一種基于FPGA的LCD顯示方案設(shè)計

張佃青 詹 雄 楊 立 王宇紅 王慧錚

（南瑞集團(tuán)中電普瑞科技有限公司，北京 102200）

LCD顯示模塊為電力系統(tǒng)控制保護(hù)裝置和其他工業(yè)控制裝置提供了友好的人機(jī)接口。電力系統(tǒng)控制保護(hù)裝置集測量、控制、監(jiān)視、保護(hù)、通信等多種功能于一體，是在電力系統(tǒng)或電力設(shè)備發(fā)生故障和不正常運行情況時，用于快速切除故障，消除不正常狀況的重要二次設(shè)備[1]。

繼電保護(hù)新原理的出現(xiàn)，靈活交流輸電、直流輸電等新技術(shù)、設(shè)備的大量應(yīng)用，智能化變電站的提出與推廣，對控制保護(hù)裝置的功能、性能提出了更高的要求，對裝置內(nèi)的核心處理器芯片的性能也提出了更高的要求[2-3]。目前控制保護(hù)裝置中廣泛采用高性能DSP、ARM、POWERPC等處理器芯片[2,4-5]。

為了減輕裝置其他CPU的負(fù)擔(dān)，目前電力系統(tǒng)控制保護(hù)裝置 LCD顯示的主流方案是單獨配置一套帶有ARM芯片的智能嵌入式LCD模塊，由裝置內(nèi)的通信管理插件通過RS485或CAN等通信方式將顯示內(nèi)容傳給智能LCD模塊。該方案技術(shù)成熟，但系統(tǒng)略顯復(fù)雜，需要開發(fā)處理器芯片以及LCD模塊ARM芯片2種芯片的硬件和軟件，對于軟硬件后期維護(hù)帶來不便。

本文在目前控制保護(hù)裝置中負(fù)責(zé)對外通信的通信管理插件上，在廣泛采用的POWERPC+FPGA硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種LCD顯示方案，POWERPC通過基于Qt開發(fā)的顯示模塊應(yīng)用程序，將顯示數(shù)據(jù)通過LINUX系統(tǒng)LCD驅(qū)動的Framebuffer設(shè)備快速傳輸給FPGA，而FPGA則實現(xiàn)顯存數(shù)據(jù)存儲及LCD控制器功能。該方案取消了獨立顯示系統(tǒng)，其CPU開銷小，簡化了LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計，使開發(fā)者只需關(guān)注 Qt顯示模塊應(yīng)用程序開發(fā)和維護(hù)，不用考慮LCD模塊ARM芯片軟件開發(fā)和維護(hù)，為控制保護(hù)裝置提供了一種靈活有效、簡便經(jīng)濟(jì)的LCD顯示方案。

1 控制保護(hù)裝置系統(tǒng)架構(gòu)

控制保護(hù)裝置的具體功能是：接收模擬量數(shù)據(jù)、保護(hù)相關(guān)的開入量，執(zhí)行數(shù)據(jù)運算和邏輯判斷，輸出調(diào)節(jié)指令或保護(hù)動作；提供通信接口、人機(jī)接口界面及錄波回放等功能。控制保護(hù)裝置系統(tǒng)架構(gòu)采用分布式多處理器并行運算技術(shù)的架構(gòu)[2]，如圖 1所示，主要包括DSP插件、智能IO插件、智能模擬量輸入插件、電源插件、通信管理插件和LCD顯示模塊。裝置可以靈活配置DSP插件、智能插件的種類和數(shù)量來滿足不同工程應(yīng)用需求。

圖1 控制保護(hù)裝置系統(tǒng)架構(gòu)框圖

DSP插件的處理器采用定點或浮點DSP，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，主要功能是通過背板總線從智能IO插件收集開入量信息，從智能模擬量輸入插件獲取電參量采集數(shù)據(jù)，執(zhí)行復(fù)雜的電力電子裝置控制調(diào)節(jié)實時算法或繼電保護(hù)邏輯運算，從本插件相關(guān)接口輸出調(diào)節(jié)控制指令或通過智能 IO插件輸出保護(hù)動作指令。在一塊DSP插件還無法完成控制保護(hù)相關(guān)算法時，可以配置多塊DSP插件進(jìn)行并行處理，協(xié)同完成相關(guān)算法。

智能 IO插件包括開入量采集模塊和開關(guān)量輸出模塊兩種。開入量采集模塊對輸入的開關(guān)量采用光耦隔離技術(shù)，轉(zhuǎn)換成與插件內(nèi)后級數(shù)字電路相匹配的低壓數(shù)字信號，插件內(nèi)的CPU對各路開關(guān)量數(shù)據(jù)信號進(jìn)行采集和處理，并將開入量狀態(tài)信息通過背板總線傳遞給裝置其他智能插件。開關(guān)量輸出模塊接收相應(yīng)DSP插件的控制命令，輸出信號繼電器或操作繼電器接點信號。操作繼電器接點接入跳、合閘回路，由啟動邏輯和保護(hù)邏輯協(xié)同控制，實現(xiàn)保護(hù)動作指令的可靠輸出。

智能模擬量輸入模塊用于完成對從傳統(tǒng)互感器變換輸出的交流電壓、交流電流信號，或直流電壓信號進(jìn)行隔離、信號調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過標(biāo)幺化等數(shù)據(jù)處理，將采集數(shù)據(jù)通過背板總線傳遞給裝置其他智能插件。

通信管理插件負(fù)責(zé)裝置的通信、錄波回放及LCD顯示控制功能等。該插件通過背板總線收集模擬量數(shù)據(jù)和開關(guān)量數(shù)據(jù)，收集各插件的狀態(tài)信息，經(jīng)處理器芯片完成錄波回放功能，執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換處理，實現(xiàn)裝置的對外通信；同時該插件通過由FPGA構(gòu)建的LCD控制器完成LCD的顯示控制。

LCD模塊相對簡單，僅包括LCD顯示屏及LCD顯示接口電路。該模塊一般背附在裝置前面板。

電源插件用來給裝置其他插件和 LCD顯示屏提供電源。

2 控制保護(hù)裝置LCD顯示硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

在裝置的通信管理插件上予以實現(xiàn)。系統(tǒng)硬件采用POWERPC+FPGA架構(gòu)，主要由POWERPC模塊、FPGA模塊、背板總線接口電路和LCD接口電路組成，如圖2所示。

圖2 LCD顯示總體架構(gòu)框圖

該硬件通過背板總線與裝置其他板卡實現(xiàn)內(nèi)部通信，POWERPC通過芯片的LocalBus總線獲取相關(guān)信息，完成103、104或IEC61850等規(guī)約轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)裝置的對外通信。同時，PowePC通過基于Qt開發(fā)的顯示模塊應(yīng)用程序，將顯示數(shù)據(jù)由LINUX系統(tǒng)LCD驅(qū)動的Framebuffer設(shè)備通過LocalBus總線快速傳輸給 FPGA。而FPGA則實現(xiàn)顯存數(shù)據(jù)存儲及LCD刷屏及顯示功能。該系統(tǒng)與目前普遍使用的通信管理插件原理上的區(qū)別在于，不再采用 RS485等通信方式與智能 LCD模塊通信，而是通過 LCD接口電路由接插件直接與LCD屏連接。

2.2 POWERPC模塊設(shè)計

POWERPC模塊組成如圖3所示，選用Freescale公司的P1020作為處理器，該芯片是專用的網(wǎng)絡(luò)通信處理芯片，雙核，每核時鐘最高頻率各為800MHz[6]。通過內(nèi)部DDR2控制器外擴(kuò)DDR2存儲器，為程序運行和數(shù)據(jù)動態(tài)處理提供存儲空間，其型號為MT47H64M16HR-3ITE，容量為 64M×32bit，速度為667MHz；通過eSDHC接口外擴(kuò)SD卡，為應(yīng)用程序、大量數(shù)據(jù)存儲提供空間，其型號為03-SDSDAA-008G，容量為8G；通過LocalBus局部總線外擴(kuò)Nor Flash存儲器，用來存儲Bootload程序和系統(tǒng)程序，其型號為 S29GL01GP12TFI01，容量為 64M×16bit，同時通過該局部總線與FPGA通信；通過eTSEC接口外擴(kuò)以太網(wǎng)PHY芯片，實現(xiàn)對外通信。

圖3 POWERPC模塊框圖

2.3 FPGA模塊及外圍電路設(shè)計

FPGA模塊及外圍電路組成如圖4所示，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司的Spartan6系列的XC6SLX45，該芯片具有6822個SLICE，43661個邏輯單元，116×18kb的塊RAM，8個DCM時鐘管理單元，2個DDR控制器[7-8]。

圖4 FPGA模塊及外圍電路框圖

DDR存儲器選用 MT46V16M16CY，容量為16M×16bit，用作顯存，存儲容量較一般的 SRAM容量要大，可以滿足分辨率為 640×480及以上的LCD顯存要求。CAN控制器選用SJA1000，用作與裝置其他板卡通信。串行器選用 DS90C383，用來將FPGA輸出的16個TTL電平的RGB信號串行化成4對LVDS信號，用以提高LCD接口信號的電磁兼容性能。看門狗電路選用IMP706，用以監(jiān)視電源電壓的正常情況，監(jiān)視FPGA和POWERPC的程序運行情況。

3 LCD顯示軟件設(shè)計

設(shè)計了以顯示屏分辨率為640×480的LCD顯示功能軟件。LCD顯示部分的系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括基于FPGA的LCD控制器設(shè)計、Linux系統(tǒng)下LCD顯示驅(qū)動程序設(shè)計和LCD顯示應(yīng)用程序設(shè)計。

3.1 LCD控制器設(shè)計

LCD控制器主要包括與POWERPC接口的數(shù)據(jù)及地址緩存、DDR雙端口控制模塊、LCD刷屏數(shù)據(jù)緩存和LCD接口時序控制等模塊組成，示意圖如圖5所示。

圖5 基于FPGA的LCD控制器功能框圖

DDR控制器由 Xilinx ISE開發(fā)環(huán)境的 CORE Gen模塊中的MIG工具調(diào)用和配置對應(yīng)的DDR控制器IP形成。該控制器支持多端口操作模式[9-10]，實際設(shè)計為2個端口，一個端口用于接收POWERPC的顯示RGB數(shù)據(jù)，并存入DDR顯存相應(yīng)的單元中，一個端口讀取DDR的顯存數(shù)據(jù)，用于LCD刷屏顯示。

DDR SDRAM芯片時鐘頻率可達(dá)到100MHz，但 DDR應(yīng)用的接口帶寬與數(shù)據(jù)的操作方式有很大的關(guān)系。在地址連續(xù)存取方式下，效率高，接口帶寬高，在地址不連續(xù)隨機(jī)存取方式下，效率低，接口帶寬也低。為了支持顯示數(shù)據(jù)的隨機(jī)存取，設(shè)計了POWERPC接口的數(shù)據(jù)及地址緩存模塊，用以提高POWERPC LocalBus總線訪問速度，以便LocalBus總線可以掛載其他接口數(shù)據(jù)。設(shè)計LCD刷屏數(shù)據(jù)緩存，用來匹配LCD接口控制時序。

圖6給出LCD接口控制時序，其中VSYNC為場同步信號，HSYNC為行同步信號，CK為像素時鐘信號，RGB為像素RGB數(shù)據(jù)。液晶顯示屏的刷新頻率為 60Hz，即 VSYNC為 60Hz，而一場則由480個行同步信號組成，則HSYNC為至少28.8kHz。同理可得 CK至少為 18.5MHz。程序?qū)崿F(xiàn)時，由FPGA的 10MHz時鐘輸入信號經(jīng)過時鐘管理模塊DCM產(chǎn)生一個20MHz的時鐘信號CLK，作為LCD接口的主時鐘。場同步信號 VSYNC、行同步信號HSYNC、像素時鐘CK都由主時鐘CLK產(chǎn)生。

圖6 LCD接口控制時序

3.2 LCD顯示驅(qū)動程序設(shè)計

LCD顯示驅(qū)動采用Linux內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)FrameBuffer幀緩沖設(shè)備驅(qū)動架構(gòu)，如圖7所示，F(xiàn)rameBuffer設(shè)備文件為/dev/fb0。

圖7 FrameBuffer驅(qū)動架構(gòu)

FrameBuffer驅(qū)動采用 OF_Platform機(jī)制，在POWERPC設(shè)備樹文件中添加p1020-lcd設(shè)備。

FrameBuffer驅(qū)動加載后，向 Linux內(nèi)核注冊FrameBuffer Platform驅(qū)動，內(nèi)核根據(jù)設(shè)備樹會匹配該設(shè)備，并在Probe函數(shù)中完成LocalBus顯存物理地址映射虛擬地址、FrameBuffer fbinfo幀緩存信息結(jié)構(gòu)體固定及可變屏幕參數(shù)設(shè)置、操作函數(shù) fb_ops結(jié)構(gòu)體注冊、注冊FrameBuffer設(shè)備。

應(yīng)用程序接口函數(shù)在fbmem.c中定義。

3.3 LCD顯示應(yīng)用程序設(shè)計

LCD顯示應(yīng)用程序整體結(jié)構(gòu)包括主要數(shù)據(jù)采集及處理模塊、共享內(nèi)存模塊、LCD人機(jī)接口模塊和組態(tài)模塊，如圖8所示。結(jié)合LINUX系統(tǒng)特點，應(yīng)用程序采用多進(jìn)程、多任務(wù)和共享內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，各個進(jìn)程或任務(wù)以共享內(nèi)存數(shù)據(jù)庫為中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和消息交換。

圖8 LCD顯示應(yīng)用程序整體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集及處理模塊負(fù)責(zé)與監(jiān)控后臺或裝置內(nèi)部其他插件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，獲取監(jiān)控信息和裝置狀態(tài)信息，并將相關(guān)相關(guān)信息映射到共享內(nèi)存區(qū)。

共享內(nèi)存模塊提供動態(tài)內(nèi)存共享。應(yīng)用進(jìn)程利用接口函數(shù)讀寫數(shù)據(jù)庫對象，在應(yīng)用進(jìn)程間收發(fā)消息；實現(xiàn)了內(nèi)存數(shù)據(jù)實時更新及并發(fā)性協(xié)調(diào)，以確保內(nèi)存數(shù)據(jù)的安全性。

組態(tài)模塊使用 Qt的控件庫來創(chuàng)建嵌入式圖元庫，同時通過一個xml格式的配置文件，自動產(chǎn)生不同的組態(tài)畫面，實現(xiàn)圖形組態(tài)，以便于LCD人機(jī)接口模塊調(diào)用。

LCD人機(jī)接口模塊從共享內(nèi)存區(qū)獲得需要可視化的數(shù)據(jù)，完成顯示界面的初始化，根據(jù)設(shè)計好的圖形界面生成對應(yīng)的命令序列，通過Qt的LCD接口Framebuffer設(shè)備實現(xiàn)LCD的顯示控制。

4 測試結(jié)果及工程應(yīng)用

通信管理插件程序按照工程應(yīng)用功能要求進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了IEC61850 MMS協(xié)議通信、錄波、人機(jī)接口等功能。在此基礎(chǔ)上，測試所設(shè)計的插件是否同時滿足通信和LCD顯示的要求。測試插件在不同網(wǎng)絡(luò)通信壓力下CPU的負(fù)荷率及LCD顯示情況，見表1。

表1 不同網(wǎng)絡(luò)通信壓力下CPU負(fù)荷率

測試結(jié)果表明，不同網(wǎng)絡(luò)壓力下，CPU的負(fù)荷率不高于30%，LCD顯示界面清晰，界面切換流暢，插件同時滿足了通信和顯示的要求。

該通信管理插件及 LCD顯示系統(tǒng)通過了第三方測試，已在特高壓串補(bǔ)工程控制保護(hù)裝置中得到應(yīng)用，目前運行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文基于POWERPC+FPGA的硬件架構(gòu)，提出了在電力系統(tǒng)控制保護(hù)裝置通信管理插件上實現(xiàn)LCD顯示的方案，并加以實現(xiàn)。POWERPC通過基于 Qt開發(fā)的顯示模塊應(yīng)用程序，將顯示數(shù)據(jù)通過LINUX系統(tǒng)LCD驅(qū)動的Framebuffer設(shè)備快速傳輸給FPGA，而FPGA則實現(xiàn)顯存數(shù)據(jù)存儲及LCD控制器功能。

該方案取消了獨立顯示系統(tǒng)，其CPU開銷小，簡化了LCD顯示系統(tǒng)設(shè)計，為控制保護(hù)裝置提供了一種靈活有效、簡便經(jīng)濟(jì)的LCD顯示方案。

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