基于FPGA 的3D 光立方設計*

康志強，汪 佳，湯勇明

(東南大學電子科學與工程學院，南京 210096)

在顯示技術迅速發(fā)展的今天，光立方［1］作為一種新型信息發(fā)布媒體，給人們帶來了一種全新的視覺體驗。本文研究了采用三維藍光LED 陣列作為顯示載體，F(xiàn)PGA 作為控制平臺的方案，對系統(tǒng)內(nèi)部算法進行合理劃分及處理，充分利用FPGA 的高速并行處理能力和NIOS 雙核［2－6］技術，進行了一系列應用開發(fā)，為實現(xiàn)該3D 視覺信息平臺提供了一種新的參考解決方案。

1 總體方案

本系統(tǒng)的工作原理基于對簡單二維LED點陣［7］顯示屏的擴展，利用層疊加技術構(gòu)建出立體LED 矩陣，用FPGA 開發(fā)平臺DE0 進行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)三維顯示功能。利用人眼的視覺暫留效應實現(xiàn)簡單的靜態(tài)圖像顯示和立體動畫顯示，并基于動態(tài)顯示實現(xiàn)真正意義上的三維游戲。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)總體功能框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用NOIS 雙核模式，利用CPU1 控制光立方掃描及人機交互部分，并進行內(nèi)部數(shù)據(jù)運算和處理;利用CPU2控制音頻解碼與輸出;雙核間采用MUTEX 互斥量進行通信，實現(xiàn)兩CPU 的同步。整個光立方系統(tǒng)主要分為3種模式:靜態(tài)模式，動態(tài)模式和游戲模式。系統(tǒng)實現(xiàn)了良好的人機交互，可通過觸摸屏等進行模式切換。為實現(xiàn)光立方不同顯示模式的切換與音頻輸出的實時同步，在CPU1 嵌入了UCOS－Ⅱ［8］微型操作系統(tǒng)。

2 硬件組成

2.1 控制平臺

針對系統(tǒng)實現(xiàn)中數(shù)據(jù)的快速運算處理以及外部接口的靈活配置需求，控制平臺采用Terasic 公司生產(chǎn)的DE0 開發(fā)系統(tǒng)。DE0 搭載了Altera Cyclone Ⅲ系列中的EP3C16 FPGA，可提供15，408 LEs(邏輯單元)以及346 I/O，此外，DE0 開發(fā)平臺還搭配了SD 卡、PS2 等豐富的周邊裝置，足以開發(fā)復雜的邏輯控制系統(tǒng)，適合作為本光立方系統(tǒng)的控制平臺。

2.2 光立方模塊

光立方由512個藍色散光LED 組成，分為8層，每層64個(8x8)LED，每個LED 跟其他LED 之間都留有一定的間距，保持良好的通透性，利用LED 矩陣自身的空間立體性，達到三維顯示的效果。具體的連接為:每層64個LED 的陰極連接在一起，連接到三極管上，三極管由74HC138 控制是否對地導通，豎直方向同列的8個LED 的陽極連在一起，連接到鎖存器組成的列控制模塊的輸出端。光立方共有64個列單元，可用8個8 bit 鎖存器進行控制。

圖2 光立方驅(qū)動電路

光立方掃描驅(qū)動［9］電路分為層驅(qū)動電路和列驅(qū)動電路。層驅(qū)動電路產(chǎn)生層掃描信號，工作時，F(xiàn)PGA 輸出層控制信號，然后由74HC138 譯碼器譯碼，選通或關閉與每一層LED 陰極相連的三極管，由此來控制每一層是否對地導通。當三極管輸出為高時，選通對應的LED 層，當三極管輸出為低時，關閉對應的LED 層。豎直方向同列的LED 的陽極連接在一起，然后分別連接到8個鎖存器(74HC574)的輸出端，當鎖存器輸出為高，且LED 層被選通時，對應的LED 被點亮。光立方的空間圖像信息被分為8 層，列驅(qū)動電路將每層的數(shù)據(jù)信號依次送到選通的LED 列上，每層的64個LED 由8個8 bit 的鎖存器來分時控制，利用74HC138 進行8個鎖存器的分時選通，當每層的控制數(shù)據(jù)都寫入到鎖存器后，再通過層選信號選通相應層，在一個周期內(nèi)依次掃完8 層，由于一個周期的時間小于人眼的視覺暫留時間，所以從人眼看來是一幅完整的立體圖案。這樣便使用15個IO 擴展口來實現(xiàn)512個LED 的分時控制。通過這樣的工作原理就可以在光立方平臺上達到靜態(tài)畫面、動畫和立體小游戲等功能的實現(xiàn)。

光立方的掃描過程有兩種方案:一是待8 層全部掃描完成后再進行信號輸出;二是每層掃描完成后即進行信號輸出?？紤]到掃描連貫性、均勻性以及人眼的視覺特性，這里采用第2種方案。

為避免光立方掃描過程中每列間因信號串擾而影響發(fā)光效果，在掃描每層前，先通過鎖存器的輸出使能端屏蔽輸出，等到每層全部掃描完后再打開使能端進行信號輸出。

2.3 音頻解碼及輸出模塊

音頻輸出模塊采用了硬解碼方式，通過擴展IO口輸出音頻數(shù)據(jù)并控制VS1003IC 對音頻進行解碼。音頻控制部分有兩種實現(xiàn)方案。一是音頻模塊使用與其他模塊共用一個NOIS 軟核，即系統(tǒng)單CPU模式;二是音頻模塊另外使用一個單獨的NOIS核控制，即系統(tǒng)雙CPU模式。因為外部接口較多，且每部分實時性要求都很高，為保證音質(zhì)，系統(tǒng)使用了NIOS 雙核技術，用CPU2 控制音頻模塊，并利用MUTEX 互斥量成功實現(xiàn)了雙CPU 間的通信，解決了外部接口多，算法復雜，工作壓力大和實時性要求高之間的矛盾。

因為音頻數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)采用SD 卡來存儲音頻信息。通過對已有NIOS IP 核的改寫，使用SPI通信協(xié)議讀取SD 卡數(shù)據(jù)，并對成功移植了文件系統(tǒng)FAT16，實現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的存儲和讀取。在播放音樂時，首先將音頻數(shù)據(jù)從SD 卡中讀到RAM 中，再依次送給VS1003 音頻模塊進行解碼播放。

2.4 人機交互模塊

人機交互媒介采用觸摸屏，顯示部分采用SSD1289IC 控制器驅(qū)動的TFT 屏，分辨率為320×240，顯示畫面清晰，觸摸感應部分采用ADS7843IC。

SSD1289IC 提供了多種通信方式，例如SPI模式傳輸，8080-16 bit 并行傳輸?shù)?。為提高刷屏速率，?yōu)化系統(tǒng)，我們采用了8080-16 bit 并行傳遞模式，并通過時序優(yōu)化，很好地實現(xiàn)了TFT 屏顯示。總的工作原理為:將圖片按照RGB565模式取模保存，顯示時利用SDRAM 作為緩存。每次刷屏時依次將每個像素點的RGB值通過16 bit 并行模式傳遞給SSD1289IC 內(nèi)部RAM，從而實現(xiàn)圖片顯示。

ADS7843 是一個內(nèi)置12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導通電阻模擬開關的串行接口芯片。供電電壓2.7 V～5 V，參考電壓VREF為1 V～+VCC，轉(zhuǎn)換電壓的輸入范圍為0～VREF，最高轉(zhuǎn)換速率為125 kHz。因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)很容易實現(xiàn)電極電壓的切換，并能進行快速A/D 轉(zhuǎn)換。

ADS7843 支持兩種參考電壓輸入模式:一種是參考電壓固定為VREF，另一種采取差動模式，參考電壓來自驅(qū)動電極。采用差動模式可以消除開關導通壓降帶來的影響。為提高采樣精度，IC 選用了差動模式進行采樣。

3 軟件設計

系統(tǒng)采用NIOS 的雙CPU 工作模式，CPU1 主要負責模式切換、內(nèi)部算法處理和光立方掃描，CPU2 主要進行音頻解碼控制與播放，CPU 間通過MUTEX 互斥量進行通信。上電復位后，兩CPU 分別加載程序數(shù)據(jù)，并進行各功能模塊的初始化?？梢酝ㄟ^觸摸屏與系統(tǒng)進行交互，實現(xiàn)模式控制、音頻播放等。通過CPU1 內(nèi)部算法處理后，在定時中斷中進行光立方掃描。因光立方掃描需每1 ms 中斷一次，對其他部分的處理影響較大。為解決這一問題，這里采用嵌入微型操作系統(tǒng)UCOS－Ⅱ進行實時任務調(diào)度，以實現(xiàn)各部分功能單元的有序進行。軟件工作流程如圖3所示。

3.1 光立方掃描控制設計

在定時中斷中實現(xiàn)光立方掃描的主要時序控制，過程如下:

(1)關閉寄存器輸出;

(2)通過8 次循環(huán)，對光立方一層的8 列進行分時賦值、選通、掃描;

(3)打開寄存器輸出;

(4)通過譯碼器進行層選。

1 ms 定時中斷函數(shù)如下:

3.2 應用開發(fā)設計

系統(tǒng)除了可對光立方進行可控掃描外，還進行了動態(tài)文字及圖像顯示以及3D 貪吃蛇等應用開發(fā)。應用開發(fā)的關鍵在于對各個LED 的顯示位置與時間進行可控設計，在充分考慮人眼視覺特征的情況下，通過良好的邏輯設計，以實現(xiàn)相關的應用開發(fā)。

3D 貪吃蛇游戲的軟件開發(fā)，結(jié)構(gòu)簡單清晰，體現(xiàn)了良好的邏輯設計。軟件設計將光立方掃描和貪吃蛇內(nèi)部數(shù)據(jù)處理分開，以達到各模塊的獨立性和簡潔性。

貪吃蛇主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

貪吃蛇相關函數(shù):

ps2_init和snakegame_init 函數(shù)分別完成PS/2 鍵盤初始化和貪吃蛇游戲的初始化，ps2_check和snake_move 函數(shù)分別進行鍵盤檢測和貪吃蛇數(shù)據(jù)處理。

4 實現(xiàn)結(jié)果

從二維顯示出發(fā)，利用真正3D 空間排列的LED點陣和人眼的視覺暫留效應實現(xiàn)了光立方3D顯示效果。該系統(tǒng)可以進行圖像立體靜態(tài)顯示和音樂立方動態(tài)顯示，并基于動態(tài)顯示實現(xiàn)了真正意義上的三維小游戲。其觀賞性和娛樂性強，易于移植，具有很高的實用價值。由于控制部分設計需求較為復雜，本文采用NIOS 軟核實現(xiàn)。通過NIOS 雙核技術，使用兩個CPU 同時工作，解決了設計具體實施中遇到的接口較多，算法復雜等難題。為提高系統(tǒng)實時性，采用嵌入了UCOS Ⅱ微型操作系統(tǒng)進行任務調(diào)度，效果也很理想。

圖4 實現(xiàn)效果圖

當然，該作品仍有較多改進空間，如由于限于硬件資源的限制，光立方的分辨率還不是很高，只能顯示一些簡單的圖像和動畫，同時，現(xiàn)在只能進行單色顯示，有可能進行全彩LED［10］顯示改進。如果應用于一些較大型的場所，只要按照給出的設計方案對外圍電路進行相應擴展就可以成功實現(xiàn)。

［1］LED Cube3-dimensional display［EB/OL］.http://www.instructables.com/id/Led－Cube－8x8x8/.

［2］楊軍.基于FPGA 的SOPC 實踐教程［M］.科學出版社，2010.

［3］赫建國，倪德克，鄭燕.基于Nios Ⅱ內(nèi)核的FPGA 電路系統(tǒng)設計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［4］Altera Corp.Creating Multiprocessor NiosⅡSystem Tutorial［EB/OL］.Altera.2011.

［5］高世明，孟令軍，李寶剛.基于NIOS 多核處理器的JPEG 解碼的設計與實現(xiàn)［J］.器件與應用，2011，35(5).

［6］張榮，黃?，摚畲褐?基于NIOSⅡ軟核處理器的嵌入式測試系統(tǒng)軟硬件設計研究［J］.計算機測量與控制，2012(2).

［7］王浩然，秦會斌.LED點陣屏顯示單元的設計與驅(qū)動控制［J］.電子器件，2010，33(5):550－552.

［8］周航慈.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設計技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［9］閔劍，余菲，梁蓓.一種應用于AMOLED 的陣列掃描控制電路［J］.電子器件，2011，34(3):303－306.

［10］談衛(wèi)星，胡建人.基于STM32 的全彩LED 顯示屏系統(tǒng)的設計［J］.電子器件，2011，34(3):258－260.