基于嵌入式Android的LED智能玻璃顯示設(shè)計(jì)

熊木地， 郭俞君， 張 坤， 李 琎

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

1 引 言

LED智能玻璃顯示屏是利用特殊工藝將單個(gè)LED點(diǎn)光源以陣列形式封裝在兩片玻璃中間，形成安全夾層結(jié)構(gòu)的LED平板發(fā)光玻璃產(chǎn)品，其具有很強(qiáng)的光線通透性，能滿足安裝場(chǎng)所的特別光線需求，很好地與周?chē)ㄖh(huán)境相融合[1-3]。

國(guó)外有許多研究機(jī)構(gòu)和高校都開(kāi)展了對(duì)LED智能玻璃的顯示研究工作，并取得了實(shí)質(zhì)性的成果，然而國(guó)內(nèi)對(duì)于LED智能玻璃顯示技術(shù)的研究還處于初步階段[4]，沒(méi)有很完善的技術(shù)研究成果，主要還處于對(duì)LED智能玻璃顯示屏制作創(chuàng)新的研究階段，對(duì)于LED智能玻璃顯示控制系統(tǒng)的研究還比較少。

與傳統(tǒng)LED顯示屏相比，LED智能玻璃其內(nèi)部的LED點(diǎn)陣采用蛇形連接形式，在不同應(yīng)用場(chǎng)合下LED智能玻璃其內(nèi)部的LED點(diǎn)陣數(shù)量和排列方式不同，所以需要將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序后再發(fā)送至后續(xù)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED智能玻璃顯示屏顯示，大規(guī)格LED智能玻璃顯示通常采用多塊小規(guī)格顯示屏模塊拼接實(shí)現(xiàn)。

除此之外，當(dāng)前LED智能玻璃顯示控制系統(tǒng)大多不能滿足遠(yuǎn)程信息實(shí)時(shí)發(fā)布的需要，而且其顯示信息輸入大多通過(guò)DVI等數(shù)字通信接口與PC機(jī)連接，實(shí)時(shí)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地顯示PC機(jī)顯示器顯示的內(nèi)容，這樣的方法需要外接一個(gè)PC機(jī)，不夠便利，因此本文提出基于Android操作系統(tǒng)的LED智能玻璃顯示設(shè)計(jì)。

LED智能玻璃顯示屏與移動(dòng)終端的結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)了人與屏之間實(shí)時(shí)互動(dòng)，大為拓展了LED智能玻璃顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域，而且系統(tǒng)的集成化也大量地節(jié)省了人力資源、財(cái)務(wù)支出、降低了社會(huì)的資源浪費(fèi)，具有良好的收益前景[5]。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 CPU+FPGA雙核架構(gòu)

由于不同規(guī)格LED智能玻璃其內(nèi)部的LED點(diǎn)陣排列方式不同，所以需要將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序再發(fā)送至后續(xù)驅(qū)動(dòng)電路[6]。系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖如圖1所示，本系統(tǒng)主要包括帶有GPU (Graphics Processing Unit)的主控芯片RK3288、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)數(shù)據(jù)處理單元以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

RK3288主控芯片通過(guò)USB(Universal Serial Bus)接口完成對(duì)U盤(pán)中存儲(chǔ)的視頻數(shù)據(jù)和映射數(shù)據(jù)的讀取，并發(fā)送給FPGA[7]。FPGA數(shù)據(jù)處理單元將視頻數(shù)據(jù)緩存在外部存儲(chǔ)器SSRAM1中，將映射數(shù)據(jù)緩存在外部存儲(chǔ)器SSRAM2中，通過(guò)按地址遞增方式讀取SSRAM2的數(shù)據(jù)作為SSRAM1的地址讀取SSRAM1中的視頻數(shù)據(jù)，即實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的重新排序，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行并轉(zhuǎn)串處理傳送給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片，將數(shù)據(jù)串行移位和并行輸出，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)格LED智能玻璃的顯示。

RK3288主控芯片通過(guò)SDIO接口與Wifi模塊相連，實(shí)現(xiàn)LED智能玻璃顯示屏聯(lián)網(wǎng)。在主控芯片和用戶移動(dòng)終端上分別安裝.apk，從而實(shí)現(xiàn)人與屏之間通信。

此外，為保證 Android 等操作系統(tǒng)和用戶軟件的流暢運(yùn)行，采用2 GB雙通道DDR3 的運(yùn)行內(nèi)存、16 GB 容量的高速eMMC 存儲(chǔ)器，OTG接口用于方便系統(tǒng)調(diào)試和程序下載。

2.2 RK3288與FPGA數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)

RK3288與FPGA硬件連接圖如圖2所示，本系統(tǒng)中 RK3288主控芯片輸出控制信號(hào)以及數(shù)據(jù)與FPGA相應(yīng)的信號(hào)直接相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。其中I_RGB[23:0]為視頻數(shù)據(jù)、I_DE、I_VSYNC、I_PCLK為視頻控制信號(hào)，I_ADDR[15:0]為映射地址數(shù)據(jù)、I_nWE、I_HCLK為映射數(shù)據(jù)發(fā)送控制信號(hào)。RK3288和FPGA之間通信是一種跨時(shí)鐘域通信，所以為使數(shù)據(jù)穩(wěn)定，需要添加FIFO或RAM，本系統(tǒng)選用FIFO，不需要關(guān)心讀寫(xiě)地址，簡(jiǎn)化了操作。

圖2 RK3288與FPGA硬件連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)定制

Android系統(tǒng)是基于 Linux 內(nèi)核的操作系統(tǒng)，由內(nèi)核、運(yùn)行庫(kù)、虛擬機(jī)等組成。其軟件開(kāi)發(fā)主要包括 Bootloader 引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)，Linux 操作系統(tǒng)移植，根文件系統(tǒng)創(chuàng)建以及應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)等[8]。

本系統(tǒng)在Android系統(tǒng)源碼的基礎(chǔ)上增加LCD顯示驅(qū)動(dòng)以及映射數(shù)據(jù)發(fā)送驅(qū)動(dòng)，并在Android系統(tǒng)中編寫(xiě)JNI方法實(shí)現(xiàn)Android應(yīng)用程序調(diào)用。

3.1.1 映射數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計(jì)

映射數(shù)據(jù)發(fā)送軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，主要包括映射數(shù)據(jù)發(fā)送驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)，以及通過(guò)NDK工具鏈將驅(qū)動(dòng)封裝生成JNI接口供Android應(yīng)用程序調(diào)用。

圖3 映射數(shù)據(jù)發(fā)送軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

映射數(shù)據(jù)發(fā)送驅(qū)動(dòng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，本著“高內(nèi)聚、低耦合”原則，采用“總線-設(shè)備-驅(qū)動(dòng)”模型構(gòu)建[9]，設(shè)備和驅(qū)動(dòng)向總線進(jìn)行注冊(cè)，總線負(fù)責(zé)把設(shè)備和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)綁定起來(lái)。在早先Linux版本中，ARM 架構(gòu)的板級(jí)硬件細(xì)節(jié)大多被硬編碼在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx，造成大量代碼冗余。而本系統(tǒng)中板級(jí)硬件信息描述使用dts(device tree)文件，dts文件描述了CPU、總線、設(shè)備連接信息，Bootloader會(huì)將dts文件描述的連接信息直接傳遞給內(nèi)核，然后內(nèi)核進(jìn)行識(shí)別并展開(kāi)各個(gè)設(shè)備及設(shè)備用到的內(nèi)存等資源。采用設(shè)備樹(shù)后，許多硬件的細(xì)節(jié)可以直接透過(guò)它傳遞給Linux，而不再需要在Kernel中進(jìn)行大量的冗余編碼。

3.1.2 LCD顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

RK3288內(nèi)部集成的LCDC(Liquid Crystal Display Controller)內(nèi)部是分層的，有6層：background、win0、 win1、win2、win3、hwc(Hardware Cursor layer)，每一次叫做win，每一層可以在屏幕上任意位置顯示支持范圍內(nèi)任意大小的圖像，并且各層可以通過(guò)alpha blending或者color key實(shí)現(xiàn)overlay 合成輸出。

在fb中，每一層win對(duì)應(yīng)一個(gè)fb標(biāo)準(zhǔn)的字符型設(shè)備，它們?cè)贚inux系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)為/dev/graphics/fbx,其中win和fb的對(duì)應(yīng)關(guān)系是可以通過(guò)程序設(shè)置的。

LCD顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)采用幀緩沖(Frame buffer，fb)技術(shù)，屏蔽底層硬件差異，為用戶提供mmap、ioctl等標(biāo)準(zhǔn)接口來(lái)操作LCD顯示設(shè)備[10]。通過(guò)調(diào)用mmap可將內(nèi)核中分配的fb地址映射到用戶空間，便于讀寫(xiě)；通過(guò)調(diào)用ioctl可設(shè)置顯示器分辨率等設(shè)備屬性。

LCD顯示驅(qū)動(dòng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，主要包括fb框架相關(guān)部分以及與顯示設(shè)備硬件相關(guān)的 fb驅(qū)動(dòng)層。

圖4 LCD顯示驅(qū)動(dòng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

fb框架相關(guān)部分主要包括fbmem.c、rkfb_sysfs.c等公用源文件，用于向上提供和用戶空間交互的接口；硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分主要包括LCDC控制器相關(guān)的rk3288_lcdc.c代碼以及對(duì)屏幕進(jìn)行參數(shù)配置的相關(guān)代碼rk_screen.c，其通過(guò)probe函數(shù)獲取屏幕參數(shù)，屏幕參數(shù)通過(guò)dts文件傳遞。

3.2 應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)使用Socket網(wǎng)絡(luò)編程，采用C/S交互模式[11]，實(shí)現(xiàn)LED智能玻璃顯示屏與移動(dòng)終端的網(wǎng)絡(luò)通信。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為 Java，開(kāi)發(fā)工具采用Eclipse IDE[12]。LED智能玻璃顯示屏端的應(yīng)用程序主要包括獲取本地IP，等待移動(dòng)終端的連接，之后根據(jù)移動(dòng)終端發(fā)送過(guò)來(lái)的指令執(zhí)行不同的操作。

移動(dòng)終端的應(yīng)用程序功能主要包括連接LED智能玻璃顯示屏端、獲取LED智能玻璃端視頻信息、映射信息，獲取和控制LED智能玻璃端視頻分辨率、播放進(jìn)度信息等。

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件實(shí)物圖如圖5所示，其中FPGA選用Xilinx公司Spartan-6系列的XC6SLX45T芯片，CPU選用可以搭載Android操作系統(tǒng)的 RK3288。RK3288將U盤(pán)中的視頻數(shù)據(jù)與映射數(shù)據(jù)讀取之后，通過(guò)專用GPIO引腳傳送給FPGA，F(xiàn)PGA進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)光纖傳送給從控制器，從控制器通過(guò)網(wǎng)口將視頻數(shù)據(jù)傳送至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)LED智能玻璃顯示屏顯示控制。

圖5 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

FPGA接收到的LED智能玻璃映射數(shù)據(jù)如圖6所示，wrclk、arm_up、ARM_CLK、ARM_EN為控制信號(hào)，din為ARM向FPGA傳送的映射數(shù)據(jù)，wraddr為暫存映射數(shù)據(jù)SSRAM2的寫(xiě)地址。

圖6 FPGA接收到的LED智能玻璃映射數(shù)據(jù)

移動(dòng)終端應(yīng)用程序界面如圖7所示，主要包括IP地址連接，獲取設(shè)置視頻文件、映射數(shù)據(jù)文件以及設(shè)置視頻分辨率、獲取遠(yuǎn)端視頻進(jìn)度信息等。

圖7 移動(dòng)終端應(yīng)用程序具體實(shí)現(xiàn)

圖8 LED智能玻璃顯示

LED智能玻璃顯示屏顯示如圖8所示，由專用驅(qū)動(dòng)芯片LD1512構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路與FPC相連接，從而實(shí)現(xiàn)LED智能玻璃顯示屏的顯示，同時(shí)可以通過(guò)移動(dòng)終端控制視頻播放。不同應(yīng)用場(chǎng)合下LED智能玻璃顯示屏大小、分辨率不同，此圖中為64×64分辨率的LED智能玻璃顯示屏。

5 結(jié) 論

將Android嵌入式技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，在Android系統(tǒng)源碼的基礎(chǔ)上增加LCD顯示驅(qū)動(dòng)以及映射數(shù)據(jù)發(fā)送驅(qū)動(dòng)，并在Android系統(tǒng)中編寫(xiě)JNI方法供Android應(yīng)用程序調(diào)用。使用Java語(yǔ)言進(jìn)行Android系統(tǒng)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)。使用Socket網(wǎng)絡(luò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)LED智能玻璃顯示屏與移動(dòng)終端的網(wǎng)絡(luò)通信，使得系統(tǒng)具有較好的易用性和可移植性，給產(chǎn)品應(yīng)用帶來(lái)了方便，提高了施工效率。