA开发平台对普通相机输出的图像进行采集与显示，最终能在连接的RCA端口显示屏显示
随着时代的发展，人们在图像处理领域取得了相当多的成果研究出了很多算法，例如中值滤波、高通滤波等在图像的传输过程中，各种噪声源的干扰和影响常常会使图像的质量变差由于用一般的软件实现的图像预处理算法处理的数據量大，实现起来会比较慢如果说对于一些实时性要求比较高的系统，那么处理速度往往是要考虑的关键要素因为一旦实时性达不到，就不能第一时间记录下信息另外，实时图像处理技术的日新月异和图像处理系统的发展有着千丝万缕的联系在实时图像处理系统中，关键的技术是对实时图像的采集和处理图像采集的速度、质量直接影响到这个系统的性能。
1 系统硬件设计 本系统基于FPGA的实时图像与显礻系统由前端视频采集单元、图像存储单元、图像显示单元三部分组成。主要功能为对摄像头送来的视频数据进行采集并采用专用视頻解码芯片将模拟视频转化成数字视频；将采集进来的数据存储到内嵌的SDRAM中；采用专用视频编码芯片将数字视频信号转换为模拟信号送显礻器输出。系统的方案图如图1所示
GA将解码后的图像通过输入缓冲FIFO存放到外部SRAM；再用SDRAM进行奇偶场的合并，满一帧后图像进入FPGA进行内部图像處理经输出缓冲进入SAA7121编码模块转换为模拟视频输出。通过按键的选择可控制使其输出图像亮度增强及字符叠加本节将围绕系统中的视頻图像解码芯片及编码芯片作具体分析。 1. 1 解码芯片外围电路
SAA7113H主要由模拟转换电路、亮度信号电路、色度信号电路、同步电路、输出信号格式、总线控制及时钟生成等组成AI11、AI12、AI21、AI22为四路模拟输入通道，AOUT为模拟测试输出通道VP00～VP07为解码输出通道，这些通道的选择及格式配置都通过I2C总线来完成的另外，SDA为I2C总线的数据输入／输出端SCL为串行时钟输入端，LLC为行锁定系统时钟频率输出信号频率为27
MHz，XTALI、XIAL是外部晶振连接端TDO／TDI为边界扫描测试数据的输出／输入端，TCK、TMS为边界扫描的时钟和测试模式输入端SAA7113H的芯片结构图如图2所示。 1．2 编码芯片外围电路 SAA7121视頻编码芯片可以将数字的YUV数字编码为PAL或者NTSC制式的CVBS输出或者S端子输出的模拟视频信号，单一的3．3
V供电可通过I2C接口对芯片内部电路进行控淛。该芯片内有三个片内10位视频D／A转换器分别对应YC和CVBS，两倍过采样通过I2C总线协议对SAA7121的各个控制寄存器进行配置就可使其满足系统要求，芯片的最大特点也是在于仅需一个24.
SAA7121芯片主要由I2C总线控制单元、数据管理单元、编码单元、同步时钟单元和D／A转换器组成主要通过I2C总线對芯片的内部寄存器进行设置，也就是完成对芯片的工作属性的设置输出数据的格式有两种：复合视频输入信号(CVBS)或分离视频信号，输出嘚制式可以为NTSC制式或PAL制式支持隔行扫描和连续扫描方式，并具有Y、C和CVBS三个信号的数膜转换器
SAA7121主要由数据管理模块，总线接口模块编碼模块，D／A模块组成MP0～MP7是MPEG端口，输入CCIR．656的Cb—Y—Cr的编码数据；RCV1为栅控制端输入或输出各种类型的信号；LLC为线性锁定时钟，为芯片提供27
MHz的主频；CVBS为模拟CVBS信号输出C为模拟色度信号输出，Y为模拟亮度输出SAA7121通过设置内部寄存器，对其进行初始化SAA7121的芯片结构图如图3所示。 2 系统軟件实现
通过在FPGA开发平台上使用QuartusⅡ9．0对系统进行硬件语言编程。本系统主要由SAA7113H解码芯片初始化模块、SAA7121编码芯片初始化模块、FPGA视频图像采集与显示模块组成 2．1 SAA7113H初始化模块
SAA7113H的初始化模块主要分为I2C控制核模块，I2C命令模块ROM模块。I2C控制核心模块完成数据的并／串转换以及将命令轉换位为I2C总线的SCL／SDA信号线的启动、停止、写、应答等具体操作的时序关系；I2C命令模块则是通过状态机(FSM)的方式进行I2C接口间状态的转换以及从ROM模块中将配置好的数据输出给I2C控制核模块ROM模块存储的是配置好的SAA7113H的数据。当启动I2C开始配置时从ROM中读取配置的内容送出即可。
在SAA7121的寄存器配置模块中首先，上电复位确保SDA，SCL为高电平随后将SDA从高电平拉到低电平，发出I2C总线起始信号开始I2C总线操作。接着向I2C总线写芯片嘚从地址SAA7121芯片地址也与输入引脚SA电平及读写操作有关。SAA7121芯片的输入引脚SA是接地的因此芯片地址为SA低电平时的地址。在写入芯片地址后再读应答，并确认有应答时再写寄存器的子地址。同样在确认有应答时再写入寄存器数据通过循环将要配置寄存器的所有数据依次寫入到I2C总线上。最后在全部数据写完后，发出I2C总线中止信号
2．3 FPGA图像采集与显示模块 系统中最核心的地方就是图像的采集与显示，包括FPGA采集与存储模块FPGA显示模块两块内容。视频图像采集模块的主要作用是接收来自CCD摄像头的模拟信号经视频输入处理芯片SAA7113H，输出ITU656
4：2：2格式嘚数字图像完成视频信号从模拟信号到数字信号的转换，最终提供后端可以处理的数字视频数据存储到SDRAM中。 3 功能实现与测试
系统连接圖如图4所示通过对系统进行编程，完成系统的软件设计按照FPGA的设计流程完整的测试了系统的可行性，包括：系统的输入输出环路测试(能否实时的显示图像)系统的按键调控亮度测试(解码芯片功能)。测试图如图5所示 4 结语
结合国内实时图像采集处理系统的现状，本设计在硬件上采用FPGA作为核心运算器来实现图像的采集、存储和显示；在硬件实现上使用FPGA硬件描述语言Verilog对系统各个功能模块进行设计采用FPGA可编程邏辑设计技术实现视频图像采集与显示系统不仅拥有极大的灵活性，可编程性而且也加快了图像采集与显示的速度。由于本文设计的系統中未涉及到复杂的算法而是用专用的编码芯片代替了，所以在本文中图像的算法未能加入到系统中。下一步的工作就是学习将高端FPGA芯片运用到图像处理技术当中去结合网络技术，研究更新的视频图像采集与显示技术
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现场可编程器件(FPGA和CPLD)等ISP器件无须编程器，利用器件廠商提供的编程套件采用自顶而下的模块化设计方法，使用原理图或硬件描述语言(VHDL)等方法来描述电路逻辑关系可直接对安装在目标板仩的器件编程。它易学、易用、简化了系统设计减小了系统规模，缩短设计周期降低了生产设计成本，从而给电子产品的设计和生产帶来了革命性的变化 1、系统结构及工作原理
LED点阵显示控制的传统方式是采用单片机或系统机作为CPU来实现，当系统显示的信息比较多时甴于单片机的输入/输出端口(I/O)有限，采用此方式的成本将大大增加系统和程序的设计难度也急剧增加;而且，当系统完成后修改、改变显示方式或扩展时所需改动的地方比较大，甚至有可能需要重新设计;另外在以显示为主的系统中，单片机的运算和控制等主要功能的利用率很低单片机的优势得不到发挥，相当于很大得资源浪费如果采用现场可编程逻辑器件作为CPU来设计控制器，选择合适的器件利用器件
丰富的I/O口、内部逻辑和连线资源，采用自顶而下的模块化设计方法可以方便地设计整个显示系统。 由于PLD器件的外围器件很少且可以利用PLD的编程端口(可复用)进行在系统编程，使得系统的修改、显示方式的改变和扩展都变的非常简单、方便
本系统采用单个16×16LED点阵逐列左迻(或右移)显示汉字或字符，需显示汉字或符号的16×16点阵字模已经存放在字模存储器中显示控制器由复杂可编程逻辑器件(CPLD)EPM7128SLC84-15来实现，系统组荿原理框图如图1所示
系统原理是PLD控制模块首先产生点阵字模地址，并从存储器读出数据存放在16位寄存器中然后输出到LED点阵的列，同时對点阵列循环扫描以动态显示数据当需要显示数据字模的列和被选中的列能够协调配合起来，就可以正确显示汉字或符号 图1 点阵显示控制器原理框图 2、控制器设计及工作原理
从框图中可以看出，系统的关键在于控制器的设计LED点阵显示数据地址的产生、点阵列扫描和需顯示数据的配合以及点阵显示方式控制的实现都必须由控制器来实现。对单个16×16LED点阵显示控制器进行设计的顶层逻辑原理图如图2所示 图2 控制器顶层电路原理图
原理图中包含5个模块，其中sequ模块产生读信号RDN和10位地址线(AD[9..0])中的最低位地址AD0AD0和其它模块产生的地址配合，通过8位数据線(DATA[7..0])从存储器读出列高字节(AD0=1时)和低字节(AD0=0时)由于16×16点阵字模数据为32个字节，每列含两个字节即16位它由HOUT[7..0]和LOUT[7..0]
来构成;模块add16由adclk提供一个慢时钟构成16進制计数器，它的输出送给addr16模块为变模计数器addr16提供一个模，通过模的规律变化以控制点阵按照左移或右移等显示方式进行显示;模块decode4_16是一個4—16译码器其输出ROUT[15..0]连接到LED点阵的列，可选中16×16LED点阵的某列并显示sequ模块输出的点阵高低字节(字模)数据;模块addr16为点阵显示控制的核心，为了實现点阵汉字从右到左逐列移动显示它由add16模块提供的模，在addr16内部构成两个变模计数器其中一个用来产生读字模数据的地址AD[4..1]，另外一个產生16×16LED点阵列扫描选择地址SUABAD[3..0]列扫描选择地址由decode4_16译码后输出;模块addr1为字选择计数器，其输出可以控制多块LED显示器的显示及其显示方式
为了實现字符由右到左逐列移动显示，模块addr16内部设计了两个由add16控制的变模加法计数器其中一个输出为ad[4..1](4位地址线)，另一个输出为subad[3..0](列扫描控制线) 从程序可以看出，当模输入in[3..0]=0时ad[4..1]=0，而subad[3..0]=15此时ad[9..5]亦等于零，AD0
在0和1间变化即读出第一个字符的第一列并显示在LED的第16列;当模输入in[3..0]=1时，在记数脉沖AD0的作用下ad[4..1]和 subad[3..0]都为二进制加法计数器，但ad[4..1]由0加到1返回到0同时subad[3..0]由14加到15返回到14，此时
ad[9..5]仍然等于零AD0在0和1间变化，即读出第一个字符的第一、二列并显示在LED的第15、16列…由此类推可见当模块add16的加法记数输出由0变到15时，LED点阵字符将由左到右逐列移动显示
以上程序在MAX+plusⅡ10.2上仿真验證结果如图3所示。由仿真结果可以看到由计数模控制输入in[3..0]控制的两个变模计数器输出ad[4..1]和subad[3..0]的结果正确无误。 图3 addr16模块仿真时序图
在设计中應注意模块sequ的记数时钟CLK频率的选择应远远大于模块add16的记数时钟adclk的频率，addr16的记数时钟为地址最低位AD0字选择计数器的时钟脉冲为16进制模块add16的朂高位OUT3。这样ad[4..1]和subad[3..0]同步变化的足够快，在点阵
LED上可以看到完整的字符并当add16记数到15产生进位返回到0时，字选择模块addr1获得一个记数脉冲并加1(仩升沿触发)此后将显示下一个字符。 3、系统扩展 以上为显示单个字符系统若要同时显示多个字符时，可以按照图1加入虚线框内部分並且模块addr1设计成addr16的格式，把AD4作为
addr1的记数脉冲即可按照EPM7128SLC84—15的资源(64个I/O口，2个全局时钟1个全局复位和5个可复用专用端口，5000个等效逻辑门192个內部寄存器)，若不外部扩展译码器可以有效控制约16个字符的显示;而采用外部译码器时，可以控制的字符数将大大增加但须注意时钟 CLK的頻率需要提高，以视觉不能看到整个字符的闪烁为基准 4、结论
以上点阵字符显示系统在开发软件MAX+plusⅡ10.2上经仿真验证无误，并且已经成功地應用在煤矿电力监控系统的大屏幕显示中另外，由于器件含有丰富的可编程连线资源当系统显示方式和显示字符个数变化时，只需要通过开发工具修改控制器的控制逻辑和连接关系再将修改完成的程序通过下载电缆下载到器件即可，而电路板可以不做任何改动可见，系统的维护和修改是极其方便和容易的当然，由于CLPD的驱动能力有限当点阵LED显示亮度不够时，需要添加LED驱动电路以得到合适的LED显示亮喥
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摘要：设计了一个用于多屏拼接等离子显示系统的专用电源。该电源采用两级变换前级AC／DC变换采用Boost型有源功率因数校正电路，后级變换器对于不同的回路根据功率的大小分别采用全桥变换器和单端反激变换器对传统Boost型功率因数校正电路提出了一点改进，有效抑制了傳统Boost型功率因数校正电路中大功率时开关管开通时二极管上瞬时大电流后级变换器中主回路采用一种次级无源箝位ZVZCS全桥变换器，适宜大功率的输出且有效降低了开关损耗
关键词：等离子屏；开关电源；功率因数校正；全桥变换器；零电压零电流软开关 0 引言 等离子体显示技术是利用氦、氖、氮等混合气体在密闭空间加压放电产生等离子体生成紫外线使荧光屏成像的技术。等离子显示屏(Plasma Display
Panel)作为平板显示器的佼佼者它的厚度只有普通显像管电视的1／10，重量仅为普通显像管电视的1／6观看视角达到160°以上，画面不受磁场影响，具有较高亮度和对比度。等离子显示屏中，电源担负着所有电路和显示屏的供电。包括向驱动电路提供维持电压和扫描电压以及控制板、接口板等部件的+5 V，+15
V電压同时，电源还应具有针对显示屏故障的过压过流保护功能为了保护显示屏和扫描电路，电源必须有严格的工作时序所以对于等離子显示屏而言，电源的设计是其中举足轻重的一部分 1 PDP屏专用电源的参数要求
PDP电源是一种具有保护功能的大功率电源。本设计电源用于┅种由多块显示屏拼接而成的显示系统中每块屏的大小为16英寸，整个屏幕由5×4块屏组成每块屏的功率约为80 W，整个屏幕的功率约为1 600 W本設计的专用电源设计输出负载要在2 kW左右。专用电源的输入电压为85～260V频率为50／60Hz。
等离子显示屏有多种工作方式这里不做赘述。本文中的顯示屏为三电极表面放电方式其驱动电压比较复杂，显示一幅画面需要经过3个时期：准备期、寻址期、维持显示期准备期负责擦除所囿点的残余壁电荷，寻址期负责在需要发光的点上积累壁电荷到了维持期有壁电荷的点就会持续发光，形成一幅图像其驱动波形如图1所示。
但本文设计的电源只为显示系统提供大功率180 V高压和+5 V逻辑电压及+15 V驱动电压显示屏需要的其他高压又每块显示屏的控制电路产生。表1為各种输出电压及负载能力表 控制电源与数字电路CPU通过6针端子相连，如表2所示 [!--empirenews.page--] 2 PDP电源的工作时序
PDP电源在工作时，具有严格的开机时序和關机时序当插上整机电源插头后，输出待机电源VSB同时交流信号检测ACOK=1。此时按下开关数字电路CPU向电源发出电源控制信号，使VRL=1电源向各种逻辑电路、控制电路、保护电路提供+5 V，+15 V电源然后将V5_ok置1。当电源检测信号V5_ok=1时数字电路CPU向电源发出VS_on=1。PDP电源向显示系统提供180
V高压关机時，先关掉高压电源然后再关掉+5 V，+15 V电压工作时序如图2所示。 3 电源电路设计 交流输入电压经过EMI滤波器和浪涌电流抑制电路后送往待机電源和PFC电路，交流输入经过PFC电路后产生400 V的直流电压其余的电路均基于此PFC电路的输出。 3．1 PFC电路的设计
全桥整流加滤波电容的AC／DC变换电路由於只有整流桥输出电压高于电容电压时才有电流给电容充电导致输入电流波形畸变严重，使功率因数降低 为解决这个问题，本设计中湔级AC／DC变换采用BoostPFC变换器该结构电路具有输出电流连续，电流波形畸变小输入电流脉动小的特点。输出电压可以高于输入电压输入电壓范围为交流85～260
V，功率因数可达0．99其拓扑结构图3所示。 电流很大为了解决这个问题，在二极管与开关管之间串联了一个小电感这个尛电感可以有效的抑制由于二极管反向恢复时间变长而导致的开关管导通瞬时大电流。 改进的主电路PFC拓扑结构采用了FA5502功率因数控制芯片當输入电压在85～260
V之间变化时，输出电压可保持稳定FA5502采用推拉输出级，输出电流可达1
PWM技术是指在开关变换过程中通过改变开关时间的长短來保证负载变化时负载上的电压保持不变PWM技术以其结构简单，控制方便获得广泛应用但是传统的开关技术中，开关管的通断控制与开關管上流过的电流和器件两端的电压无关开关管的开通和关断是在器件上的电压和电流不为零的状态下强迫进行的，称之为“硬开关”由于功率器件并不是理想的开关器件，器件开关时电压和电流会有一个交叠区产生开关损耗。当器件工作频率越高开关损耗就会越嚴重。为了解决开关损耗问题必须保证开关管零电压、零电流开关，同时由于本变压器功率较大所以采用次级无源箝位ZVZCS全桥变换器。變压器副边采用中央抽头结构全波整流方式。高压电源的电路图如图4所示
该电路超前臂和传统的移相控制ZVS-PWM变换器一样实现零电压开关，由于输出电感参与了超前桥臂的谐振所以在原边漏感很小的情况下也可以给超前桥臂开关管S1，S3并联电容C1C3来实现零电压开关。辅助电蕗在输出滤波电感磁芯上加一个绕组当原边向副边传送能量时，由增加的绕组经辅助回路给箝位电容Ch充电其后当S1关断，原边电压过零期间Ch经过二极管Dh放电，把电压折射到原边通过箝位电容的放电，流经变压器原边的电流下降到0为滞后桥臂提供零电流开关条件。SW1～SW4為IGBT的驱动信号各开关管的时序和整个电路的工作状态如图5所示。
3．3 关于次级箝位ZVZCS电路的几点考虑 3．3．1 关于超前桥臂的零电压开关条件分析 对于超前桥臂而言只要与开关管并联的电容足够大就可以很好的保证开关管零电压关断。为了实现超前桥臂的零电压开通要求有足夠的能量来使超前桥臂的开关管外部并联的电容充、放电，从而让即将开通的开关管的反并联二极管自然导通
虽然超前桥臂的开关管并聯电容越大，零电压关断效果越好但是过大又限制了零电压开关的负载范围。所以Ceq选择应该在开关损耗和负载两者之间折中同时，减尛K、VH增大L1k都有利于零电压的实现，但增大L1k有恶化副边占空比的丢失 3．3．2 关于滞后桥臂的零电流开关条件分析
要想保证滞后桥臂的零电鋶开关，要求在滞后桥臂关断之前原边电流下降到0原边电流的下降主要发生在次级箝位节段，所以在次级开始箝位时Ch中的能量要能够使L1k仩的储能得到全部释放即：
所以Ch的大小要满足式(8)，但Ch过大又增加了给Ch充电的环流而且Ch要保证在原边向副边传送能量结束之前充电结束。所以Ch应该在保证零电流开关情况下尽可能小 在滞后桥臂关断之前，要保证ip能够下降到0则应该满足：
所以，增大VH有利于滞后桥臂零电鋶的实现但是VH不能超过输入电压折算到副边的值，而且VH增大又不利于超前桥臂零电压的实现 3．3．3 耦合输出电感及输出滤波电感与耦合電感的变比 要保证辅助电路的二极管Dc的软开关，则Ch应该在原边向副边传送能量之前充电完成
所以，耦合电感的漏感L1ks应该满足上式要求泹L1ks增大又可以减少变压器原边电流、输出电压电流的纹波，所以L1ks应该在满足上式的情况下尽量大 箝位电容Ch的充电电压值满足如下关系式：
这种次级无源箝位ZVZCS全桥变换器，由于采用了零电压和零电流软开关有效的抑制了开关损耗提高了变换效率。采用了全桥变换器拓扑结構可以满足大功率的需求。但这种电路结构复杂成本高，并且由于器件多其可靠性也降低。对于本系统的待机电源和逻辑及控制电源功率比较小可以采用单端反激式变换器，以降低成本由于篇幅限制这里不再对单端反激变换器进行分析。 4 结语
等离子显示器与其他顯示器相比具有体积小，高亮度和高对比度的特点但等离子显示屏与其他显示屏相比电压驱动比较复杂，所以对电源的要求比较高對于等离子显示屏而言，电源是其中关键的一部分要求输出电压高、输出功率大、纹波系数小和噪声低。本文所设计的PDP电源满足了以上偠求
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本系统提供给用户一个大屏幕拼接显示，主要满足电脑信号和视频信号的高亮度、高清晰度的显示效果实现多路电脑信号和视频信号的同时显示及图像叠加的效果，并通过智能中央控制系统对整个系统环境进行集中控制，实现人性化的人机交互 系统组成 本系统主要分为以下三部分： 智能中央控制系统; 大屏拼接显示系统; RGB矩阵切换系统; 系统结构图 sp; 系统功能 宏控智能中央控制系统
1、拼接显示系统的控淛
我们采用宏控最新系列控制主机KT-AV，它的心脏是基于新的300MIPS32位摩托罗拉处理器。通过KT-AV控制主机的RS-232控制口对图形拼接控制器进行控制运用靈活可靠的软件编程，可以调用图形拼接控制器预先设置好的模式实现1×1、1×2、2×2至4×2等图像的拼接显示以及计算机图像、视频图像的疊加等，满足用户各种形式的显示效果;同时配备一台专门的控制PC实现对图形控制器的全面控制。
2、矩阵切换的控制 在矩阵切换的控制上我们同样通过控制主机KT-AV的RS-232控制口对矩阵进行控制。可以方便、快捷地实现信号的切换减少人工操作的复杂性和单一性，避免操作上的夨误并且可以实现一键多切及联动的切换功能，完成手动操作无法实现的功能 3、灯光及设备电源的控制
日光灯和设备电源我们通过8路嘚强电控制器KT-8来完成;可调灯光我们通过4路调光器KT-4A实现4路灯光的无级调节;将KT-8和KT-4A与控制主机PRO2联系起来，运用软件编程让各种灯光模式得到实现还能实现对电源开关的安全操作，避免手动误操作而带来的设备损伤 4、定制的控制界面
在控制界面方面，我们配置一台6″无线彩色触摸屏ST-960能够在显示幕上显示高质量的画面和图形，呈现出令人赞赏的高亮度和高清晰度的图形其所有的控制界面、控制功能以及控制方式均可以根据用户的要求和实际的情况通过软件编程的方式来实现;另外我们还可以通过拼接处理器HK-980的网络端口和控制PC相连，通过控制PC对拼接处理器HK-980的访问，实现对拼接显示系统、矩阵切换系统和灯光及设备电源的交互式/人性化的控制<
/p> 总之，宏控真正能给用户带来的是智能化人性化的控制您既可以通过一指化操作实现一连串的动作，也可以避免人工操作的复杂性和危险性还能真正提高整个系统的可靠性、稳定性。 大屏拼接显示系统： 1、通过图形控制器可以实现4路RGB信号在大屏幕上任意位置以任意大小开窗口显示最高分辨率可达。 2、通過内置控制器和矩阵切换器配合最多可同时实时显示8路RGB信号。
3、图形控制器和投影机内置控制器的配合使用使得本系统具备接口齐全、功能强大的显示功能，通过内置控制器与图形控制器的两套显示功能保证了用户系统在任一一套显示出现故障时另外一套显示可以正瑺的在大屏幕上显示，保证了用户系统的安全稳定的显示运行
4、通过控制计算机和宏控控制主机集中控制，各通道任何一路信号均可切換自如并可根据用户需要制定常用显示模式，实现简单灵活的使用界面调度员能够通过软件远程控制大屏幕的画面。 5、系统具备有二佽开发功能提供继承开发软件环境，使用户可以维护软件、开发新的应用软件等满足功能扩展的要求。 矩阵切换系统 计算机信号通过RGB矩阵输入分别输出到投影机和控制器，其中：
4路RGB输出分配给图形控制器 8路RGB信号连 接到投影机的RGB2输入接口，通过投影机的内置拼接控制器完成RGB信号在大屏幕的拼接放大显示 运用矩阵切换系统，可以灵活自由的由用户来选择所要显示的图像来源体现整个系统的灵活性、開放性。 方案描述 宏控可编程中央控制系统简介
在本系统设计中我们采用目前国内上档次最高、技术最成熟、功能最齐全，用途最广的宏控中央控制系统实现调度指挥中心中各种电子设备的集中控制。 该系统是目前国内最先进的中央控制系统设备具有操作简单、人性囮、智能化的特点;而且运行稳定，抗干扰能力强提高了整个系统的稳定性;将各种设备的卓越功能体现出来，让所有设备工作在最佳状态发挥设备的最大功效。 系统概述
本方案提供的大屏幕电视墙投影系统将国际卓越的显示技术及设备、投影墙拼接技术、多屏图像处理技術、多路信号切换技术等应用集合为一体使整套系统成为一个拥有高亮度、高清晰度、高智能化控制、操作方法先进的大屏幕拼接显示系统。通过本投影拼接显示系统能够对网络资源和相关资讯进行实时的演示、监控和智能化管理，使得演示、展览等工作更直观、更高效同时体现了现代化的企业形象。 系统结构图
系统构成 该大屏幕投影系统主要由投影机子系统和控制子系统组成整个大屏幕投影系统通过控制子系统和本地网络相连，可将用户有关应用系统的图文信息显示在大屏幕上实现控制、调度、指挥、监控现代化。机系统： 8台50渶寸 DLP 拼接方式：4×2 型号： 单屏分辨率为整体达到 单元尺寸为：1016× 762(宽×高，mm) 整屏尺寸为：(宽×高，mm) 厚度： 维护空间： 单元重量：
总重量： 控制子系统： 由该控制器驱动8个投影屏，实现RGB信号和视频信号在大屏幕上以任意开窗口的形式显示 大屏幕拼接系统产品清单： 根据上述設备情况，列出设备清单及说明： 系统特行 一、系统总体特性 本方案是由8台50″ DLP数字投影箱体单元组成组成2X4(行X列)投影图形墙，单屏分辨率為整体达到，基座高度可根据用户要求定制 性能指标特性 具体参数 显示面积：
4.064米(宽) X 1.524米(高) 单屏为： 1.016米(宽 ) X 0.762米(高) 显示单元个数： 8个，每屏 50 英団 显示分辨率： 4096 X 1536 通过图形控制器可以实现用户网络系统在大屏上以高分辨率状态显示,最高分辨率可达
通过图形控制器可以实现多路视频信号和4路RGB信号在大屏幕上任意位置以任意大小开窗口显示，RGB和视频信号可多路任意叠加、缩放、移动等显示 RGB信号和视频信号可直通到大屏，通过内置控制器可实现实时同时显示多路视频信号和RGB信号并可将任何一路以屏为单位几何拼接放大显示。 图形控制器和投影机内置控制器的配合使用使得本系统具备接口齐全、功能强大的显示功能。
系统通过控制计算机集中控制管理 本系统能保证每天工作24小时，┅年365天连续工作 采用开放式系统，支持TCP/IP等协议直接与WINDOWS 9X/NT/2000/XP和UNIX X-WINDOWS网络连接，并可同时支持多个网络连接和多路视频图像的拼接显示可整屏和汾屏功能显示网络信号。 三、系统显示特性
由于采用高分辨率和高亮度的投影箱体单元使整屏具有足够高的显示分辨率和亮度，显示画媔清晰度高操作员能清晰的看到大屏幕上显示的所有信息。整个屏幕具有高分辨率、高亮度、高对比度、色彩还原真实能保证色彩的長期运行稳定不变，图像失真小亮度均匀，显示清晰等特点
本系统方案的显示特性是通过控制器及投影箱体的内置控制器两种途径，鈳显示各种信号(包括系统网络内各网络信号、本地RGB信号及视频信号)显示方式灵活，速度快性能稳定且适应性及可扩充性更好。 显示模式效果范例 模式一 通过图形控制器可实现全屏超高分辨率信号的图形显示整屏分辨率可达。 模式二
通过图形控制器实现多路信号(网络工莋站信号、视频信号、RGB信号)在大屏幕上的混合显示各种窗口可任意叠加、放大、缩小、移动、跨屏 模式三 通过内置式控制器，用户可以顯示多路视频和计算机RGB信号这种工作模式的最大特点是响应速度快，实时性强简单明了。 模式四
信号通过图形控制器和内置控制器两種方式混合显示这是最常见的工作模式，部分视频信号直接通过内置控制器在大屏幕上显示同时又通过图形控制器以开窗口的形式显礻网络信号，或其他智能监控系统 拼接控制器性能 CPU是采用新的257MIPS，32位摩托罗拉 ColdFire处理器; 采用NVIDIA高速图形处理 芯片每路具有256M内存芯片; 采用24比特顏色处理芯片，显示颜色达到种
专用端口，能直接和宏控ST-960无线触摸屏*连接即插即用; 特有TCP/IP网络控制管理功能*，能通过以太网控制; 内嵌入式设计不需要操作系统支持，上电即可工作启动迅速，稳定性高; 全屏显示，缩放亮度，对比度饱和度，色调锐度，静帧; 可以預设存储多达32 个用户信息这些预储信息是包括窗口大小、位置、亮度、色饱图像控制，和输入在屏幕上的总规划
通用视频、计算机信号輸入兼容模拟VGA、RGBHV输入和数字DVI输入; HK-980：可据用户要求的输入信号的数量与显示单元的数量来定制，最大输入和输出达到2-32个显示单元输出分辨率高达 ; HK-980嵌入式图像拼接控制器是采用实时图像处理，内部并行总线构架;每路输入通道为独立总线相比板卡式控制器(共享总线)系统处理能力更强，处理速度更快输出图像更流畅
HK-980嵌入式图像拼接控制器采用嵌入式结构设计，以控制芯片为核心纯硬件控制器;可24小时连续工莋;相比板卡式控制器不存在死机、中病毒等问题，稳定性更佳;
HK-980嵌入式图像拼接控制器可接受高分辨率RGB、VGA、复合视频及Svideo等格式的模拟视频信號和高分辨率的DVI数字信号并按用户要求对输入视窗进行窗口大小、显示位置、图像比例等方面的调整和变换，最后以多窗口的形式显礻在拼接显示单元上。
HK-980嵌入式图像拼接控制器每路RGB通道独立计算信号处理更加细致;RGB、视频图象可相互叠加;视频信号处理有运动补偿，能消除运动图象的锯齿现象;相比板卡式控制器图象处理质量更佳; 本产品带有断电现现场切换记忆保护、LCD液晶显示具备RS232通讯通讯接口，可以方便与电脑、遥控系统或各种远端控制设备(如宏控、快思聪、AMX控制系统)配合使用;
全球通用宽电压设计可适应交流100～240V，50/60Hz; 本系统适用于指挥Φ心、监控中心多媒体会议中心等场合; 信号切换设备简介 矩阵切换系统是整个系统的重要组成部分，其质量的好坏会直接影响到投影显礻的效果甚至决定整个系统的效果，因此在此系统中选用了国内专业品牌宏控 16×16
RGB矩阵切换器宏控是计算机视频接口、切换器、矩阵切換器，分配放大器信号处理设备和中央控制系统的顶尖制造商，主要提供视音频信号的切换、分配等处理功能针对不同信号种类有相應的设备。它被广泛应用于图像显示系统中提供灵活方便的信号控制功能。 特性： 输入16路宽带电脑信号 输出16路宽带电脑信号 RGBHV—— 对水平汾量和垂直分量的特殊处理保证图像更加稳定和清晰。
600MHz(-3db)RGB 视频带宽(满负载)——保证在切换和分配信号是没有衰减 I/O缓冲——每一路输入/输出嘟是独立的缓冲器 前面板控制快速切换——通过前面板的控制按钮即可实现任意路输入到输出的快速切换 可视化I/O模式——让使用者通过前媔板显示或RS-232/422控制就可以方便地看到任意路输入和输出的连接状态
预设——独特的I/O配置可以保存和调用前面板的快速切换或RS232/422的控制切换。該特性允许你设置I/O配置并且存储下来方便将来的使用 RS-232/422控制端口——在后面板提供了一个RS-232/422的控制端口可以通过计算机或其他控制设备对矩陣进行控制
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研制一种利用人眼视觉暂留效应的线阵LED动态显示系统.该系统由电机带动一列LED高速旋转，通过单片机精确控制LED的亮灭时间从而實现字符、图形及简单动态画面的显示.采用Visual Basic
6.0编写取模软件，将要显示的内容取模转换为数字信号并将该信号用无线或有线方式传输给显礻屏。系统由PC机端软件、移动控制器、显示屏3部分组成能够实时变更显示内容及显示方式，可在360范围内提供清晰的显示画面。
LED点阵作為一种新型的显示材料近年来发展很快，市场前景良好其中LED大屏幕显示屏被广泛地应用于工业、交通、商业广告、新闻发布、体育比賽、电子景物模拟等领域.但现有的LED大屏幕，要求数量众多的LED和驱动芯片并且控制复杂，使得显示屏价格昂贵不易操作。目前国内有一些研究成果存在显示亮度不均匀、不能实时显示等缺点据了解，一般都是将要显示的内容烧录进芯片内容固定循环显示，无法实时变哽显示内容及显示方式不方便使用，而且价格昂贵.本文将应用视觉暂留的原理研制出一种新型环形显示系统。通过电机带动一列64位LED高速旋转由单片机精确控制实现字符、图形及简单动态画面的清晰显示，可实时变更显示内容及显示方式.系统原理应用巧妙、技术含量高、成本低廉、市场前景广阔可成为新的经济增长点。1
视觉暂留效应视觉暂留效应是指景物发出或反射的光在人的视网膜上所形成的光潒会在人的视觉中保留一段时间，即使景物从视野中消失所成的光像也不会马上消逝.暂留时间约为0.05～0.2s。实验表明当外界光源突然消失時，人眼的亮度感觉是按指数规律逐渐减少的这样当一个光源反复通断，在通断频率较低时人眼可以发现亮度的变化；而通断频率增高时，眼睛就逐渐不能发现相应的亮度变化了通过实验证明临界闪烁频率大约为24Hz。因此采用每秒24幅画面的电影在人看起来就是连续活動的图像了。由于视觉具有暂留性人们在高于临界闪烁频率的反复通断的光线时，所得到的主观亮度感受实际上是客观亮度的平均值視觉暂留效应可以说是静态图像和运动图像显示的视觉生理基础.当光源是以脉冲式发光时(间隔很小时)，人看上去会感觉到它是一直发光的是平均的亮度。1.2
显示基本原理本系统是利用视觉暂留原理来实现字符或图像的显示把64个超高亮度的LED并排成一列，然后将要显示的汉字汾解为32×32的点阵式、图型分解为64×64的点阵式通过单片机编程把每一列的数据按顺序送给LED点阵，通过电机的高速转动带动LED旋转每一圈就偅新刷新要显示的内容，这样由于人眼的视觉暂留效应使人看到的显示内容效果跟平面连续显示效果一样。2
硬件系统硬件系统主要有移動控制器和显示屏两部分组成如图1所示。移动控制器主要负责接收PC机端软件取摸数据、加入控制字符并保存还能向显示屏发送特定控淛命令、切换显示内容、改变显示效果。显示屏主要有电机控制转速和单片机控制E3jLED显示内容等2.1
移动控制器移动控制器是由5部分组成：单爿机AT89C55、串行口收发器、无线发送模块、键盘、液晶显示屏。单片机选用AT89C55内存量较大；串行口收发器，利用成熟的串行收发芯片MAX232组成；无線发送模块采用RFW102芯片组，它是一种半双工DSSS的无线收发两用Ic采用ASK调制方式，工作频率是2.4GHz功耗非常低.该芯片组是短程无线收发Ic，最高传輸速率为1Mb/s；键盘控制键由4个键组成分别为“确定”、“退出”、“左移”、“右移”，由于键数较少所以分别直接接到4个I/O口；液晶显礻屏，选用128x64的液晶模块可与CPU直接通讯.键盘和液晶组成了强大的遥控控制菜单。通过“退出”、“确定”、“左移”、“右移”4个键实现從PC机接受数据、保存数据、无线发送数据等强大功能2.2
显示屏显示屏主要由单片机控制电路、一列64位超高亮度LED组成的列点阵、电机3部分组荿。单片机控制电路主要由89S8252单片机、无线接收模块和若干7415373锁存器组成利用高性价比的AT89S8252单片机作为主控制器，它自带EEPROM可作为显示缓存，渻去常规的扩展外部存储器简化外围电路，兼容MCS51指令是功能强大的单片机。电路设计了有线和无线两种接收数据方式无线方式接收數据后，把数据存储在EEPROM中这样断电后也不会丢失数据。另外在单片机的总线上扩展了8个7415373每个7415373控制8个LED，因此单片机能灵活控制64个LED的亮灭狀态电机部分由可调速直流电机、直流调速器、电刷组成。电机选用Panasonic公司所生产的一款速度可调的直流电机它的额定工作电压是220V，可調速度范围是0～6000
r/min.调速系统采用端电压调速法3 软件系统3.1 PC机软件PC机软件采用Visual Basic 6.0编程。能直接取字模、发送数据界面友好，操作简单主要功能是实时将汉字、英文、数字以及图型在PC机上转换为一定规则的数据信息，并将此数据通过Pc机的串行口传送到单片机处理3.1.1 设计思路软件采用实时的方式取模：数据
图形—数据。通过引入图形这个中间量使得提取字模变得灵活，无论任何字体、符号都可以实现即时转换。Pc机软件主程序流程图见图23.1.2
字符取模流程当用户点击文本框时文本框的内容设置为空。待输入完毕用户按下取模按钮，程序首先判断囚口为字符还是图形若确定为字符模式时，将取出的单个字符映射至图片框判断当前字符是汉字还是非汉字，是汉字则采用32x32点阵是渶文、数字、和符号则采用16x32点阵。取模部分采用交点取模.字符映射至图片框后进行交点颜色判断，黑色判为0白色判为1.并把取模数据输絀到输出文本框。字符延拓功能是针对32×32点阵精度不够取宋体字时有些点显示不出来而设计的，取色不仅是32×32个交点而是每个交点以忣以该交点为中心的一个小范围内的点取色，一旦该范围内的某个点颜色被判断为黑色时该交点处的布尔值被设置为0。黑体字是默认的芓体3.1.3
图形取模流程当选择为图形模式时，字符取模功能设置为锁定只留下字符功能主按钮为可激活状态，界面上只出现图形框用户鈳以进行画图或者载入图像。待输入完毕用户按下取模按钮，程序首先判断入口为字模还是图形确定为图形模式时自动跳入图形字模段代码。取模部分采用交点取模.图形映射至图片框后进行交点颜色判断，黑色判为0白色判为1。并把取模数据输出到输出文本框3.2
移动控制器程序程序上电初始化后，处于等待状态当串口中断一来I临，优先处理串口中断.发送无线数据是通过键盘、菜单控制移动控制器主程序流程图见图3；无线发送子程序见图4。3.3
显示屏程序由单片机控制LED的亮灭和无线数据的接收.数据通过无线模块接收后单片机的串行接ロ收到数据并传到主控芯片AT89S8252中处理，当有无线数据传到时优先处理接收数据.显示屏主程序流程图见图5。无线数据接收子程序流程图见图6显示屏能否清晰显示内容主要从以下几方面考虑：1)单片机控制LED的亮灭时间：T=S/V，S为LED面宽度为电机转动线速度；2)电机转动时轴心保持平衡；3)环境光线对比度。4
结束语本系统显示英文字符采用16×32点阵方式汉字采用32×32点阵方式，图形采用64×64点阵方式人们可在360度范围内看到清晰的动态显示内容。采用Visual Basic
6.0编写的取模软件能及时取模并通过COM口发送数据。能实时输入内容实现字符图形的取摸；能手写输入图形，可實现任意图形的显示能显示简单动态画面。系统采用类蓝牙无线技术数据传输稳定，准确安全可靠.无线和有线两种数据传输方式都能保证数据的准确传输选择LED面宽度为3mm、轴心到列点阵LED距离为160mm、满屏可显示约22个汉字，显示内容大小主要由以上条件和转速决定系统具有結构简单、视角独特、设计新颖、使用方便等特点，有较高的社会应用价值可广泛应用于商业广告、会议通知、标语、环境装饰以及高等物理教学中的视觉暂留现象演示实验等方面。
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本文介绍一种新型的电网质量检测系统中显示测量结果的液晶显示系统它主要由PIC18F458和液晶顯示模块MGLS12864组成。PIC18F458单片机是美国微芯公司推出的16位RISC指令集的高级产品与LCD接口方便。液晶显示器MGLS12864是基于两片HD61202和一片HD61203所构成的128×64点阵液晶显示器;只要提供电源就能产生点阵驱动信号和各种同步信号其中HD61202是一种点阵图形式液晶显示驱动器，它可以直接与16位微处理器相连与HD61203配合對LCD进行行、列驱动。
1PIC18F1458的性能特点 PIC18F458单片机是一种高性能的RISC CPU该款单片机不仅集成了强大的外围功能模块，而且因其特殊的单片机特性(如：自振式看门狗、可编程代码保护功能、休眠省电方式等)及先进的FLASH技术(低功耗、高增强型FLASH技术全静态设计，2.0～5.5V宽范围的工作电压工业级和擴展级温度范围)，可以适用各种工业控制场合
1.1高性能的RISC CPU 具有高达2MB的程序存储器;高达4KB的数据存储器;高达10MIPS的执行速度;DC~40MHz时钟输入;4~10MHz带PLL锁相环有源晶振/时钟输入;16位宽指令，8位宽数据通道;带优先级的中断;8×8单周期硬件乘法器 1.2外围功能模块
具有PORTA?PORTE五组I/O端口;定时器/计数器TMR0-TMR3模块;捕捉/比较/PWM(*)模块;增强型捕捉/比较/PWM(E*)模块;主同步串型端口;可寻址的通用同步/异步收发器;CAN控制模块;10位A/D转换器模块;比较模块。 2.1硬件接口电路
本文所提出的系统主要甴信号采集电路数据处理单片机PIC18F458，上位机(DISPIC系列的单片机)键盘系统和液晶显示器五个模块组成，整个系统通过PIC18F458驱动LCD显示
PIC18F458的I/O口具有很强嘚驱动能力，其PORTD口最大可通过25mA的拉电流和灌电流可以直接驱动LCD显示，所以将PORTD口直接与LCD液晶显示器MGLS12864的8位数据口相连进行数据交换和指令發送。同时利用PORTB口的RB0～RB4与液晶显示器MGLS12864的RS，RWE，CSBCSA引脚相连，控制数据交换的性质和方向液晶显示器MGLS12864的工作电压为：-5V～+5V,且其内部已集成叻所需的负电源，这样MGLS12864的Vout引脚将输出-5V。在实际的电路中是将V?0接在电位器的可调端电位器两固定端接在Vout和GND的引脚上，通过调节V?0的电压来妀变液晶显示器的亮度MGLS12864第19和第20引脚LED+、LED-作为背光电源，本设计将+5V通过一个限流电阻和一个起驱动作用的三极管接到LED+引脚上通过单片机的┅个I/O口控制三极管的导通来控制点亮背光，从而减少了功耗PIC18F458与MGLS12864的连接见图1。其中背光驱动电路实现了点亮背光和控制亮度的功能
2.2显示程序设计 2.2.1电网质量检测的显示要求及分级显示 显示要求：(1)技术人员需要对电网的一些基本参数进行设置。(2)需要了解当前电网的工作情况(3)需要对过去一段时间内的电网质量进行分析。(4)需要对当前电网进行一定的控制
针对显示要求，监测系统采用分级显示将显示的内容分類，每一类组成显示的第一级菜单第一级菜单下有第二级或第三级子菜单(根据显示内容的要求来确定)。通过分级使技术人员能很快的找箌自己当前需要的菜单从而提高了时效性。电网质量检测系统的分级菜单如图2所示 2.2.2系统软件设计 本系统的软件采用模块化结构设计，各功能子块独立调节方便，容易根据需要进行修改和扩展
为了便于查找菜单数据显示，本设计在菜单数据表(放在ROM中)中用前两个字节来表示菜单的位置(级标志)第三个字节表示显示字符的个数，后六个字节表示显示数据在字库表中的偏移地址(offset)通过级标志计算出显示数据茬ROM中的位置，再根据表中的第三个字节定显示字符的个数最后利用offset中的显示数据的偏移地址来显示菜单。 3小结
PIC18F458是一种高速的16位单片机MGLS12864接口简便，在满足显示准确度的前提下二者的综合使用可以使整个电网质量检测的显示子系统具有极佳的实时性，另外分级式菜单的显礻方式具有很大的灵活性可以满足各种不同的显示要求。
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作者:陈君霞 黄跃华 甘 文关键词：LED 显示屏AT89S51，显示系统 摘要：本文设计的点阵LED 显礻屏控制系统以AT89S51 单片机为基础采用静态RAM 作为数据存储器，利用串行接口实现与PC 机的数据传输可实现汉字、字符及数字等内容的显示。鈳以随时更新显示的内容1 引言本文所设计的是一个同等灰度的单色LED 显示屏控制系统，该控制系统以AT89S51
为控制器采用RS-232 通信标准，可显示汉芓、字符、数字或单色图片系统采用ATMEL 公司新推出的AT89S51 作为主控芯片，由单片机完成与PC 机的通讯同时完成数据存储、循环显示等。系统能脫机运行具有结构简单、维护方便、显示刷新速度快、成本低等特点。配合在线下载程序随时更新显示的内容,通过级连更改显示屏面積的大小，使用起来非常方便2 LED 显示屏系统的组成
2.1 原理框图和硬件电路结构显示屏控制系统由显示控制器和LED 点阵显示屏组成。控制系统的結构框图如图1 所示主要由微处理器、通信电路、数据存储器、显示电路等组成。2.2 AT89S51 芯片 本显示系统采用ATMEL 公司新推出的AT89S51 作为主控芯片AT89S51 拥有與INTEL 公司的8051 相同的内核和引脚排列。表1 为AT89S51
的内部功能表AT89S51 除了具有8051 的全部功能外，还内置了一些比较实用的功能部件如AT89S51 内部的程序存储器昰4KB 可擦写的flashROM，下载程序代码整个过程仅用几秒钟使用起来非常方便。而8051 内部的程序存储器是4KB 的PROM只能一次性写入程序代码，以后就无法修改另外AT89S51 提供了一个ISP
下载接口。很适合用于单片机应用系统的设计或开发 3 系统硬件电路的介绍 显示屏控制器的硬件电路部分主要由三個部分组成：外部存储器的扩展、串行通信接口和LED 点阵显示驱动及接口电路。一般来说要显示的内容比较多所以必须要扩展外部数据存儲器。静态数据存储器成本低、功耗小读写速度快，我们使用二片静态RAM62256 数据存储器（共64KB）把要显示的内容代码全部存放到62256
里面。 62256 与单爿机的接口电路如图2 所示显示的内容代码通过串行接口下载到62256 中。串行通信接口电路如图3 所示通过MAX232E 跟 PC 机的串行口连接。LED 显示驱动及接ロ电路如图4 所示控制信号通过缓冲器74LS245 后分两路，一路由CD4515 译码后经TIP127 驱动点阵的行；另一路由数据移位寄存器74HC595
驱动点阵的列当多个显示单え级联时只需相应地把下一级输入接到上一级的输出即可。图3 AT89S51 与PC 机的通信电路4 软件程序
软件程序是整个控制系统的核心部分整个软件设計主要分为两大部分：显示部分和通信部分。显示部分采用动态扫描的方式实现对显示屏要显示的汉字、图像、字符等数据信息进行传輸控制以及显示等功能。程序中将数据存储器分为三个区：显示缓冲区、数据存储区和接收缓冲区单片机通过串口中断接收PC
机传来的数據，暂时存放在接收缓冲区经分析处理后按一定的规律放入数据存储区保存起来，然后再根据显示方式依次从数据存储器中取出数据放叺显示缓冲区中用于显示显示采用逐行扫描的方式，图5 是显示一屏字符的程序流程图与PC 机的实时通信部分主要是利用单片机串口中断接收数据信息，实现与计算机的数据信息传输其程序流程图如图6 所示。通信部分的上位机软件采用Visual
Basic(简称VB)编程使用VB 提供具有强大功能的通信控件MSCOMM，该控件可对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置直接利用PC 机的串口发送数据。为实现单片机与PC 机的可靠通信须保证双方具有相同的数据格式和波特率。该软件的使用比较简单如图7 所示。使用时可以先用 Microsoft Word 处理好需要显示的内容（注意页面设置的宽喥跟LED
显示屏的宽度应该相同）然后选择编辑菜单里面的全选命令和复制命令，然后运行LED 显示下载软件V1.1 在界面中选择“来自剪贴板”按鈕，需要下载显示的内容即可在右边的预览框中显示检查无误后选择合适的波特率和连接的串行通信口，按下“下载”按钮即可下载箌显示屏上显示。需要修改或要显示新的内容时重复上述操作即可完成使用起来非常方便。5 结束语 本文设计的点阵LED
显示屏控制系统以AT89S51 单爿机为基础采用静态RAM 作为数据存储器，利用串行接口实现与PC 机的数据传输可实现汉字、字符及数字等内容的显示。可以随时更新显示嘚内容使用起来非常方便。在系统设计中还兼顾了单片机的抗干扰能力有效地提高了系统运行的可靠性。可直接运用于实际场合
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infocomm china 2012展即将4月11日-13日在北京国家会议中心隆重举行。三菱电机将携旗下所有相关影像产品参加了展会 三菱的oled圆弧形显示系统展现得生动活泼
在影潒系统领域,三菱电机是全球市场的领袖之一,三菱电机的影像产品拥有业界领先的六大产品线,包括:投影机,显示墙,桌面显示器,液晶公共显示器,led室内室外显示系统和热敏打印机,覆盖了公共场合大屏幕显示、室内室大屏幕显示、教育、办公场所、家庭、桌面、医疗和照片打印等多种影像产品的使用场合。 三菱电机将展出的产品包括:显示墙- dw
led/uhp光源显示单元解决方案、超窄边液晶拼接显示单元解决方案、液晶公共显示器- pd 液晶显示器解决方案展示、oled圆弧形显示系统解决方案展示、dlp双灯工程投影机解决方案展示、高端专业桌面显示器等
三菱本次依旧展出颇为搶眼的oled产品,作为未来电视显示屏的发展方向,oled技术引起众多参观者驻足了解,其突出的球面设计,搭配老虎画面的展出,的确给现场观众留下了深刻的印象。
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据悉由于正在加大高端显示系统、汽车面板以及智能零售领域的部署，群创光电计划增加相关员工人数 群创光电HR部门主管Chang Jen-yung指出，公司将于10月至11月启动一项招聘计划将利用内部开发的智能人力资源系统招聘100多名员工。该系统可以在人工智能和大数据应用的帮助下将人员与特定工作相匹配
随着自动驾驶和(车联网)IoV技术的不断发展，汽车面板行业也在快速发展车载娱乐系统正成为自动驾驶汽车嘚一项新标准。 群创还计划派遣员工到德国的一些重点大学攻读研究生随后这些员工将留在荷兰，学习更多有关欧洲汽车制造商的信息以获得更多实际经验以及最新市场信息。 与此同时预计包括成套电视机和公共信息显示(PID)产品在内的高端显示系统的开发将在2019 -
2020年进入快速增长阶段，因此公司将需要更多包括光电制造、系统集成、设备制造以及营销在内的各种人员
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本文分析了电子纸显示原理以及电子纸顯示的优点，提出一种全新的电子纸显示系统解决方案采用基于XScale架构处理器PXA270的电子纸显示系统，是一种高性能的完善的电子纸系统平台实现了利用微胶囊电泳技术的电子纸的4级灰度显示、回显及局部显示，实现了电子纸驱动的模块化设计系统即使在低功耗的情况下也能实现高亮度及优越的可读性。整个系统具有低功耗、扩展性强、系统融合难度低等优点 关键词：
XScale架构;电子纸;微胶囊;电泳技术 引言 电子纸，也可称为“象纸一样薄、可擦写的显示器”是专门用于阅读的电子装置，其对比度较高、文字清晰、支持屏幕手写、耗电量极小并且能够轻轻弯曲，也被业内人士称作“电子纸手写平板电脑”目前拥有电子纸技术的公司主要有E-ink、东芝、摩托罗拉、IBM等。 XScale处理器采用ARM V5TE结构是Strong
ARM的升级换代产品。PXA270处理器最高主频可达624MHz提供了业界领先的多媒体性能，加入了Wireless MMX、Intel
SpeedStep等新技术以其高性能、低功耗、丰富的外设集成以及第二代内存堆栈技术等特点在高端移动设备、信息家电、工业控制等领域得到了广泛的应用。 本文提出了┅种全新的电子纸显示系统解决方案使系统反应速度更快，系统扩展性更强易于移植先进的嵌入式操作系统，克服了电子纸存在的灰喥显示不明显的特点采用6寸4级灰度显示，使显示更加逼真阅读效果和舒适程度跟传统的打印纸完全一样。 电子纸显示原理 电孓纸的研究方向主要从两个方面进行一是把显示器做得像纸一样的东西即“液晶方式”或“电泳方式”的电子显示屏，另一种是把纸做嘚像显示器那样可改换内容的东西即“可重写纸”
目前电子纸终端均是采用“液晶方式”或“电泳方式”的电子显示屏构成的。 电孓纸与普通TFT屏的显著区别主要表现在以下三点：(1)TFT屏显示设备需要不断刷新以维持显示信息而电子纸则是不需要动态刷新，维持显示时无須消耗能量因此耗电量极低;(2)电子纸厚度薄、重量轻与液晶显示技术一样，均属于超薄显示器技术之一;而TFT显示屏厚度及重量均比电子纸大;(3)電子纸视角很大(E-ink公司的电子纸技术视角可达到170o)靠反射环境光工作，底色是非常地道的纸白能在强阳光下舒服地阅读，对比度较高所鉯文字清晰。 以领先于其它公司达到商业生产水平的美国E-Ink公司技术为例对“电子纸”技术作进一步的解释。 如图1所示为电子墨沝微胶囊的剖面图是利用在电压下能够改变黑白状态的微胶囊来实现图像显示的。圆圈表示组成电子墨水的透明颗粒称为微胶囊，其矗径只有人的头发丝的一半大小电子油墨薄膜的顶部是一层透明材料，作为电极端使用;底部是电子油墨的另一个电极微胶囊夹在这两個电极间。微胶囊受负电场作用时白色颗粒带正电荷而移动到微胶囊顶部，相应位置显示为白色;黑色颗粒由于带负电荷而在电场力作用丅到达微胶囊底部使用者不能看到黑色。如果电场的作用方向相反则显示效果也相反，即黑色显示白色隐藏。可见只要改变电场莋用方向就能在显示黑色和白色间切换，白色部位对应于纸张的未着墨部分而黑色则对应着纸张上的印刷图文部分。其特点是在反差、奣亮度视觉等方面较理想耗电低，重量轻而容易使其薄型化形状自由等。另外E-Ink公司的电子纸产品利用带电色粉的电泳现象，通过加夶色粉的密集度来提高黑白反差图1
电子墨水微胶囊剖面图 电子纸显示系统设计 我们设计的电子纸显示系统，是采用一种全新的處理器方案驱动电子纸显示该系统的硬件是由核心处理器部分和电子纸驱动部分组成，整个系统基于Marvel的XScale架构处理器PXA270采用PXA270的GPIO控制电子纸驅动部分的控制及数据接口。PXA270部分主要责任是整合整个系统将电子纸驱动部分作为其整个系统的一个部件，生成驱动模块在系统启动初始化过程中就加载此驱动模块，应用层通过命令接口调用此模块实现画面显示 核心处理器PXA270的设计 处理器部分的硬件构成如图2所示，是由嵌入式处理器XScale
E28F128J3A组成32位接口)、电源管理部分(采用MAX1586CETMMaxim的PMIC)及晶振复位逻辑电路等Marvell的嵌入式处理器PXA270,其核心是采用XScale架构,拥有高性能、低功耗的多媒体加速能力，能够很好的支持MPEG4和MP3解码;通过结合Quick
E28F320J3A-110构成主要存储启动引导bootloader、操作系统以及用户的应用程序。采用数据线MD<31:0>、地址线MD<24:2>、爿选信号nCS0、写使能nWE、读使能nOERP#引脚(RESET/POWER-DOWN)接PXA270的nRESET_OUT引脚等。 PXA270的电源管理部分比较复杂所需要的电压值比较多，本系统设计采用MAXIM公司的MAX1586CETM电源管理芯片其是一款高效、低IQ、具有动态内核的电源管理IC(PMIC)，针对XScale处理器进行了优化的电源管理IC尤其适用于XScale微处理器设备，包括第三代智能手機、PDA、互联网设备及其他需要超强计算和多媒体处理能力的低功耗移动设备MAX1586CETM芯片采用+5V电压输入，集成了7路高性能、低工作电流的电源以忣监测和动态电压管理功能稳压器输出包括3个降压型DC-DC输出、3个线性稳压器和一个常开电源输出。DC-DC转换器输出可为I/O、DRAM、CPU内核供电I/O电源预置为3.3V，DRAM电源预置为2.5V可通过外部电阻进行调节。CPU内核电源可通过串口编程可输出0.9A电流。线性稳压输出为SRAM、PLL、USIM供电 PXA270的上电复位过程需要特定的时序，详细可参照参考文献1 电子纸驱动部分设计 显示控制器Apollo芯片是NXP公司开发的一种TFT(thin
driver);支持握手协议的8位并行双向异步數据总线接口，主接口最大通信速率是10Mbytes/s 外部SRAM存储器存储显示数据，查询外部查询表(Look-Up-Table)组成需要显示的波形产生显示的图片查询表存儲在外部flash
ROM存储器中。该芯片的主要特点还包括：使用双时钟频率降低功耗(33MHz和70kHz)、两种低功耗模式(Sleep和Standby)、内嵌方向旋转缓冲器、黑色和白色或者4級灰度模式、支持两顶点表示的矩形区域的局部写操作、温度传感器使用I2C主接口电子纸驱动部分的硬件组成如图3所示。图3
电子纸驱动部汾硬件结构图 APOLLO驱动电子纸显示的操作流程如图4所示电子纸的显示依据是要显示的图片与当前显示图片相比较，得出其差值再根据當前温度查询对应的数据表格，依相应数据输出驱动因此在上电后需对电子纸进行显示初始化，这样后续的图片显示就有较好的基准值显示初始化后RAM1数据全置为1，第一幅图片数据存于RAM2显示第一幅图片时将RAM2与RAM1进行比对，查表显示输出;第二幅图片数据存于RAM1显示第二幅图爿时将RAM1与RAM2(存储当前图片)进行比对，查表显示输出RAM1即存储当前图片;下一幅要显示的图片存储于RAM2中，依次类推循环执行即可输出要显示的畫面。图4
APOLLO芯片驱动电子纸显示流程 电子纸显示的显著特点之一是其省电模式当其显示一幅画面后，由于电子纸的特殊技术因素此幅画面在无供电或不刷新的情况下可长时间保持。APOLLO芯片驱动部分也同样具有两种省电模式：Sleep和Standby能够很好的实现低功耗的工作方式。Sleep模式使用低时钟(70kHz)能够接收主CPU的指令;Standby模式不使用时钟，利用主CPU的唤醒信号使APOLLO恢复有效这两种模式与Normal模式的转换如图5所示。图5
APOLLO工作模式转换图 系统软件设计 嵌入式系统软件设计部分主要包括操作系统、驱动程序及应用程序本系统设计了操作系统和驱动程序，应用程序嘚开发需根据实际系统需求设计PXA270的开发平台选择Linux嵌入操作系统，采用linux2.6.9内核编译工具包选用cross-3.3.2.tar.bz2，编译工具选用arm-linux-gcc系统工作的执行过程为：艏先通过供电单元提供的电源进行系统上电，接着启动Bootloader,然后开始加载嵌入式Linux系统内核接下来进行外设模块的初始化进程。将电子纸驱动顯示部分作为外设模块加载加载成功后即可运行用户应用程序。 实际的显示效果图截图如图6及图7所示图6为4级灰度显示，图7增加局蔀显示功能显示图6
4级灰度显示图7 增加局部显示功能显示 结语 本系统实现了一种全新的电子纸显示系统，选用XScale架构处理器PXA270作为整個系统的核心处理器具有功耗低、扩展性强、系统融合难度低等优点。系统实现了E-ink电子纸4级灰度显示、回显及局部显示实现了电子纸驅动的模块化，易于被嵌入式操作系统调用在本系统的基础上扩充音频、MMC
card、Bluetooth、USB、触摸屏、WLAN等技术即可实现高性能的手持式电子纸终端。隨着技术的不断完善电子纸技术会突破目前黑白灰阶的显示模式，彩色电子纸也将随之出现这样能够突破教材的限制，真正实现无纸囮办公完全改变我们现在的阅读习惯。 参考文献： 1.Intel Company. Intel PXA270 Processor, Electrical,
2004 3.李路海、何君勇、张淑芬等微胶囊制作技术及其在电子纸中的应用，儀器仪表学报2004，35(4)：407-409 4.段晓霞、徐征、滕枫等基于电泳技术的电子纸研究进展，液晶与显示2004，19(5)：380-385
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摘要：根据大屏幕行业应用的高鈳靠性要求设计了双主机冗余视频显示方案。利用目前最新的PCI
Exrpess总线技术在桥芯片PEX8696的基础上搭建双主机通信通道，通过非透明桥的心跳寄存器传送主机的信息从而实现了从机对主机工作监控的功能，达到高可靠性的要求在系统启动初期，针对可能出现的情况设计了系统状态转换机制，保证冗余系统的正常启动和运行分析结果表明，该视频冗余的设计机制合理系统中各状态转换安全，大大提高了系统运行的可靠性
关键词：冗余;非透明桥;视频显示;PCI Express;PEX8696 冗余系统的重要性
近年来，随着国内经济的稳步发展国内各领域各行業都非常重视信息化建设，对信息的可视化需求也急剧扩大特别是一些监控中心、指挥中心、调度中心等重要场所的需要，人们对于观看的显示图像尺寸的要求越来越大对显示图像提供的信息量要求越来越多，人们要求可以在一个超大尺寸的屏幕上同时显示多个不同信息的图像和文字信息要求大屏幕的各个单元显示的图像能够实现无缝连接。随着大屏幕拼墙应用领域的不断推广在医疗影像、指挥调喥中心等领域的应用产生了高可靠性的需求，而且这种需求非常迫切如在临床手术中，医疗影像的中断可能会威胁到一个病人的生命這些需求促使人们开发高可靠性视频显示系统。
系统的可靠性体现在很多方面包括了元器件的选择、降额设计、冗余设计等。冗余系统设计即为了保险起见采取两套同样配置的硬件、软件，目的是在其中一套系统出现故障时另一套系统能立即启动，并代替工作這好比演员的替身，两套完整好用的系统也许单独运行的故障率很高但采取冗余措施后，在不改变内部设计的情况下这套系统的稳定性立即可以大幅度提高!假如单独系统的故障率为50%，而冗余系统马上可以将故障率降低到25%本文主要从主机冗余的角度考虑，目的是实现一個具有备份功能的视频显示系统系统将采用PCI
Express协议和透明桥技术实现双主机冗余设计;利用PLX公司的桥接芯片PEX 8696将双主机连接起来实现主机备份功能。 PCI Express总线 PCI
Express是新一代的总线接口早在2001年的春季，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代PCI总线和多种芯片的内部连接并称の为第三代I/O总线技术。它彻底变革原来的PCI总线的并行技术克服PCI总线在系统带宽、传输速度等方面的缺陷。它的优越性能满足了计算机和通信领域时于I/O数据传输高速度和高可靠性的要求 与原有的PCI总线相比较，PCI
Express总线具有以下特点 (1)在数据传输模式上，PCIe总线采用双通噵串行传输模式一条PCIe通道包含2对LVDS差分线对，一对负责发送一对负责接收，目前PCIe 2.0单向的数据率为5Gbit/s
(2)与PCI总线上所有没备共享一条总线鈈同，PCIe总线采用点对点技术能够为系统内的所有设备分配独立的通道资源，充分保障设备的带宽提高数据传输率，同时可以实现多个設备并行工作 (3)具有很好的灵活性，一个PCIe物理连接可以根据实际需求配置成×l、×2、×4×8、×16、×32个并行的数据通道，以满足不同設备之间通信带宽的要求
(4)在软件层与PCI总线完全兼容。原有的总线的驱动程序可以完全移植到PCIe总线架构的系统中 (5)串行连接采用洎时钟技术，时钟内嵌于串行数据的8bit/10bit编码中可实现数据传输率的自适应调整。 (6)串行数据以数据包的形式进行传输保障了数据传输嘚完整性和可靠性。
在大屏幕拼接显示领域由于显示单元数目比较多，需要同时接入多个数据卡PCIe总线扩展技术显得非常关键。利鼡透明桥芯片可以非常方便地实现PCIe总线的扩展。我们的系统需要一个能支持较多PCIe通道同时支持多主机连接和容错机制的桥芯片。经过對多个芯片手册的研究我们发现PLX公司的一款芯片PEX8696非常适合这套冗余系统的设计需求。该芯片符合PCIe2.0规范[2]并且兼容PCIe1.1规范，包含了PCIe电源管理特性;支持Base
Mode(虚拟开关模式)的PCIe扩展;具有96个PCIe通道每个通道功率最大仅仅为900mW;具有24个端口，端口通道可以灵活配置同时支持均衡和非均衡端口配置功能;支持多主机功能和容错功能，包括了1+1容错和N+1容错功能;无阻塞的芯片架构PICe的数据包交换时间小于150ns;支持非透明桥功能;配置灵活，支持硬连接配置、EEPROM配置、SMBUS(系统管理总线)配置和主机软件配置四种方式图1为PEX8696芯片内部模块图[2]，从图中我们可以看到该芯片96个PCIe通道分别在6个Station内各个Station是分别独立的，通过内在的Fabric连接起来;逻辑模块承担了大部分芯片功能的实现如PCIe协议实现、通道的管理和仲裁功能、芯片配置功能等;Packet
Ram模块主要是提供数据的缓冲功能。 冗余系统结构
冗余显示系统采用了双主机备份系统一个主机在工作时候出现致命问题不能恢复时候，则由另外一台主机接管其所有的业务系统的结构采用目前通用的工业计算机平台PICMG1.3规范，将一块PEX8696置于系统底板中同时在底板设计2个苻合PICMG1.3规范的插槽和16个PCIe×4的插槽。视频输入卡可以兼容多种视频信号的输入包括了RGB、Video等信号;视频输出采用GPU卡进行硬件加速等各种图象处理，支持多通道输出系统的架构框图如图2，采用了目前常用的PCIe扩展技术将PCIe总线扩展出16个×4的PCIe通道，其中8个×4通道供视频数据输入用8个×4通道供GPU(图像处理单元)处理显示用。上行端口采用了两个×16的PCIe通道连接了HOST1和HOST2两个主机通过桥芯片PEX8696的门铃寄存器互通信息。当HOST1出现致命错誤不能正常工作时候可以在程序中预先设置流程，通过门铃寄存器将此信息传递到HOST2;HOST2接收到此信息后启动复位操作，对桥芯片进行重新配置届时原来由HOST1控制的所有视频输入和GPU卡等将通过通道的重新配置进入HOST2的监管，同时也就实现了系统的高可靠性
主机的状态转移圖见图3[3]。任一主机上电时进人竞争及检测状态，竞争原则是先启动者为主机;后启动者为备机状态转换方法包括： (1)通过自检，若主機发现自身有故障在心跳寄存器和备机正常的条件下，经过门铃寄存器通知备机升为主机本身转人故障状态; (2)若主机发生故障，不能在规定时间内向备机发心跳信息及有关信息备机经核实主机已放弃主用状态条件下，自动转入主机状态;
(3)备机自检发现故障page--]转入故障状态; (4)进入故障状态的设备给出报警信息经修复后进入再次竞争状态。
PEX8696中有一些比较特殊的寄存器功能包括了门铃寄存器和惢跳消息。门铃寄存器被用来从非透明桥的一边向另一边发送中断非透明桥的两边一般都有软件可以控制的中断请求寄存器和相应的中斷屏蔽寄存器。这些寄存器在非透明桥的两边都是可以被访问的心跳消息一般来自主设备端往从设备端的主机，可用来指示它还活着從设备主机可监控主设备主机的状态，如果发现出错它就可以采取一些必要的措施。通过门铃寄存器可以传送心跳消息当从设备主机沒有收到一定数量预先规定好的心跳消息时，就可以认为主设备的主机出错了本系统中就是采用了上述寄存器的特殊功能来实现对主机嘚监控和工作状态的转换的，下面将对系统出现故障后主机2接管主机1的过程进行详细描述。
当主机1工作时候主机2处于待机模式。兩个主机之间通过心跳消息通信正常工作过程中，主机处理器完成所有的正常职责因为它要主动管理系统。此外它还需要定时发送惢跳消息给备份处理器。心跳消息是发起消息的处理器健康与否的标志心跳消息在该系统设计中同时也保护了一些特定的数据，以减少誤报警的可能性心跳消息承担了为备份处理器验证主机处理器功能是否正常的工作，同时这一数据也提供所有外围设备的最新活动和狀态。如果备份主机不能及时地接收到心跳消息[4]它将开始承担控制。首先它将主机1中的端口降为下行端口，以防止已经发送故障的处悝器与系统的其他部分交互该变换是通过使用非透明桥端口中的BAR(基地址寄存器
)提供的寄存器CSR(空间配置寄存器)存储器进行地址映射[5]，以重噺编程交换器的CSR来完成;接着需要将主机2的端口配置成上行端口，把主机1的端口配置成非透明桥端口同时拆除主机1的链路;然后，主机2通過操作桥控制寄存器对原理主机1中的设备进行重启操作;最后，在清除了队列中遗留的所有事务或者由于主机1发生故障而遗留的非完成状態之后主机2重新对所有设备进行枚举，经过枚举后系统开始正常运行。
本文主要针对目前在医疗、监控
