張麗紅
(冠捷顯示科技(廈門(mén))有限公司,福建 廈門(mén) 361101)
摘要:超高解析度圖像產(chǎn)生器用于檢測(cè)超高解析度液晶顯示器的性能和品質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)其便攜性和通用性,提出了一種基于FPGA與SD卡的設(shè)計(jì)方案。在檢測(cè)顯示器的質(zhì)量時(shí)需要切換各種圖像輸出,為了縮短圖像輸出的時(shí)間,采用FPGA實(shí)現(xiàn)了SD卡的SD模式。實(shí)際應(yīng)用表明,新型圖像產(chǎn)生器使用方便、數(shù)據(jù)傳輸快速可靠。
關(guān)鍵詞:FPGA;SD卡;圖像產(chǎn)生器;SD模式;硬件描述語(yǔ)言
0引言
隨著超高解析度液晶顯示器的發(fā)展,測(cè)量顯示屏的質(zhì)量和性能也得到了相應(yīng)的重視和關(guān)注,因此有必要研究和設(shè)計(jì)超高解析度圖像產(chǎn)生器。
目前主流的超高解析度液晶顯示器的分辨率是4K2K,即3 840×2 160。為了測(cè)試和驗(yàn)證此類(lèi)顯示器的性能和品質(zhì),要求圖像產(chǎn)生器產(chǎn)生相應(yīng)的4K2K測(cè)試圖像。此外,為了縮短多張圖像連續(xù)輸出的時(shí)間,就要求提高整個(gè)系統(tǒng)的帶寬,而系統(tǒng)的帶寬被限制在SD卡上,因此為了提高SD卡的數(shù)據(jù)傳輸帶寬,系統(tǒng)采用FPGA實(shí)現(xiàn)了SD卡的SD模式,從而使SD卡的數(shù)據(jù)傳輸帶寬達(dá)到25 MB/s。
所研制的圖像產(chǎn)生器不僅可以應(yīng)用于電視機(jī)生產(chǎn)企業(yè),還可以應(yīng)用于電視設(shè)備的生產(chǎn)、電視維修業(yè)等領(lǐng)域,用于觀察和評(píng)價(jià)整個(gè)電視系統(tǒng)的質(zhì)量情況。
1設(shè)計(jì)方案
圖像產(chǎn)生器提供Low Voltage Differential Signaling (LVDS)和VbyOne (VBO)輸出端口,可以產(chǎn)生多種不同分辨率的信號(hào)源,時(shí)序部分嚴(yán)格遵守CEA861標(biāo)準(zhǔn)[1]。圖像產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)方案如圖1所示,其中SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì),Double Data Rate 3 (DDR3)作為SD卡與輸出模塊之間的緩存器,F(xiàn)PGA芯片[2]作為主控制器,采用硬件描述語(yǔ)言[3]實(shí)現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)的功能。
其中主控制器采用ALTERA公司的Arria5系列FPGA芯片5AGXFB3H6F35C6來(lái)完成圖像信號(hào)的產(chǎn)生及SD卡和DDR3的控制。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用SD卡,支持SDHC卡的High Speed模式。數(shù)據(jù)緩存則采用8塊Nanya公司的DDR3芯片,型號(hào)是NT5CB64M16FPDH,以解決低速SD卡數(shù)據(jù)讀取和高速圖像輸出之間的時(shí)序問(wèn)題,最后通過(guò)LVDS或者VBO發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)輸出到超高解析度液晶顯示器上顯示。
2硬件實(shí)現(xiàn)
圖像產(chǎn)生器的硬件實(shí)現(xiàn)如圖2所示,它包括與SD卡連接的4 bit SD模式控制器,與8塊DDR3連接的DDR3控制器,通過(guò)I2C接口或者按鍵板發(fā)送圖像產(chǎn)生器所需參數(shù)的參數(shù)選擇模塊,與顯示器LVDS或VBO接口相連的發(fā)送模塊,及內(nèi)部相關(guān)邏輯控制單元。
2.1SD卡SD模式
FPGA通過(guò)發(fā)送、接收和監(jiān)測(cè)SD卡總線上的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的控制。SD卡的接口支持兩種操作模式,分別是SD模式和SPI模式。由于SPI模式是單線雙向模式,而SD模式支持四線雙向模式的高速數(shù)據(jù)傳輸,所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了4 bit SD模式,使系統(tǒng)具有較高的速度性能。
圖5數(shù)據(jù)傳輸模式的仿真結(jié)果SD卡模塊的原理圖如圖3所示,SD卡控制器基于SD4.10技術(shù)規(guī)范[4],用硬件語(yǔ)言進(jìn)行描述。用FPGA實(shí)現(xiàn)SD模式的SD卡控制器[5],首先由命令收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊及相應(yīng)的校驗(yàn)?zāi)K和狀態(tài)控制模塊組成SD卡控制器;再使用這些模塊實(shí)現(xiàn)SD卡的卡識(shí)別模式和數(shù)據(jù)傳輸模式;最后用Modelsim工具對(duì)卡識(shí)別模式和數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。仿真結(jié)果符合SD卡的SD模式技術(shù)規(guī)范。
2.2DDR3緩存器
在基于FPGA的圖像處理系統(tǒng)中,常常需要用到大容量、高速度的存儲(chǔ)器。在主流的各種隨機(jī)存儲(chǔ)器件中,DDR3具有速度快、容量大、帶寬高和功耗低的優(yōu)點(diǎn),而成為高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的首選方案。
為了縮短開(kāi)發(fā)周期和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),本文采用FPGA內(nèi)部自帶的DDR3硬核控制器[6],如圖6所示,即ALTERA公司提供的基于Avalon總線[7]的DDR3 SDRAM控制器,其配置窗口如圖7所示。DDR3控制器的主要功能是完成對(duì)DDR3的初始化,將DDR3復(fù)雜的讀寫(xiě)時(shí)序轉(zhuǎn)化成Avalon總線的讀寫(xiě)時(shí)序,發(fā)送周期性的刷新命令來(lái)維持DDR3中的數(shù)據(jù)等。
2.3發(fā)送模塊
LVDS是一種低壓差分信號(hào)技術(shù)接口,系統(tǒng)所采用的FPGA芯片支持高速LVDS接口,LVDS的時(shí)鐘頻率一般為74.25 MHz。LVDS發(fā)送模塊的輸入信號(hào)包含RGB數(shù)據(jù)信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)三大類(lèi),LVDS有4種數(shù)據(jù)格式,分別是10 bit VESA格式、10 bit JEIDA格式、8 bit VESA格式及8 bit JEIDA格式。LVDS發(fā)送模塊可以通過(guò)調(diào)用ALTERA提供的宏功能模塊ALTLVDS_TX和外部時(shí)鐘模塊Altera PLL實(shí)現(xiàn),如圖8所示。
早期的液晶顯示器采用LVDS標(biāo)準(zhǔn)傳輸圖像信號(hào),之后隨著超高解析度液晶顯示器的發(fā)展,需要傳輸?shù)膱D像信號(hào)越來(lái)越多,要求傳輸速度高速化,且要解決傳輸線之間信號(hào)的時(shí)滯問(wèn)題,為此日本賽恩電子公司提出了一種新的數(shù)據(jù)傳輸方式即VbyOne HS (VBO)。
VBO是一種傳輸圖像的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn),采用一個(gè)或多個(gè)高速串行線路傳輸時(shí)鐘和數(shù)據(jù),且時(shí)鐘是疊加在數(shù)據(jù)信號(hào)上,以共模方式傳輸,每路最高速度可達(dá)到3.75 Gb/s。系統(tǒng)所采用的FPGA芯片支持高速VBO接口,VBO發(fā)送模塊主要由打包器、擾碼器、編碼器、串行器及發(fā)送鏈路監(jiān)測(cè)模塊組成,其中串行器可以通過(guò)調(diào)用ALTERA提供的宏功能模塊Arria V Transceiver Native PHY實(shí)現(xiàn),其配置如圖9所示。
3驗(yàn)證與測(cè)試
開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)使用的是ALTERA的Arria5系列FPGA板子。板子上有一個(gè)SD接口,用于外接SD卡。測(cè)試平臺(tái)的實(shí)物如圖10所示。板子通過(guò)16組VBO線與超高解析度液晶顯示器連接,利用顯示器對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如圖11所示,從圖中可以看出,該設(shè)計(jì)可以正確輸出顯示器所需規(guī)格的圖像,成功點(diǎn)亮屏幕。
在硬件調(diào)試過(guò)程中,采用SignalTap II嵌入式邏輯分析儀觀察內(nèi)部信號(hào)的狀態(tài),如在SD卡的卡識(shí)別模式過(guò)程中獲取16位relative card address (RCA)寄存器值,如圖12所示;又如查看DDR3初始化是否完成,如圖13所示。
4結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種基于FPGA與SD卡的圖像產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。該設(shè)計(jì)能夠?qū)D卡命令進(jìn)行自動(dòng)解析和響應(yīng),在數(shù)據(jù)傳輸方式上采用了4 bit SD模式,有效地提高了SD卡的傳輸速率,從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸帶寬。 由于設(shè)計(jì)采用了SD卡,因此圖像產(chǎn)生器尺寸小,方便攜帶。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證圖像產(chǎn)生器可以用于檢測(cè)各種液晶顯示器,尤其是超高解析度液晶顯示器。
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圖13獲取DDR3初始化完成的狀態(tài)信息
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