高分辨產品PG測試設備

高文靜　李路軍

摘 要：本文設計一款適用于高端顯示設備的圖像發生測試系統。核心框架為上位機+MCU+FPGA+DDR3，通過上位機傳輸指令或按鍵組合來控制單片機實現RGB數據提取、圖像像素修改、文字顯示與縮放、PIP顯示等功能，數據處理完成后單片機將其傳輸到FPGA，FPGA再利用雙緩存技術，將圖像數據高速穩定的傳輸到顯示器。

關鍵詞：圖像發生測試系統 FPGA 單片機

一、總體描述

本文所設計的設備由上位機、flash存儲器、單片機系統、FPGA、SRAM組成。上位機通過RS232接口傳輸命令或者數據到單片機系統，單片機按照協議或通過按鍵組合識別命令后執行圖像存儲、圖像讀取、圖像處理或其他操作。單片機將處理好的圖像數據經8080接口傳輸到FPGA中，FPGA將這些數據直接傳輸到SRAM中，設備采用雙緩存技術，SRAM分為兩個區，其中一個接收圖像數據，另一個通過RGB接口發送圖像數據，發送完成后立刻轉為接收狀態，另一個開始發送數據，循環往復。設備末端由專用芯片將RGB信號轉為MIPI。

二、技術路線

（1）單片機模塊設計

1）RS232接口及串行傳輸

采用半雙工異步串行通訊傳送的幀格式為 10位，1位0電平起始位，8 位數據（低位在前）和1位停止位，無校驗位。

圖像操作命令包括上位機圖像數據傳輸、圖像數據存儲、圖像數據顯示、顯示字符、文字縮放、PIP顯示和幾何圖形加速器。

可編程電池操作包括電源通道選擇及電壓設計、電流電壓監控和電流限流。

2）按鍵

按鍵提供功能有：開啟和關閉PIP顯示、選擇PIP視窗、更換圖片、啟動和關閉自動換圖顯示、啟動或關閉幾何圖形加速器、選擇畫點、線、曲線、圓、矩形、開啟或關閉電源通道、增加或減少電壓值、增加或減少限流電流值。

為了實現資源的充分利用，所以按鍵應用功能菜單的形式。五個按鍵可以完成以上工作：功能選擇鍵、上移、下移、確認、退出/取消。

功能選擇鍵按一次后即可利用上下鍵選擇一級功能，按確認后可利用上下鍵進行下一級功能選擇，按取消可回到上一級功能選擇。

3）MCU與U盤通信

MCU與U盤通信采用CH375接口芯片方案，可以省去大量的USB通信協議的編寫。CH375 的USB主機方式支持常用的USB全速設備，外部單片機可以通過CH375按照相應的USB 協議與USB 設備通訊。CH375 還內置了處理Mass-Storage 海量存儲設備的專用通訊協議的固件，外部單片機可以直接以扇區為基本單位讀寫常用的USB 存儲設備（包括USB 硬盤/USB 閃存盤/U 盤）。

4）MCU圖像處理

由于單片機內部SRAM資源有限，所以單片機對于圖像的處理只能是單行或者單列進行。因為像一幅2K的高清圖像其單純的RGB圖像數據就達到了1440*2880*3B=11.8M，一般的單片機沒有如此大的內存加載一整副圖像數據。

為提高效率，在存儲器中存入新的圖像后，單片機會在空閑時間自動對其解壓，轉換格式，并將處理后得到的RGB數據存儲在存儲器。存儲格式為，RGB數據標志+原圖像地址+像素行+列+RGB數據。

圖像處理部分主要包括以下4點：

1）從bmp、jpg、png文件中提取RGB數據

2）圖像像素的修改

圖像信息中一般包含此圖像的像素信息，設備采取的圖像像素的處理方法是：若圖像像素與顯示像素不一致，則先從各種文件中將RGB數據提取出來，再修改像素。若顯示像素大，則將提取出的RGB數據按一定規律行行擴充，后進行列擴充，反之則先進行行縮小，后進行列縮小。

3）文字放大縮小

文字信息也是轉換為位圖數據存儲，分四部分分別存儲ISO/IEC 8859-1、2、4、5，可根據 ASCII碼索引。文字的放大縮小類似像素修改，例如將一個文字水平放大兩倍，就可以將文字的位圖信息每列復制一次即可，列數增加到之前的兩倍。

4）PIP顯示窗口

當系統接收到PIP命令后，單片機從存儲器中分別調出兩幅圖像的數據，將PIP1圖像在PIP2顯示區域的數據更換為PIP2要顯示圖像的數據。例如：一個2K屏，要求其利用PIP技術在左上角顯示一個320*240的圖像。則將正在顯示圖像的前320行的前240列數據全部更換為一副像素是320*240的圖像。

5） 8080接口

8080模式通常有下列接口信號： RES（復位線），DB0～DB7（雙向數據線），D/I（數據/指令選擇線，1：數據讀寫，0：命令讀寫），CS（片選信號線，如果有多片組合，可有多條片選信號線），/WR（MPU向LCD寫入數據控制線），/RD（MPU從LCD讀入數據控制線）； 下圖為8080接口讀寫時序。

（2）FPGA模塊設計

FPGA在整個系統的作用是實現通信，即將8080口的數據傳輸到SRAM中，由于單片機對圖像數據是單行或單列形式處理，因此FPGA應控制 SRAM等待一副圖像都處理完成后才將其傳輸到顯示器上。

FPGA利用雙緩存技術控制SRAM，兩個緩存之間一個接受數據一個顯示數據，并行處理。

對于單緩存技術，FPGA可由一下幾個狀態完成：

1）休眠/等待數據傳輸

2）數據由接口傳入SRAM

3）一副圖像傳輸完成后，將數據經RGB接口輸出

通過FPGA對DDR3進行驅動，DDR3的Mode Register 有四個，分別為MR0、MR1、MR2 和MR3，當四個控制命令信號均為低電平時，即可通過Bank 選擇位對模式寄存器進行選擇； Refresh操作分為Auto Refresh 與Self Refresh 兩種，其中不論是何種Refresh 方式，都不需要外部提供行地址信息，因為這是一個內部的自動操作；DDR3 在進行讀寫操作時，內存會給出一個與數據同步的DQS 信號，用來在一個時鐘周期內準確地區分出每個傳輸周期，提高了接收方接收數據的準確度。

三、總結

顯示設備作為計算機系統重要的人機交互設備，包括顯示器，投影儀等，與安防監控、教育教學、娛樂媒體等行業息息相關，顯示設備的好壞，決定著各行各業工作能否順利開展。因此針對顯示設備進行測試和試驗必不可少，且一款傳輸速率高、價格適中的圖像發生測試系統擁有巨大的市場。本文結合了MCU與FPGA的優勢。可以做到既可以快速有效的對圖像數據處理，又可以高速傳輸，同時成本較低，開發周期較短。

參考文獻：

[1]李華 基于FPGA的圖像發生器的設計 《商洛學院學報2015年04期》

[2]張濤、國澄明、俞斯樂 基于FPGA的HDTV顯示器測試圖案發生器《電子測量與儀器學報2006.20（2）：101-105》