基于FPGA 的3D 光立方设计*

2012-08-09康志强汤勇明

电子器件 2012年6期

康志强，汪佳，汤勇明

(东南大学电子科学与工程学院，南京 210096)

在显示技术迅速发展的今天，光立方［1］作为一种新型信息发布媒体，给人们带来了一种全新的视觉体验。本文研究了采用三维蓝光LED 阵列作为显示载体，FPGA 作为控制平台的方案，对系统内部算法进行合理划分及处理，充分利用FPGA 的高速并行处理能力和NIOS 双核［2－6］技术，进行了一系列应用开发，为实现该3D 视觉信息平台提供了一种新的参考解决方案。

1 总体方案

本系统的工作原理基于对简单二维LED点阵［7］显示屏的扩展，利用层叠加技术构建出立体LED 矩阵，用FPGA 开发平台DE0 进行控制系统，实现三维显示功能。利用人眼的视觉暂留效应实现简单的静态图像显示和立体动画显示，并基于动态显示实现真正意义上的三维游戏。

图1 系统结构框图

系统总体功能框图如图1所示。系统采用NOIS 双核模式，利用CPU1 控制光立方扫描及人机交互部分，并进行内部数据运算和处理;利用CPU2控制音频解码与输出;双核间采用MUTEX 互斥量进行通信，实现两CPU 的同步。整个光立方系统主要分为3种模式:静态模式，动态模式和游戏模式。系统实现了良好的人机交互，可通过触摸屏等进行模式切换。为实现光立方不同显示模式的切换与音频输出的实时同步，在CPU1 嵌入了UCOS－Ⅱ［8］微型操作系统。

2 硬件组成

2.1 控制平台

针对系统实现中数据的快速运算处理以及外部接口的灵活配置需求，控制平台采用Terasic 公司生产的DE0 开发系统。DE0 搭载了Altera Cyclone Ⅲ系列中的EP3C16 FPGA，可提供15，408 LEs(逻辑单元)以及346 I/O，此外，DE0 开发平台还搭配了SD 卡、PS2 等丰富的周边装置，足以开发复杂的逻辑控制系统，适合作为本光立方系统的控制平台。

2.2 光立方模块

光立方由512个蓝色散光LED 组成，分为8层，每层64个(8x8)LED，每个LED 跟其他LED 之间都留有一定的间距，保持良好的通透性，利用LED 矩阵自身的空间立体性，达到三维显示的效果。具体的连接为:每层64个LED 的阴极连接在一起，连接到三极管上，三极管由74HC138 控制是否对地导通，竖直方向同列的8个LED 的阳极连在一起，连接到锁存器组成的列控制模块的输出端。光立方共有64个列单元，可用8个8 bit 锁存器进行控制。

图2 光立方驱动电路

光立方扫描驱动［9］电路分为层驱动电路和列驱动电路。层驱动电路产生层扫描信号，工作时，FPGA 输出层控制信号，然后由74HC138 译码器译码，选通或关闭与每一层LED 阴极相连的三极管，由此来控制每一层是否对地导通。当三极管输出为高时，选通对应的LED 层，当三极管输出为低时，关闭对应的LED 层。竖直方向同列的LED 的阳极连接在一起，然后分别连接到8个锁存器(74HC574)的输出端，当锁存器输出为高，且LED 层被选通时，对应的LED 被点亮。光立方的空间图像信息被分为8 层，列驱动电路将每层的数据信号依次送到选通的LED 列上，每层的64个LED 由8个8 bit 的锁存器来分时控制，利用74HC138 进行8个锁存器的分时选通，当每层的控制数据都写入到锁存器后，再通过层选信号选通相应层，在一个周期内依次扫完8 层，由于一个周期的时间小于人眼的视觉暂留时间，所以从人眼看来是一幅完整的立体图案。这样便使用15个IO 扩展口来实现512个LED 的分时控制。通过这样的工作原理就可以在光立方平台上达到静态画面、动画和立体小游戏等功能的实现。

光立方的扫描过程有两种方案:一是待8 层全部扫描完成后再进行信号输出;二是每层扫描完成后即进行信号输出。考虑到扫描连贯性、均匀性以及人眼的视觉特性，这里采用第2种方案。

为避免光立方扫描过程中每列间因信号串扰而影响发光效果，在扫描每层前，先通过锁存器的输出使能端屏蔽输出，等到每层全部扫描完后再打开使能端进行信号输出。

2.3 音频解码及输出模块

音频输出模块采用了硬解码方式，通过扩展IO口输出音频数据并控制VS1003IC 对音频进行解码。音频控制部分有两种实现方案。一是音频模块使用与其他模块共用一个NOIS 软核，即系统单CPU模式;二是音频模块另外使用一个单独的NOIS核控制，即系统双CPU模式。因为外部接口较多，且每部分实时性要求都很高，为保证音质，系统使用了NIOS 双核技术，用CPU2 控制音频模块，并利用MUTEX 互斥量成功实现了双CPU 间的通信，解决了外部接口多，算法复杂，工作压力大和实时性要求高之间的矛盾。

因为音频数据量较大，系统采用SD 卡来存储音频信息。通过对已有NIOS IP 核的改写，使用SPI通信协议读取SD 卡数据，并对成功移植了文件系统FAT16，实现了大量数据的存储和读取。在播放音乐时，首先将音频数据从SD 卡中读到RAM 中，再依次送给VS1003 音频模块进行解码播放。

2.4 人机交互模块

人机交互媒介采用触摸屏，显示部分采用SSD1289IC 控制器驱动的TFT 屏，分辨率为320×240，显示画面清晰，触摸感应部分采用ADS7843IC。

SSD1289IC 提供了多种通信方式，例如SPI模式传输，8080-16 bit 并行传输等。为提高刷屏速率，优化系统，我们采用了8080-16 bit 并行传递模式，并通过时序优化，很好地实现了TFT 屏显示。总的工作原理为:将图片按照RGB565模式取模保存，显示时利用SDRAM 作为缓存。每次刷屏时依次将每个像素点的RGB值通过16 bit 并行模式传递给SSD1289IC 内部RAM，从而实现图片显示。

ADS7843 是一个内置12 bit模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压2.7 V～5 V，参考电压VREF为1 V～+VCC，转换电压的输入范围为0～VREF，最高转换速率为125 kHz。因其内部结构很容易实现电极电压的切换，并能进行快速A/D 转换。

ADS7843 支持两种参考电压输入模式:一种是参考电压固定为VREF，另一种采取差动模式，参考电压来自驱动电极。采用差动模式可以消除开关导通压降带来的影响。为提高采样精度，IC 选用了差动模式进行采样。

3 软件设计

系统采用NIOS 的双CPU 工作模式，CPU1 主要负责模式切换、内部算法处理和光立方扫描，CPU2 主要进行音频解码控制与播放，CPU 间通过MUTEX 互斥量进行通信。上电复位后，两CPU 分别加载程序数据，并进行各功能模块的初始化。可以通过触摸屏与系统进行交互，实现模式控制、音频播放等。通过CPU1 内部算法处理后，在定时中断中进行光立方扫描。因光立方扫描需每1 ms 中断一次，对其他部分的处理影响较大。为解决这一问题，这里采用嵌入微型操作系统UCOS－Ⅱ进行实时任务调度，以实现各部分功能单元的有序进行。软件工作流程如图3所示。

3.1 光立方扫描控制设计

在定时中断中实现光立方扫描的主要时序控制，过程如下:

(1)关闭寄存器输出;

(2)通过8 次循环，对光立方一层的8 列进行分时赋值、选通、扫描;

(3)打开寄存器输出;

(4)通过译码器进行层选。

1 ms 定时中断函数如下:

3.2 应用开发设计

系统除了可对光立方进行可控扫描外，还进行了动态文字及图像显示以及3D 贪吃蛇等应用开发。应用开发的关键在于对各个LED 的显示位置与时间进行可控设计，在充分考虑人眼视觉特征的情况下，通过良好的逻辑设计，以实现相关的应用开发。

3D 贪吃蛇游戏的软件开发，结构简单清晰，体现了良好的逻辑设计。软件设计将光立方扫描和贪吃蛇内部数据处理分开，以达到各模块的独立性和简洁性。

贪吃蛇主要数据结构:

贪吃蛇相关函数:

ps2_init和snakegame_init 函数分别完成PS/2 键盘初始化和贪吃蛇游戏的初始化，ps2_check和snake_move 函数分别进行键盘检测和贪吃蛇数据处理。

4 实现结果

从二维显示出发，利用真正3D 空间排列的LED点阵和人眼的视觉暂留效应实现了光立方3D显示效果。该系统可以进行图像立体静态显示和音乐立方动态显示，并基于动态显示实现了真正意义上的三维小游戏。其观赏性和娱乐性强，易于移植，具有很高的实用价值。由于控制部分设计需求较为复杂，本文采用NIOS 软核实现。通过NIOS 双核技术，使用两个CPU 同时工作，解决了设计具体实施中遇到的接口较多，算法复杂等难题。为提高系统实时性，采用嵌入了UCOS Ⅱ微型操作系统进行任务调度，效果也很理想。