張 雄,周艷玲,張子佳,曾張帆

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

基于DE1-SoC的磁性介質(zhì)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 雄,周艷玲,張子佳,曾張帆

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

針對(duì)常規(guī)平面成像技術(shù)表現(xiàn)形式單一，容易視覺(jué)疲勞等問(wèn)題，提出一種新型的基于FPGA/ARM異構(gòu)雙核控制的磁性介質(zhì)顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)磁性介質(zhì)的立體動(dòng)態(tài)成像；本系統(tǒng)通過(guò)在Altera DE1-SoC的Linux平臺(tái)上構(gòu)建Lighttpd輕量級(jí)Web服務(wù)器和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)功能程序、底層驅(qū)動(dòng)程序、自定義IP核和Verilog邏輯譯碼程序來(lái)實(shí)現(xiàn)該顯示系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā);本系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備跨平臺(tái)控制能力、磁流體精確控制能力以及多種樣式的漢字和圖案顯示能力;大量實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠通過(guò)控制磁流體完美的表現(xiàn)出立體書(shū)法、繪畫(huà)圖案，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

DE1-SoC；磁流體；Lighttpd；IP核；顯示原型機(jī)

0 引言

近年來(lái)，隨著人們生活水平的進(jìn)步，對(duì)視覺(jué)的需求也逐步提高，主要表現(xiàn)在內(nèi)容上追求豐富多彩和表現(xiàn)形式上希望生動(dòng)靈活。傳統(tǒng)的顯示技術(shù)如液晶屏、LCD、投影等已廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、教室、會(huì)議等社會(huì)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域與場(chǎng)所，在表現(xiàn)內(nèi)容上非常豐富，為人們的生活提供了諸多便利。然而，上述技術(shù)在表現(xiàn)形式上主要以圖像或者動(dòng)畫(huà)為主，表現(xiàn)風(fēng)格比較傳統(tǒng)，特別在某些應(yīng)用場(chǎng)景如國(guó)畫(huà)，書(shū)法方面的表現(xiàn)上不夠生動(dòng)，難以達(dá)到預(yù)期的效果。

基于此，本文提出一種新的基于網(wǎng)絡(luò)控制的磁性介質(zhì)顯示系統(tǒng)。通過(guò)在Altera DE1-SoC的Linux平臺(tái)上構(gòu)建Lighttpd輕量級(jí)Web服務(wù)器和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)功能程序、底層驅(qū)動(dòng)程序、自定義IP核和Verilog邏輯譯碼程序，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的適合網(wǎng)絡(luò)操作的磁場(chǎng)控制系統(tǒng)。進(jìn)一步，結(jié)合一種經(jīng)過(guò)改良配方的類(lèi)油墨性磁介質(zhì)納米[1]材料，成功研制了一種帶顯存的磁性控制顯示平臺(tái)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

磁性介質(zhì)顯示系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括3個(gè)部分：

(1)磁性介質(zhì)顯示模塊；

(2)顯示屏驅(qū)動(dòng)模塊；

(3)主控板DE1-SoC。

圖1 磁性介質(zhì)顯示系統(tǒng)架構(gòu)圖

磁性介質(zhì)顯示模塊用來(lái)展示最終圖像。在該模塊中，黑色的磁性納米材料作為顯示“墨水”，白色的懸載液作為背景。單元像素點(diǎn)由單點(diǎn)電磁極構(gòu)成，磁極按照固定的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)緊密排放形成多像素顯示屏。單個(gè)電磁極通過(guò)其輸入電流的方向和大小來(lái)控制磁場(chǎng)，以達(dá)到控制單點(diǎn)的磁性材料成像，輸入多位并行顯示數(shù)據(jù)來(lái)控制模塊多像素成像。散熱結(jié)構(gòu)是用來(lái)解決多磁極密集工作的功耗熱量問(wèn)題。

顯示屏驅(qū)動(dòng)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的硬件中間結(jié)構(gòu)，目的是優(yōu)化多點(diǎn)像素的控制模式，簡(jiǎn)化控制接口，緩存高速顯示數(shù)據(jù)。其輸出為磁性介質(zhì)顯示模塊的多位并行顯示數(shù)據(jù)，輸入為主控板DE1-SoC模塊的串行輸出信號(hào)，包括控制信號(hào)和顯示數(shù)據(jù)。該模塊是用硬件實(shí)現(xiàn)串行信號(hào)中顯示數(shù)據(jù)的解析，當(dāng)解析完全部像素的顯示數(shù)據(jù)后，再輸出至磁性介質(zhì)顯示模塊。

主控板DE1-SoC模塊為整套系統(tǒng)的軟件提供基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)。該模塊硬件部分采用DE1-SOC開(kāi)發(fā)板，其核心模塊為Altera公司研制的CycloneV-SoC-FPGA芯片。該芯片內(nèi)集成了FPGA邏輯和一套硬核系統(tǒng)(Hard Processor System：HPS)。其中，HPS包括ARM Cortex-A9雙核處理器[10]、固定外設(shè)和存儲(chǔ)系統(tǒng)。采用這類(lèi)HPS+FPGA[3]的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件可以根據(jù)需求定制基于AXI總線的用戶(hù)外設(shè)，包括可擴(kuò)展IO口、多CPU、定制指令集、硬件加速器等?；贒E1-SOC硬件開(kāi)發(fā)板，設(shè)計(jì)了一系列軟件基礎(chǔ)平臺(tái)與服務(wù)，從頂向下包括web服務(wù)器平臺(tái)、基于DE1-SoC移植的Linux操作系統(tǒng)、Linux應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序和Verilog邏輯譯碼程序。該模塊的核心是設(shè)計(jì)控制信號(hào)流和各層軟件，從web端輸入的漢字信息、顯示效果、時(shí)鐘信息、調(diào)時(shí)控制等數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)中間軟件逐層分析，最后至FPGA的自定義GPIO口，使顯示數(shù)據(jù)串行輸出到顯示屏驅(qū)動(dòng)模塊。

2 系統(tǒng)硬件部分

硬件部分包括磁性介質(zhì)顯示模塊和顯示屏驅(qū)動(dòng)模塊。

顯示屏驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換，分時(shí)加載并行顯示數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)鎖存器、控制外部磁極矩陣，最終實(shí)現(xiàn)顯存機(jī)制，其內(nèi)部各子模塊相互之間的信號(hào)流如圖2所示。

圖2 硬件模塊信號(hào)流圖

如圖2所示，該模塊的擁有4路輸入信號(hào)，包括數(shù)據(jù)信號(hào)、幀截止、同步時(shí)鐘、數(shù)據(jù)有效時(shí)鐘輔助信號(hào)。輸入信號(hào)通過(guò)譯碼器、鎖存器等子模塊最終轉(zhuǎn)換為64位磁極矩陣顯示圖案的驅(qū)動(dòng)電平信號(hào)。接下來(lái)就硬件部分的若干關(guān)鍵子模塊：譯碼解析子模塊和磁極矩陣子模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 譯碼解析子模塊

譯碼解析模塊用于按3位地址分幀對(duì)8位顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行解析鎖存。該模塊由74HC138與74HC07芯片組成，其輸入為ADDR[2:0]與bigclk_line[7:0]。模塊工作原理如下：

(1)[ADDR]數(shù)據(jù)進(jìn)入74HC138芯片進(jìn)行3-8譯碼轉(zhuǎn)換，譯碼結(jié)果根據(jù)采樣脈沖[bigclk_line]觸發(fā)輸出。

(2)輸出數(shù)據(jù)由兩塊74HC04芯片進(jìn)行電平反向轉(zhuǎn)換，最終譯碼模塊輸出為高電平有效的脈沖。

64位并行鎖存器的功能是存儲(chǔ)64bit的顯示圖像并將其經(jīng)過(guò)功率驅(qū)動(dòng)模塊并行輸出。該模塊由8個(gè)8位74HC573組建的顯存模塊，輸入信號(hào)為8位數(shù)據(jù)(光耦隔離后的Data)與8位地址選通(地址譯碼模塊輸出)，輸出信號(hào)為64位并行數(shù)據(jù)。其工作原理原理是Data同時(shí)輸入8個(gè)74HC573輸入端，每個(gè)74HC573根據(jù)地址譯碼模塊輸出的脈沖依次順序選通，按次序?qū)ata鎖存到每個(gè)74HC573芯片中，完成了圖像的像素點(diǎn)還原并引出全部像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的控制管腳共64個(gè)。

功率放大模塊用于放大像素控制管腳的控制功率。該模塊的輸入端包含64個(gè)5 V端口、輸出端包含64個(gè)30 V端口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包含8片復(fù)合管NLU2804A組成的并行64通道放大電路。

2.2 磁極矩陣子模塊

磁極矩陣模塊主要功能為產(chǎn)生8×8點(diǎn)陣的特定磁場(chǎng)，以驅(qū)動(dòng)磁流體流動(dòng)成像，其實(shí)物如圖3所示。

圖3 8×8點(diǎn)陣磁極

該模塊使用64個(gè)定制磁極，按照固定磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)緊密排列，通過(guò)控制從單個(gè)磁極輸入電流的方向和大小來(lái)控制磁場(chǎng)。

3 系統(tǒng)軟件部分

3.1 整體軟件架構(gòu)

系統(tǒng)在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方面引入了全可編程(All Programmable)的概念，即軟件可編程和硬件可編程。該架構(gòu)不僅充分實(shí)現(xiàn)了軟件編程開(kāi)發(fā)速度快與硬件實(shí)現(xiàn)響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)增加了硬、軟件資源配置的靈活性。此外，整體的軟件架構(gòu)采用分層的設(shè)計(jì)，模塊化程度高，易于維護(hù)和后續(xù)的功能擴(kuò)展。該系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)自頂向下包括Web交互層、Linux驅(qū)動(dòng)層和硬件邏輯層。Web交互層為用戶(hù)提供控制界面，同時(shí)轉(zhuǎn)換控制數(shù)據(jù)給Linux驅(qū)動(dòng)層；Linux驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸給硬件邏輯層，該層主要為適配操作系統(tǒng)的架構(gòu)，就不詳細(xì)描述；硬件邏輯層主要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理，再串行輸出到底層硬件。接下來(lái)就Web交互層和硬件邏輯層詳細(xì)描述。

3.2 Web交互層

Web交互層的底層硬件為DE1-SoC開(kāi)發(fā)板，其核心芯片為FPGA和雙核ARMCortex-A9。移植的Linux操作系統(tǒng)為底層軟件基礎(chǔ)，構(gòu)成系統(tǒng)的基本運(yùn)行環(huán)境。

在Linux操作系統(tǒng)上移植lighttpd輕量級(jí)的Web服務(wù)器，將Linux腳本語(yǔ)言與CGI程式網(wǎng)頁(yè)結(jié)合，使得Linux應(yīng)用C程序能夠接收來(lái)自Web端提交的數(shù)據(jù)，然后解析輸出相應(yīng)的顯示編碼給硬件邏輯層，最終實(shí)現(xiàn)Web遠(yuǎn)程的跨平臺(tái)控制功能。

Web交互頁(yè)面開(kāi)發(fā)主要包含3個(gè)模塊：Lighttpd網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器模塊移植、Web頁(yè)面模塊開(kāi)發(fā)以及數(shù)據(jù)交互協(xié)議自定義。

Lighttpd服務(wù)器是一套開(kāi)源的網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，相比同類(lèi)開(kāi)源網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，它僅需要少量的內(nèi)存及CPU資源即可達(dá)到類(lèi)似的性能。同時(shí)該服務(wù)器在支持靜態(tài)對(duì)象(例如，圖片文件)時(shí)，Lighttpd響應(yīng)速度更快，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的web端控制提供可擴(kuò)展性。

基于DE1-SOC的Lighttpd服務(wù)器移植流程包括源碼下載、編譯、修改配置文件等。數(shù)據(jù)交互通過(guò)Linux中的Bash Script來(lái)捕捉輸入?yún)?shù)值，然后輸入給Linux C應(yīng)用程序。此外，為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)交互的可靠性及規(guī)范性，該系統(tǒng)同采用了自定義數(shù)據(jù)交互協(xié)議，增加奇偶校驗(yàn)、隔離碼等安全技術(shù)。

Linux應(yīng)用C程序針對(duì)三類(lèi)不同應(yīng)用風(fēng)格設(shè)計(jì)了3種功能：8×8漢字動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示、貪吃蛇游戲和5×16時(shí)鐘控制。

3.3 硬件邏輯層

磁流體顯示系統(tǒng)的硬件邏輯層部分包括6個(gè)模塊，分別為IP核輸入、數(shù)據(jù)效驗(yàn)解析、分析存儲(chǔ)、協(xié)議解析、串行轉(zhuǎn)換和GPIO輸出。輸入[0-11]位的IP核掛載在ARM端的內(nèi)部總線上，可供上層Linux驅(qū)動(dòng)程序?qū)懭霐?shù)據(jù)，使Linux能夠通過(guò)地址映射跟Qsys上的硬件邏輯進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)校驗(yàn)解析模塊接收Linux應(yīng)用程序下發(fā)的數(shù)據(jù)，對(duì)該數(shù)據(jù)按照自定義協(xié)議進(jìn)行校驗(yàn)并解析，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。分析存?chǔ)模塊將效驗(yàn)解析后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到一個(gè)雙口8×8RAM中，為協(xié)議串行轉(zhuǎn)換模塊提供數(shù)據(jù)輸入。協(xié)議解析模塊和協(xié)議串行轉(zhuǎn)換模塊是將雙口8×8RAM中的數(shù)據(jù)將8×8的RAM數(shù)據(jù)按照給定頻率串行輸出至GPIO口，并提供幀數(shù)據(jù)完結(jié)信號(hào)和輔助時(shí)序信號(hào)。

4 實(shí)物效果、系統(tǒng)測(cè)試與分析

依據(jù)上述整體架構(gòu)與軟硬件技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了磁性介質(zhì)顯示系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，對(duì)8×8和5×16兩種不同尺寸的磁性介質(zhì)顯示模塊進(jìn)行整體效果測(cè)試，顯示效果如圖5所示，依次為中國(guó)字“馬”、“貪食蛇游戲界面”以及“時(shí)鐘”。

圖5 磁性介質(zhì)顯示系統(tǒng)輸出圖案

該系統(tǒng)的測(cè)試包括磁性顯示介質(zhì)測(cè)試、硬件電路測(cè)試、FPGA編碼邏輯測(cè)試以及Web頁(yè)面功能控制模塊測(cè)試等。

對(duì)磁性顯示介質(zhì)長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月的觀察，該材料在常溫下依然具有較好的流動(dòng)性、聚合性和穩(wěn)定性且不粘附于器皿壁。

硬件電路測(cè)試包括模塊單元測(cè)試和整體集成測(cè)試。對(duì)隔離、解碼、鎖存和驅(qū)動(dòng)等各個(gè)模塊分別進(jìn)行單元測(cè)試，其輸入輸出滿足功能需求。在整體集成測(cè)試時(shí)，模塊間級(jí)聯(lián)有干擾，后采取在級(jí)聯(lián)處增添上下拉電阻或?yàn)V波電容等方法來(lái)消除干擾，最終硬件的整體集成測(cè)試達(dá)到目標(biāo)需求。

FPGA編碼邏輯測(cè)試是通過(guò)對(duì)RAM預(yù)置數(shù)據(jù)再用邏輯分析儀對(duì)輸出時(shí)序進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 FPGA顯存邏輯典型工作時(shí)序

第一行mineCLK為數(shù)據(jù)傳輸心跳時(shí)鐘;第二三行為RAM的測(cè)試使能時(shí)鐘；第四行OUT_CLK_74HC_595為12位數(shù)據(jù)總線的采樣時(shí)鐘，下跳沿時(shí)數(shù)據(jù)有效；第五行output_data_SDA輸出為12位，其中低四位位為地址數(shù)據(jù)，高八位為顯示數(shù)據(jù)；第六行Data_out_finsh為單幀數(shù)據(jù)發(fā)送完結(jié)標(biāo)志。取圖12中第二幀數(shù)據(jù)為例，地址為1h，顯示數(shù)據(jù)為F0h，輸出數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的12位二進(jìn)制數(shù)為1000_0000_1111；對(duì)RAM的預(yù)置數(shù)據(jù)和output_data_SDA輸出的時(shí)序數(shù)據(jù)對(duì)比分析后，相應(yīng)地址位對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)序與RAM的預(yù)置數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，時(shí)序驗(yàn)證均正確。

Web頁(yè)面的功能控制頁(yè)面如圖7所示，可以看到，該磁流體顯示系統(tǒng)支持多種輸出風(fēng)格的網(wǎng)頁(yè)控制，例如時(shí)間、計(jì)時(shí)倍率、文字以及圖案等。此外，通過(guò)對(duì)該頁(yè)面反復(fù)的輸入實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該網(wǎng)頁(yè)控制模塊的功能性和穩(wěn)定性。

圖7 Web功能控制圖

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于Altera DE1-SOC的磁流體顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)基于光學(xué)的顯示技術(shù)，能夠?qū)Ω黝?lèi)字形、字體以及圖畫(huà)進(jìn)行黑白動(dòng)態(tài)的展示，顯示內(nèi)容豐富，展示效果生動(dòng)。本系統(tǒng)通過(guò)web頁(yè)面將控制數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳遞到Linux應(yīng)用程序，使之調(diào)用底層硬件驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)紿PS與FPGA的AXI總線橋，再通過(guò)FPGA邏輯數(shù)據(jù)地址解析傳到硬件顯存，最后通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)將顯示圖像實(shí)時(shí)反應(yīng)到點(diǎn)陣磁極的磁場(chǎng)上，該磁流體顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了磁性介質(zhì)顯示的遠(yuǎn)程web頁(yè)面控制。這不僅豐富視覺(jué)顯示途徑，而且還較好的結(jié)合傳統(tǒng)國(guó)學(xué)的水墨文化，促進(jìn)傳統(tǒng)文化的發(fā)展。

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Magnetic Media Display System Based on DE1-SoC

Zhang Xiong, Zhou Yanling, Zhang Zijia，Zeng Zhangfan

(College of Hubei University，Wuhan 430062，China)

As a new prototype display system, the system based on DE1-SoC Development Board. DE1-SoC operates an improved magnetic Nano-material through controlling the underlying hardware for the specific content. By transplanting Lighttpd, the lightweight Web server and developing Linux program, Linux driver, a custom IP core and Verilog decoding program, networked mobile devices can control the underlying hardware and display system through crossing platform. The system, combined with magnetic fluid and weight, can display dot matrix of some Chinese characters, perfectly reflecting the charm of Chinese characters.

DE1-SoC;magnetic fluid;IP Core;low level driver;display prototype

2016-12-21；

2017-01-19。

國(guó)家自然科學(xué)基金(61301144；61601175)。

張 雄(1992-)，男，湖北荊州人，研究生，主要從事嵌入式智能系統(tǒng)方向的研究。

周艷玲(1981-)，女，湖北廣水人，副教授，博士，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航接收技術(shù)和信號(hào)設(shè)計(jì)方向的研究。

曾張帆(1983-)，男，湖北武漢人，副教授，主要從事下一代無(wú)線通信系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)03-0184-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.050

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