基于Nios II 的多功能數(shù)碼相框的設計與實現(xiàn)

數(shù)碼相框作為一種數(shù)碼消費品和裝飾品的結(jié)合物，在市場上受到越來越多的關注。目前的數(shù)碼相框方案多采用MCU為核心的架構，相框功能固定，不便于產(chǎn)品升級。針對以上問題，本文設計了基于Nios II的多功能數(shù)碼相框，該相冊主要包含以下功能：支持包括BMP、JPEG在內(nèi)的多種常見文件格式的圖像顯示；圖像旋轉(zhuǎn)、縮放、瀏覽切換等特效；支持圖片瀏覽時背景音樂播放；可通過帶FAT文件系統(tǒng)的SD卡進行圖像數(shù)據(jù)更新，同時還具有時間顯示等擴展功能。系統(tǒng)中將需要耗費大量時間的復雜操作(如圖像解碼、圖像的各種特效功能以及SD卡控制)用掛載在Avalon總線上的自定義模塊實現(xiàn)?？s短了處理時間，提高了系統(tǒng)響應速度。系統(tǒng)采用基于Nios II處理器的SoPC技術，使得該數(shù)碼相框具有靈活性高、可重配置、便于升級等優(yōu)點[1]。

1 總體設計

本系統(tǒng)采用經(jīng)濟型的Cyclone II FPGA芯片作為核心，基于Nios II軟核處理器，采用軟硬件結(jié)合的方式設計實現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖1所示。

SD卡作為文件存儲介質(zhì)，用于存放音頻與圖像文件，編寫SD卡控制器對SD卡進行讀寫控制；采用LCM顯示屏作為數(shù)碼相框的顯示界面，SRAM作為LCM的顯示緩存，存儲圖像數(shù)據(jù)供LCM刷新，并由LCM_SRAM IP核控制圖像的顯示；SDRAM為Nios II軟核程序運行空間；EPCS對FPGA進行配置；Flash用來存儲軟件代碼和數(shù)據(jù)。

2 功能模塊設計

根據(jù)數(shù)碼相框所要實現(xiàn)的功能，設計了如下模塊：

2.1 LCM_SRAM IP核設計

該模塊主要功能是圖像數(shù)據(jù)存儲、LCM參數(shù)配置以及圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)、切換效果控制等。以硬件方式實現(xiàn)圖像切換效果，提高實時性的同時降低對CPU的依賴。

2.1.1 切換特效實現(xiàn)

設計中通過控制LCM讀取SRAM的地址實現(xiàn)不同的圖像切換效果，如上方切入、下方切入、百葉窗、菱形等八種方式循環(huán)出現(xiàn)。切換時，LCM上同時存在新舊兩幅圖像的數(shù)據(jù)，因此，緩存中需要存儲這兩幅圖像的數(shù)據(jù)。以百葉窗效果為例，每行以16個像素作為間隔，將LCM的每一行分割成20個條形區(qū)域。如圖2所示，第i行被分割后，第一個區(qū)域的像素點為n1~n16，最后一個區(qū)域為m1~m16。每個條形區(qū)域中，新圖像的數(shù)據(jù)逐漸向右覆蓋舊圖像數(shù)據(jù)，從而形成百葉窗效果。具體實現(xiàn)過程為：在第一次刷新時，每行的各個條形區(qū)域的第一個像素點(n1，…，m1)讀取新圖像的數(shù)據(jù)，各區(qū)域其他像素點(n2~n16，…，m2~m16)仍然讀取舊圖像的數(shù)據(jù)；第二次刷新時，每行各個條形區(qū)域的前兩個像素點(n1、n2，…，m1、m2)讀取新圖像數(shù)據(jù)，其他像素點(n3~n16，…，m3~m16)仍讀取舊圖像的數(shù)據(jù)。屏幕刷新16次則可實現(xiàn)百葉窗切換效果。圖2中每個圓點代表顯示屏的一個像素點。


2.1.2 縮放算法實現(xiàn)

為實現(xiàn)圖像縮放功能，該模塊實現(xiàn)了如圖3所示的雙線性插值縮放算法。該算法利用了需要處理的原始圖像像素點周圍的4個像素點的相關性，通過雙線性算法計算實現(xiàn)圖像縮放[2]。設計中使用SRAM作為顯示緩存，無嚴格的實時性要求，因此忽略了行場同步信號，簡化了模塊設計。

緩存1模塊是待縮放圖像數(shù)據(jù)的緩存，存放來自SRAM中解碼后的RGB565數(shù)據(jù)。插值系數(shù)生成模塊的使能信號來自旋轉(zhuǎn)模塊或者按鍵輸入，由選擇器進行判斷，按鍵按下時，按照設定的行列縮放因子計算行列插值系數(shù)；若使能信號來自旋轉(zhuǎn)模塊，則根據(jù)原始圖像的分辨率計算出旋轉(zhuǎn)過后的分辨率，并按照屏幕尺寸確定完整顯示該圖像能達到的最大分辨率，以此計算行列縮放因子。獲取相鄰像素模塊用來控制緩存1模塊的讀地址，從SRAM中讀取相鄰4個像素值。插值運算單元根據(jù)相鄰4個像素的值及插值系數(shù)進行雙線性插值運算，并將數(shù)據(jù)輸出至緩存2，緩存2在SRAM空閑時將數(shù)據(jù)寫入SRAM中。

2.2 SD Card Controller IP核設計

SD卡是一種基于半導體快閃記憶器的存儲設備，其數(shù)據(jù)傳送和物理規(guī)范由MMC發(fā)展而來。系統(tǒng)中將SD卡控制器設計成一個SPI模式的IP核，通過軟件驅(qū)動實現(xiàn)SD卡的基本讀寫操作，即不需要復雜的硬件電路又能得到比軟件模擬SPI的控制方式更快的讀寫速度。SD卡控制器結(jié)構圖如圖4所示。


2.2.1 功能模塊劃分

主控模塊的端口與Avalon總線連接，用于緩存SD卡命令，并存儲扇區(qū)地址、待發(fā)送的數(shù)據(jù)到雙口RAM以及從中讀取數(shù)據(jù)等。初始化模塊完成對SD卡的初始化操作。命令生成模塊完成SD卡命令、參數(shù)、命令校驗值的發(fā)送和命令回執(zhí)的讀取以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。串并、并串轉(zhuǎn)換模塊的主要作用是實現(xiàn)串并或者并串轉(zhuǎn)換[3]。
使用Quartus II自帶的邏輯分析儀(SignalTap II工具)對SD卡控制管腳的信號量進行實時捕獲，驗證了設計的正確性[4]。

2.2.2 驅(qū)動設計

SD卡控制器的驅(qū)動共設計了4個接口函數(shù)，分別完成初始化、讀扇區(qū)、寫扇區(qū)和執(zhí)行SD命令的功能。驅(qū)動程序在初始化SD卡時得到卡類型標志，之后驅(qū)動程序根據(jù)卡類型對地址參數(shù)進行處理（若是SD1.1協(xié)議則地址左移9位，否則不變），以兼容SD1.1和SD2.0協(xié)議。讀數(shù)據(jù)函數(shù)核心代碼如下：

if(sd_type == 1) addr=addr 9; /*判斷地址偏移*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 517, CMD17); /*寫命令*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 518, addr); /*寫地址*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 519, 0); /*開始運行*/
ret=IORD(SD_CARD_BASE, 519); /*讀命令回執(zhí)*/
…
for(i=0; i512; i++)data[i]=IORD(SD_CARD_BASE, i);
/*讀回數(shù)據(jù)*/
…

2.3 JPEG DECODER IP核設計

JPEG(Joint Photographic Expert Group)是第一個適用于連續(xù)色調(diào)、多灰度、彩色或黑白靜止圖像的國際標準。為提高JPEG圖像的解碼效率，實現(xiàn)良好的解碼效果，本設計采用流水線結(jié)構設計JPEG解碼IP核。解碼模塊結(jié)構如圖5所示。

輸入緩沖模塊從傳輸碼流中接收圖像數(shù)據(jù)，冗余處理后將數(shù)據(jù)輸出給頭文件解析模塊；頭文件解析完畢后，將數(shù)據(jù)輸出給熵解碼模塊；熵解碼模塊完成整個圖像數(shù)據(jù)的熵解碼處理，包括哈夫曼解碼、行程解碼和差分解碼，最終得到量化參數(shù)；反量化和反Z掃描模塊對熵解碼后的圖像數(shù)據(jù)進行反量化和排序；IDCT模塊采用經(jīng)典的行列分解方法將頻域表示的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成時域表示的數(shù)據(jù)流，將數(shù)據(jù)恢復到傳輸前的形式。色彩空間轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)據(jù)的內(nèi)插和色彩空間轉(zhuǎn)換[5]。

使用Modelsim對該IP核進行了仿真驗證，輸入一幅320×240的JPEG圖像原始數(shù)據(jù)。將解碼出的數(shù)據(jù)與軟件解碼出的數(shù)據(jù)進行比較，證明了JPEG解碼器解碼正確。

3 軟件設計

利用SD卡控制器驅(qū)動的接口函數(shù)，在其讀寫的基礎上應用FAT16文件系統(tǒng)，實現(xiàn)SD卡文件操作(如獲取目錄/文件信息、讀文件、刪除文件、創(chuàng)建文件、追加文件等)以便于與PC機及其他多媒體設備進行數(shù)據(jù)交換。設計中使用實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)?滋C/OS-II，以降低系統(tǒng)軟件設計的復雜度和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]，并設計多個任務，實現(xiàn)SD卡初始化、文件讀取、數(shù)據(jù)流控制。

3.1 FAT16文件系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1.1 讀文件

文件系統(tǒng)中文件數(shù)據(jù)的存放是以簇為單位的，而SD卡的基本讀寫單位是扇區(qū)，所以需要根據(jù)簇號計算相應的扇區(qū)號，由文件系統(tǒng)結(jié)構可得一般的計算公式為：

起始扇區(qū)號=隱藏扇區(qū)數(shù)+保留扇區(qū)數(shù)+2×FAT表占用扇區(qū)數(shù)+FDT表占用扇區(qū)數(shù)+（起始簇號-2）×每簇扇區(qū)數(shù)
從SD卡的數(shù)據(jù)扇區(qū)中讀取指定文件的核心代碼為：

clunum = ffdt.fst_clu; /*獲取下一個簇號*/
do{
secnum = get_sta_sec(clunum); /*由起始簇號獲得
起始扇區(qū)*/
clunum = fat[clunum]; /*獲取下一個簇號*/
for(i=0; igbpb.sec_per_chus; i++) /*從SD卡中
讀取一簇數(shù)據(jù)*/
{ret = sd_read(rsv, secnum+(UINT32)i);
…
for(j=0; j512; j++)fdata[count++] = rsv[j];}
}while(clunum != 0xFFFF);

3.1.2 長文件名支持

具有長文件名的一個文件或目錄實際對應著多個目錄登記項（FDT），由幾個長文件名和一個別名組成。作為別名的短文件名以傳統(tǒng)的8.3文件名格式存儲在一個FDT中，其余的幾個長文件名則存儲在屬性標志為0x0FH的FDT中。每個這種登記項中可以存儲13個字符，當讀取文件或目錄時，操作系統(tǒng)會將它們重組成可以包含小寫字母的長文件名[7]。實現(xiàn)思路為：獲取文件及目錄信息時，記錄屬性為0x0F的登記項中的內(nèi)容直到出現(xiàn)屬性為0x01或0x02的登記項，然后從之前記錄的登記項內(nèi)容中得出真正的文件或目錄名。支持長文件名的FDT結(jié)構定義如下：

struct _longname_fdt_{
UINT8 name[2048]; /*文件名*/
UINT16 nlen; /*文件名的實際長度*/
UINT8 attr; /*屬性*/
UINT8 rsvd_data[10]; /*保留數(shù)據(jù)*/
UINT16 wrt_time; /*最后更新時間*/
UINT16 wrt_date; /*最后更新日期*/
UINT16 fst_clu; /*第一簇*/
UINT32 file_size; /*文件大小*/};
typedef struct _fdt_ FDT;

3.2 μC/OS-II任務劃分

在Nios II IDE集成開發(fā)環(huán)境中整合了?滋C/OS-II操作系統(tǒng)，集成該操作系統(tǒng)后，根據(jù)系統(tǒng)的功能和軟硬件功能模塊設計多個任務，各個任務間通過信號量、全局變量等方式進行通信[8]。任務調(diào)度示意圖如圖6所示。

TaskStart任務：優(yōu)先級為0，初始化硬件設計和全局變量；創(chuàng)建其他任務，創(chuàng)建完成之后自我刪除，不參與任務調(diào)度。
TaskRdMusic：優(yōu)先級為2，從SD卡的音頻文件夾中讀取音頻數(shù)據(jù)，完成一次操作后，跳轉(zhuǎn)到TaskPlayMusic。
TaskPlayMusic：優(yōu)先級為3，將讀取的音頻數(shù)據(jù)送至音頻解碼芯片的緩沖區(qū)內(nèi)，以播放音樂。與TaskRdMusic之間通過信號量1切換。
TaskRdPhoto：優(yōu)先級為1，從SD卡的圖像文件夾中讀取一個圖像文件數(shù)據(jù)。
TaskFileHead：優(yōu)先級為2，圖像數(shù)據(jù)讀取完成后，分析文件頭，以確定圖像文件格式，根據(jù)其格式將圖像數(shù)據(jù)送至對應解碼器。

TaskDisplay：優(yōu)先級為2，向LCM_SRAM IP核發(fā)出顯示命令，使SRAM中解碼后的圖像數(shù)據(jù)顯示到LCM上。
系統(tǒng)上電后，首先對各個硬件模塊及軟件中的數(shù)據(jù)結(jié)構進行初始化。如果初始化失?。ㄈ鏢D卡沒插入、不帶有FAT16文件系統(tǒng)等），系統(tǒng)將再次進行初始化嘗試；如果初始化成功，則系統(tǒng)按照圖7進行任務調(diào)度。
系統(tǒng)的軟硬件設計好以后，將硬件配置文件下載到FPGA，再運行軟件程序可查看實際顯示效果。

圖7中，上方是分辨率為800×400的JPEG源圖像；圖7(a)為LCM上顯示的效果圖，該圖經(jīng)過縮小以適應屏幕的分辨率，此時的分辨率為320×160，居中顯示，背景為黑色；圖7(b)為按照屏幕尺寸縮放效果，此時分辨率為320×240；圖7(c)為順時針90°旋轉(zhuǎn)后的顯示效果，此時圖像分辨率為120×240。

該多功能數(shù)碼相框系統(tǒng)以Nios II軟核處理器為核心，其優(yōu)點是有很高的靈活性、硬件可裁剪、產(chǎn)品開發(fā)周期短、便于升級。在SD卡上使用FAT16文件系統(tǒng)，便于對音頻、圖像文件進行分類管理，并使多功能數(shù)碼相框與PC機、數(shù)碼相機等設備進行數(shù)據(jù)交換時更加方便。利用Nios II軟核特性移植?滋C/OS-II操作系統(tǒng)，完成了各個功能模塊的任務調(diào)度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，簡化了系統(tǒng)軟件的設計。該數(shù)碼相框不僅可以用于產(chǎn)品原型開發(fā)、直接銷售，而且還可以進行定制，滿足定制個性化禮品的市場需求，為多功能數(shù)碼相框開辟更加廣闊的市場。