基于FPGA 的3D 光立方設(shè)計(jì)*

康志強(qiáng)，汪 佳，湯勇明

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

在顯示技術(shù)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(yàn)。本文研究了采用三維藍(lán)光LED 陣列作為顯示載體，F(xiàn)PGA 作為控制平臺(tái)的方案，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部算法進(jìn)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(shù)，進(jìn)行了一系列應(yīng)用開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)該3D 視覺信息平臺(tái)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(duì)簡(jiǎn)單二維LED點(diǎn)陣［7］顯示屏的擴(kuò)展，利用層疊加技術(shù)構(gòu)建出立體LED 矩陣，用FPGA 開發(fā)平臺(tái)DE0 進(jìn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維顯示功能。利用人眼的視覺暫留效應(yīng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的靜態(tài)圖像顯示和立體動(dòng)畫顯示，并基于動(dòng)態(tài)顯示實(shí)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(jī)交互部分，并進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)運(yùn)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(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)兩CPU 的同步。整個(gè)光立方系統(tǒng)主要分為3種模式:靜態(tài)模式，動(dòng)態(tài)模式和游戲模式。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互，可通過觸摸屏等進(jìn)行模式切換。為實(shí)現(xiàn)光立方不同顯示模式的切換與音頻輸出的實(shí)時(shí)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(tái)

針對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中數(shù)據(jù)的快速運(yùn)算處理以及外部接口的靈活配置需求，控制平臺(tái)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(tái)還搭配了SD 卡、PS2 等豐富的周邊裝置，足以開發(fā)復(fù)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(tái)。

2.2 光立方模塊

光立方由512個(gè)藍(lán)色散光LED 組成，分為8層，每層64個(gè)(8x8)LED，每個(gè)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(dá)到三維顯示的效果。具體的連接為:每層64個(gè)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(duì)地導(dǎo)通，豎直方向同列的8個(gè)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(gè)列單元，可用8個(gè)8 bit 鎖存器進(jìn)行控制。

圖2 光立方驅(qū)動(dòng)電路

光立方掃描驅(qū)動(dòng)［9］電路分為層驅(qū)動(dòng)電路和列驅(qū)動(dòng)電路。層驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生層掃描信號(hào)，工作時(shí)，F(xiàn)PGA 輸出層控制信號(hào)，然后由74HC138 譯碼器譯碼，選通或關(guān)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(duì)地導(dǎo)通。當(dāng)三極管輸出為高時(shí)，選通對(duì)應(yīng)的LED 層，當(dāng)三極管輸出為低時(shí)，關(guān)閉對(duì)應(yīng)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(gè)鎖存器(74HC574)的輸出端，當(dāng)鎖存器輸出為高，且LED 層被選通時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED 被點(diǎn)亮。光立方的空間圖像信息被分為8 層，列驅(qū)動(dòng)電路將每層的數(shù)據(jù)信號(hào)依次送到選通的LED 列上，每層的64個(gè)LED 由8個(gè)8 bit 的鎖存器來分時(shí)控制，利用74HC138 進(jìn)行8個(gè)鎖存器的分時(shí)選通，當(dāng)每層的控制數(shù)據(jù)都寫入到鎖存器后，再通過層選信號(hào)選通相應(yīng)層，在一個(gè)周期內(nèi)依次掃完8 層，由于一個(gè)周期的時(shí)間小于人眼的視覺暫留時(shí)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(gè)IO 擴(kuò)展口來實(shí)現(xiàn)512個(gè)LED 的分時(shí)控制。通過這樣的工作原理就可以在光立方平臺(tái)上達(dá)到靜態(tài)畫面、動(dòng)畫和立體小游戲等功能的實(shí)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(jìn)行信號(hào)輸出;二是每層掃描完成后即進(jìn)行信號(hào)輸出。考慮到掃描連貫性、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(hào)串?dāng)_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(jìn)行信號(hào)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(kuò)展IO口輸出音頻數(shù)據(jù)并控制VS1003IC 對(duì)音頻進(jìn)行解碼。音頻控制部分有兩種實(shí)現(xiàn)方案。一是音頻模塊使用與其他模塊共用一個(gè)NOIS 軟核，即系統(tǒng)單CPU模式;二是音頻模塊另外使用一個(gè)單獨(dú)的NOIS核控制，即系統(tǒng)雙CPU模式。因?yàn)橥獠拷涌谳^多，且每部分實(shí)時(shí)性要求都很高，為保證音質(zhì)，系統(tǒng)使用了NIOS 雙核技術(shù)，用CPU2 控制音頻模塊，并利用MUTEX 互斥量成功實(shí)現(xiàn)了雙CPU 間的通信，解決了外部接口多，算法復(fù)雜，工作壓力大和實(shí)時(shí)性要求高之間的矛盾。

因?yàn)橐纛l數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)采用SD 卡來存儲(chǔ)音頻信息。通過對(duì)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(duì)成功移植了文件系統(tǒng)FAT16，實(shí)現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取。在播放音樂時(shí)，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(jìn)行解碼播放。

2.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互媒介采用觸摸屏，顯示部分采用SSD1289IC 控制器驅(qū)動(dòng)的TFT 屏，分辨率為320×240，顯示畫面清晰，觸摸感應(yīng)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)取樘岣咚⑵了俾?，?yōu)化系統(tǒng)，我們采用了8080-16 bit 并行傳遞模式，并通過時(shí)序優(yōu)化，很好地實(shí)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(shí)利用SDRAM 作為緩存。每次刷屏?xí)r依次將每個(gè)像素點(diǎn)的RGB值通過16 bit 并行模式傳遞給SSD1289IC 內(nèi)部RAM，從而實(shí)現(xiàn)圖片顯示。

ADS7843 是一個(gè)內(nèi)置12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)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(shí)現(xiàn)電極電壓的切換，并能進(jìn)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(dòng)模式，參考電壓來自驅(qū)動(dòng)電極。采用差動(dòng)模式可以消除開關(guān)導(dǎo)通壓降帶來的影響。為提高采樣精度，IC 選用了差動(dòng)模式進(jìn)行采樣。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用NIOS 的雙CPU 工作模式，CPU1 主要負(fù)責(zé)模式切換、內(nèi)部算法處理和光立方掃描，CPU2 主要進(jìn)行音頻解碼控制與播放，CPU 間通過MUTEX 互斥量進(jìn)行通信。上電復(fù)位后，兩CPU 分別加載程序數(shù)據(jù)，并進(jìn)行各功能模塊的初始化?？梢酝ㄟ^觸摸屏與系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)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(shí)中斷中進(jìn)行光立方掃描。因光立方掃描需每1 ms 中斷一次，對(duì)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(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)各部分功能單元的有序進(jìn)行。軟件工作流程如圖3所示。

3.1 光立方掃描控制設(shè)計(jì)

在定時(shí)中斷中實(shí)現(xiàn)光立方掃描的主要時(shí)序控制，過程如下:

(1)關(guān)閉寄存器輸出;

(2)通過8 次循環(huán)，對(duì)光立方一層的8 列進(jìn)行分時(shí)賦值、選通、掃描;

(3)打開寄存器輸出;

(4)通過譯碼器進(jìn)行層選。

1 ms 定時(shí)中斷函數(shù)如下:

3.2 應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)除了可對(duì)光立方進(jìn)行可控掃描外，還進(jìn)行了動(dòng)態(tài)文字及圖像顯示以及3D 貪吃蛇等應(yīng)用開發(fā)。應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵在于對(duì)各個(gè)LED 的顯示位置與時(shí)間進(jìn)行可控設(shè)計(jì)，在充分考慮人眼視覺特征的情況下，通過良好的邏輯設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)。

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

貪吃蛇主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

貪吃蛇相關(guān)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(jìn)行鍵盤檢測(cè)和貪吃蛇數(shù)據(jù)處理。

4 實(shí)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(diǎn)陣和人眼的視覺暫留效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了光立方3D顯示效果。該系統(tǒng)可以進(jìn)行圖像立體靜態(tài)顯示和音樂立方動(dòng)態(tài)顯示，并基于動(dòng)態(tài)顯示實(shí)現(xiàn)了真正意義上的三維小游戲。其觀賞性和娛樂性強(qiáng)，易于移植，具有很高的實(shí)用價(jià)值。由于控制部分設(shè)計(jì)需求較為復(fù)雜，本文采用NIOS 軟核實(shí)現(xiàn)。通過NIOS 雙核技術(shù)，使用兩個(gè)CPU 同時(shí)工作，解決了設(shè)計(jì)具體實(shí)施中遇到的接口較多，算法復(fù)雜等難題。為提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，采用嵌入了UCOS Ⅱ微型操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，效果也很理想。

圖4 實(shí)現(xiàn)效果圖

當(dāng)然，該作品仍有較多改進(jìn)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(jiǎn)單的圖像和動(dòng)畫，同時(shí)，現(xiàn)在只能進(jìn)行單色顯示，有可能進(jìn)行全彩LED［10］顯示改進(jìn)。如果應(yīng)用于一些較大型的場(chǎng)所，只要按照給出的設(shè)計(jì)方案對(duì)外圍電路進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展就可以成功實(shí)現(xiàn)。

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