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CN548

基于间隔式点阵显示技术的信息平台

Advisor

Name:	王全玉 王娟

Members

No.	Name	English Name
1	郭留成	guoliucheng
2	蔡志中	caizhizhong
3	朱敏	zhumin

Project Paper

1. 设计概述 (Preliminary Paper)

1设计意图

目前大型建筑物上或其他方面使用的电子显示屏大多都是由发光器件按点阵方式均匀排列的，图像由发光的点构成的，但这样的显示屏存在以下几个大的缺点：

 

1）    成本高。要清晰地图形或文字就必须使用大量的发光器件，使显示屏造价始终居高不下，妨碍了显示屏的普遍采用。尤其是公共场合的巨型屏幕的使用，往往消耗大量的能源，价格十分昂贵。

2）    效果差。大篇幅的显示内容往往比较单调，如果是静态的内容，则容易与其他静态建筑物相混，大大减少了广告效果，所以投入的大量的资金似乎永远达不到相应的收益。

3）    影响建筑物的设计和采光效果。例如要设计大屏幕的一面，难以得到良好的采光效果等。

4）    大屏幕的设计会影响建筑物的美观，所以应用范围受到了限制，使其只能在一些大的闹市进行建立，不适合在旅游区、居民区建设。

5）    坚固性差。由于半空中的大屏幕由于受力面积大，如果不加固，则容易被暴风所摧毁，如果加固，则需要大量的资金，增加了开销。

 

本小组结合实际需要，在显示屏的制作成本、显示屏的使用成本、显示屏的利用范围上进行研究和发掘，采用一种利用间隔式的点阵显示屏的信息宣传平台，从而促进显示屏在信息发布和广告宣传等领域更为广泛地应用。

 

间隔点阵式显示屏其具有和普通显示屏相同的动态显示图文和图像的功能，由于采用间隔式的方式，其成本只有普通显示屏的几分之一，耗电量也因发光器件的减少而减少。发光器件的可选择范围也很广，如LED器件。市面上LED显示屏是由发光二极管排列组成的显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点。该显示屏是由发光器件（从节省能源考虑主要是二极管）按点阵式排列的显示装置，由驱动信号控制发光器件的颜色或亮暗，构成动态的图文或图像。由于这种显示屏具有可间隔、不影响采光效果、亮度高、内容动态变化等优点，因此，可以在广场、商厦、车站、机场等地广泛用于文字或图像的显示。同时，有的LED显示屏可以显示多种色彩，这在本信息平台为以后功能上的扩展提供了方便。

 

本信息平台主要由信息模块、输出模块组成。信息模块采用DE开发板，采用双核技术，主要功能为显示内容的确定、参数的确定、信号的产生以及实现与外部计算机的通讯（如果扩展了网络）等；输出模块又分为显示电路、显示屏、音频输出，显示电路把信息模块产生的信号进行放大，驱动发光部件发光；显示屏是显示部件，完成图文的显示功能。

 

本信息平台可扩展性较大，如可以运用DE开发板（如DE2开发板）上扩展的网络接口进行远程更换广告图片，还可以将LED显示屏显示多种色彩，此外，还可以进行音乐彩灯的扩展。

2适用范围

本信息平台由于其成本低、使用方便、不影响美观等特点，故可以使用到以下几个范围：

1）    高层建筑。

利用其窗户之间的间隔进行铺设显示屏，显示屏可以设计为链式或窄块式。这样既利用了随处可见的高层建筑，让广告随处可见，又大大降低了广告成本。

2）    高山悬崖。

显示屏的每个显示块可以设计为链式或绳式，挂在悬崖的峭壁上，组成一个帘状的显示屏，通过调节距离，可以做到即不影响美观，又能起到相应的宣传作用。

3）    信息发布窗台。

可以设计成小的屏幕，间隔可以小一些，要比点阵式屏幕降低成本。

4）   恶劣环境

传统的大块显示屏在经常刮风的地方受力面积大，必须进行加固，而本平台显示屏为间隔式，受力面积较小，所以可以运用到这些经常刮风的地方。

5）    其他宣传平台。

比如空中气球宣传，可以使用本信息平台，显示屏为帘式，挂在气球上。

 

由此可以看出，本设计存在巨大的商业价值。

3适用人群

本产品主要针对广告商或信息发布者来设计，由于其成本低、应用范围广、容易控制、效益高，可为广告商或信息发布者提供一个非常好的平台。

4选用Altera

1）FPGA平台的优越性：

在采用FPGA设计ASIC电路，不需要投片生产，就能得到合用的芯片。FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。与此同时，FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。此外，FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低。Altera系列的FPGA拥有很高的性能，可扩展性高，方便使用，集成了很多外围电路，方便开发，所以，我们采用了DE开发板作为我们开发板，摈弃了原来的在单片机上实现的计划。

 

2）SOPC技术的强大功能：

SOPC技术是将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一FPGA中嵌入实现，大量采用IP复用、软硬件协同设计、自顶向下和自底向上混合设计的方法，边设计、边调试、边验证……原本需要写上几千行的VHDL代码的功能模块，通过嵌入IP核后，只需几十行C代码即可实现。因此，可以使得我们整个信息平台的设计在规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现优化。

 

3）NiosII软核的可定制性：

基于FPGA嵌入IP软核的应用的SOPC系统在FPGA中植入软核处理器，与硬核相比，软核方便用户自主定制，减少了硬件的冗余，从而也减少了功耗，而且更新换代的后只需重新刷新即可，升级空间大，可重用性高，这对于以后的更新换代提供了很大的空间。同时，采用多核的NIOS处理器，能获得高速的处理能力，我们在信息平台中采用双核处理器，这样可以快速对数据进行转化并对点阵显示屏的显示进行控制。由于软核还支持自定义指令，大大提高了效率，比如在运算或波形产生过程中，若加入自定义指令，可加快程序的执行速度。

 

4）集成的开发环境：

Altera公司提供的从Quartus到SOPC Builder再到Nios IDE一系列的集成开发环境，为设计提供了从硬件到软件的条件，结合Altera的FPGA平台很容易即可完成系统的所有配置。这样设计出的产品拥有更高性能、更强的稳定性。

 

5）外围设备的可扩展性：

如SD卡存储、FLASH闪存等。可预先将要显示的图像数据存储，此外还有SDRAM等能进行实时的图像数据存储。同时，可以连上键盘、音频设施等，方便用户操作。此外，更高版本的DE开发板配有网络接口，可以进行远程控制，比如控制一个城市的所有广告牌进行更换广告，这样既节约了时间，也方便了管理。

 

6） 时序性的支持：

由于显示屏要间隔一段时间才进行刷新，由于在FPGA系统编码可进行良好的时序性编程，有助于在时间上控制数据的输出和显示屏的显示。

(Revision: 10 / 2008-09-14 22:06:36)

2. 功能描述 (Final Project Paper)

 

本信息平台有：

1个DE1开发板。

6个外设：小键盘、LCD小显示屏、音响、行显示电路、列显示电路、LED显示屏。

两大模块为：

1）信息模块：

本信息模块采用双核技术，同时加以一些简单的输入输出部件。

处理核

处理图片数据。其主要功能如下：

1） 加载图片，如扩展了网络连接，则加载远程计算机的图片。

2） 识别图片的色彩信息，并进行编码处理。

在此有两种方案：

a） 如果是单色显示的灯，则只识别有颜色和无颜色的点，同时识别出来就灯亮，如果无颜色就显示灯灭。

b） 如果是多色灯显示的话，则可以识别所有的颜色，根据不同的亮度和色彩进行点亮。（作为今后扩展）

3） 将数据存储在共享图片数据区。

4） 采用流水技术，加速对数据的处理和存储。

控制核

进行数据显示控制处理。其主要功能如下：

1） 连接输出部件。

2） 处理控制核输出的数据，将其转化为显示信号。

3） 按时间序列输出显示信号。

4） 响应键盘的参数选择。并将其在LCD小显示屏上进行显示和选择。

SD卡

在显示前可事先将要显示的图像数据通过SD卡等来存储。若使用SD卡，则可通过SD卡插槽将图片数据导入板子。

小键盘

主要用于功能的选择和参数的输入，主要功能如下：

1） 选择功能，进行简单的功能的切换。

2） 选择参数，对图形的以下参数进行控制修改：

a） 运行速度。可设定显示屏上的显示速度。

b） 运行方向。可设定显示屏上的显示运行方向。

LCD小屏幕

键盘的配套设备，主要功能如下：

1） 显示功能选择。

2） 提示信息。

音响

用于提示信息。

1） 输出声音提示。

2） 可考虑扩展成广告的音频输出。

2）输出模块：

显示电路

 1） 行显示电路：

输出高低电平信号，以点亮显示屏。

 2） 列显示电路：

选择某一列进行点亮。

LED显示屏

显示部件中屏幕的发光器件作为像素按标准间距组成列（或行），每隔标准间距的整数倍距离布置这样的一列（或行）。假设正常间距为S，间隔间距是正常间距的整数倍，例如3S、4S。显示图文是移动的，利用视觉暂留原理实现连续显示图文。

图像在显示屏上显示的时候是按照屏幕间隔的行/列来显示内容的，因此在某一瞬时，图像是不完整的。为了让显示的图像完整，采用让图像运动的方式，按照视觉暂留原理，加上观察者会根据图像的运动速度对下一幅图像有一个预期，这样就会把暂留在视网膜上的某行/列图像里的一条线按照图像的运动速度平移，因此，只要图像的运动速度足够快，观察者就会观察到连续运动的图像。假设行/列的间距为N*S，其中N为正整数，那么图像的速度应该高于N*S/0.1秒。

下图为发光体按列排列的显示屏示意图，图中实线显示的圆圈1为发光体，虚线显示的圆圈2为在普通点阵显示屏上应该有但是在本平台显示屏中被省略掉的发光体，可见，发光体是每间隔三列布置一列，所以实际使用的发光器件是普通显示屏的1/4。图中的箭头3表示被显示的图文的运动方向，4、5分别代表间距。

 

图1：按列排列的显示屏

 

下图为发光体按行排列的显示屏示意图，图中用实线显示的圆圈1表示发光体，用虚线显示的圆圈2来表示发光体是每间隔三行布置一行，图中的箭头3表示被显示的图文可以运动的方向。

 

 

图2：按行排列的显示屏

 

本信息平台的技术特点为：

1） 双核技术

采用双核处理技术，提高系统的并行性和处理能力。这是基于SOPC实现的双核加载。两个内核同时工作，给系统带来的不仅是时间效率，更在很大程度上精确了模块化设计，有利于流水作业，多NIOS软核处理器共享数据，能很快地进行数据的操作和处理。

2） 自定义指令

采用自定义指令，可以更好地对整个流程进行很好的控制。尤其是对于远程控制。

3） 连接了多个外设

本平台连接6个外设，且都很简单而且成本都比较低，有利于功能的实现。

4） 远程控制（作为扩展）

由于DE开发板提供了各种接口，可与网络进行连接（如DE2开发板）。由于信息显示屏分布的分散，可采用远程计算机控制图片的刷新。这样有利于广告商的运作。

 

(Revision: 4 / 2008-09-13 23:31:11)

3. 性能参数 (Final Project Paper)

1、系统占用资源情况

系统工程编译后，各种资源的占用情况如下图所示：

系统资源占有图

2、系统实际参数

（1）   图片

a)     大小（像素）：192X32

b)     格式：bmp

c)     属性：24位真彩色

（2）   LED灯参数

本设计采用高亮LED灯。

a)     LED灯点亮电压：2.24V

b)     LED灯点亮电流：约25mA

（3）   LCD参数

a)     屏幕尺寸：16X4

b)     工作电压：5V

（4）   键盘参数

a)     类型：小键盘

b)     按键数：4X4

（5）   行显示电路

a)     采用芯片：74LS377、74LS374

b)     工作电压：均为5V

（6）   列显示电路

a)     采用芯片：74LS154、TIP137、74LS240、2004

b)     工作电压：均为5V

上述参数都是本系统实际的性能参数，基本实现了设计的功能和参数要求。

(Revision: 2 / 2008-09-13 23:33:20)

4. 设计结构 (Preliminary Paper)

1设计框图

 

     

       

 

 2数据流程

 

处理部分流程图：

 

 

图1 处理部分数据流程图

 

说明：处理核读取图片，并完成图片处理工作，将每个图片点以一定的格式存储，然后将处理结果输出到一个图形数据区。

 

控制部分流程图

 

图二 控制部分数据流程图

说明：由控制核从图形数据区按一定的策略读取数据，完成转化为显示信号的操作，并输出到显示电路，显示电路再经过放大输出到LED灯，控制其点亮。其间，可以通过键盘来输入参数（如运行方向、运行速率等），LCD显示简单的用户选择菜单和提示。

(Revision: 9 / 2008-09-13 23:45:32)

5. 设计方法 (Final Project Paper)

1、     SOPC设计

1）总体设计

 

2）NIOS双核设计

由SOPC总体设计图可以看出，我们使用了双核的CPU：cpu_0和cpu_1，其中cpu_0作为主体，用于处理系统的总体调度，并控制图像在LED屏上显示，cpu_1作为数据读取和处理的核，它们之间通过互斥体mutex_0来共享SD_RAM。

两cpu共享的设备有：

1)   互斥体mutex_0：

用于两个核之间互斥访问SD_RAM。

2)   存储体SD_RAM：

用于内核通讯，存储数据和交换数据。

3)   tri_state_bridge_0及其存储体Flash

除共享设备外，两cpu还连有设备：

cpu_0:

1)   七段数码管：

用于显示输入键盘的数据。

2)   红色LED：

用于提示。

3)   10个SWITH

进行功能选择。

4)   4个KEY

用于暂停、继续、停止播放。

5)   小键盘

用于参数输入和选择。

6)   行显示电路

用于显示每一行灯。

7)   列显示电路

用于选择某一列灯。

8）  声音部件

与音响相连，用于声音提示。

9）  音响

   输出声音。

cpu_1：

1）SD卡

 从SD卡中读入数据，经处理放到SD_RAM中。

2）绿色LED灯

 用于cpu_1获得资源的提示。

3）自定义指令设计

   设计了关于图片数据处理的自定义指令DEAL，用于数据的计算和产生，提高了执行速度。

2、     外设设计

为了提高系统的可移植性和稳定性，同时为了让灯的显示效果更好，我们想通过设计硬件来提高程序的运行速度，设计并使用了大量的外设比如行显示电路和列显示电路：

1）键盘

使用了KEYIN和KEYOUT两个GPIO口来连接键盘。

本外设属于扫描式键盘，通过扫描来确定按键。

2）行显示电路

与SOPC中的ROW相连，负责每行LED灯的亮灭。

设计电路如下：

 

使用了芯片：

74LS374：暂存器，用于保存行数据。

74LS377：一次性输出数据，真正点亮灯。

3）列显示电路

与SOPC中的COL相连，负责每行LED灯的亮灭。

设计电路如下：

 

使用了如下芯片：

2004：驱动器，提供符合条件的电流电压。

74LS154：与COL相连，接受选择列的数据。

74LS240：反相器。

TIP137三极管：用于稳定列的电压和电流。

4）LCD显示屏设计：

与SOPC中的以下部件相连：

LCDEE：

提供负极。

LCDRS：

寄存器选择器，为0对命令寄存器进行操作，为1对数据寄存器进行操作。

LCDRW：

为1的时候读，为0的时候写。

LCDE：

使能位。

LCDDATA：

显示数据。

原理图：

 

           DB7-DB0设计为LCDDATA，E设计为LCDE，R/W设计为LCDRW，RS设计为LCDRS，VEE设计为LCDEE，VCC与5V电压相连，VSS接地。

          以下是写和读的时序图，在编写驱动函数时以此编写。

写时序图

 

读时序图

5）LED灯列电路

与行显示电路、列显示电路相连。可以看到，一列的灯是相连的，列是可以移动的。这样方便安装

 

   

3、SOPC概念体现

我们运用SOPC的设计理念，成功的完成了本系统的设计任务，基本完成了预先设置功能。在系统设计过程中，SOPC概念在以下几个方面得到了体现：

1)系统的自定义性

由于Nios II是软核处理器，具有可裁剪的特性。因此对于我们设计的系统具有广阔的升级空间，比如，因为开发平台为DE1，没有LCD模块和键盘模块，我们可以设计一个加入；同时，那些不需要的模块我们可以非常方便的删除，这些都是SOPC给我们带来的系统自定义性带来的优点。 同时，可以自定义指令，加快系统速度。

2)设计的模块化

众所周知，系统设计过程是个团队密切协作分工合作的过程。良好的模块化支持设计能够使得设计过程的多个软硬件工作同步进行。以至于在实际产品的设计过程中，可以将多个模块开发同时启动，缩短了整个产品的开发周期，这对工程来说无疑具有无可估量的意义。比如，在分工明确的条件下，我们各自设计不同的如LCD、键盘、显示电路等的器件。

3) 实现方式多样化

利用SOPC概念进行系统设计的时候，系统实现方式是多种多样的，比如要实现一个功能你可以采用软核的芯片制定或者通过自定义用户外设做成硬件来实现，通过比较找到最佳的实现方式。

(Revision: 3 / 2008-09-14 22:10:14)

6. 设计特点 (Preliminary Paper)

1）成本低

 

本平台采用的是LED显示灯，比LCD节省很多资金，且采用间隔式显示技术，发光器件可以按列或行每间隔几列或几行才分布一列或一行，因此，发光器件的使用量是普通显示屏的几分之一，其驱动或控制电路也会因此减少，价格几乎是同等大小的LED显示屏控制平台价格的1/4。而且本平台采用小键盘、LCD小显示屏、其成本也非常低，有很好的可行性。

 

2)   独特的屏幕

 

有独特的屏幕构成方式，与普通显示屏固定的形状不同，本显示屏幕由多条独立的显示链组成，每条链由多个相连的发光器件组成，构成"软屏幕"。由于其独特的物理性质产生丰富多样的使用手段，可做成多种形式的屏幕以应用于不同场合。

 

3）应用场合广

 

由于本平台显示屏不影响采光效果，可以用在很多场合。比如镶嵌在高楼大厦的窗户间隔之间，同时，显示屏所显示的内容是按一定的速度移动的，这种移动可以更容易引起周围人的注意，达到更好的效果。这样，既不影响高楼的外观，又能取得良好的广告效应。总结其用途如下：

A.可做成嵌入式或表面固定式的屏幕，如在高层建筑的窗两侧，可使整个楼形成一个巨大的屏幕，在不影响建筑设计的基础上实现了巨型屏幕，在娱乐场合可以代替原有的天花板照明设施，能产生更加丰富灵活的灯光效果。

B.可做成垂帘式或立柱式的屏幕应用于风景区，节日气球等场合，可更好的进行宣传或警告等。

C.较小型化的屏幕还能做成可卷式软屏幕，有巨大的开发潜能。

D.如果不对空列（没有发光器件的列）或空行进行密封，而只对发光器件的列或行进行密封，将减少侧风面积，从而提高抗风能力。所以可以应用在一些其他环境比较差的地方。

 

4）网络传输（作为扩展功能）

 

由于DE开发板（如DE2）提供了各种接口，并且可与网络进行连接，所以，可以采用远程连接，用远程计算机连接开发板，进行网络传输照片，这样可以使广告商或信息发布商方便地对所有的广告牌进行更换照片，提高了实用性。

 

5）移动方便

 

由于DE平台的简易型和高集成性，本信息平台体积小、重量轻，可以方便地将其从一个地方移动到另一个地方，并可以快速安装。

 

6）功耗小

 

由于本实验采用了NIOS 软核，可以定制功能，大大减少了硬件的冗余，从而减少了用电量，同时，由于发光器件和驱动控制器件的用量都减少，因此也就减少了用电量，达到了节约能源、减少功耗的目的。

 

7）速度快

 

    采用双核技术，可以使数据处理的速度更快，由于Altera公司的DE开发板在这方面技术的成熟和完善，软核在长期的运行过程中不会出现延迟或时序问题。

 

8）升级空间大

 

Altera公司技术更新较快，而更新换代的后只需重新刷新即可，升级空间大，可重用性高，这对于以后的更新换代提供了很大的空间，如将信息平台改为多色显示，将信息平台做成视频格式等等。

 

(Revision: 6 / 2008-09-13 23:55:25)

7. 总结 (Final Project Paper)

首先我们要感谢王全玉老师对我们的指导和帮助。当意识到都市里了林立的高楼如果都变成了广告牌而又不同时影响美观，一个巨大的商业价值显现在我们面前！ 

 

然后就进入了紧张的学习和设计中，在这个过程中，我们对altera开发套件进行了系统的学习并进行了掌握，我们发现，只要首先认真调研，分配好任务，altera开发流程的模块化完全可以让各个团队里的成员各自开发，最后合起来的时候基本上没有什么难度。

 

 

同时，在开发中，我们发现，官方资料才是最全的最权威的，在处理问题之前，一定要先自己阅读相关的资料，再提出问题才比较一举中的！这样既可以节省时间，而其自己也能学到很多东西。

 

 

最后基本完成了我们的设计，我们松了一口气。毕竟我们努力了日日夜夜，我们自己做出来了行显示硬件、列显示硬件，焊了32X24的灯，又用双排针焊了32X40的整个面板，中间的努力和汗水，让我们看到了团体的力量。

 

 

但毕竟还是有一些缺陷的，比如还是没有完全达到我们预期的目标，例如网络功能我们没能及时完成，但是这些第一次都是人生中非常宝贵的经验，从中我不仅仅是对嵌入式设计的了解，更对之前所学的各种如微机原理，数电等原来仅仅懂得肤浅理论的知识的深入且综合的应用。

 

感谢学校的实验室老师提供给我们的各种便利，感谢ALTERA给我们提供了一个展示的舞台， 这仅仅是一个开始，在这个起点之后，我相信我们能走得更远。

 

(Revision: 7 / 2008-09-25 16:12:50)