數碼相框是時尚的電子消費品，也是家庭必備的裝飾品，是一種以存儲、回放和瀏覽數碼照片為核心功能的電子產品。目前，市場上數碼相框大多是以單芯片為解決方案，以ESS／AML0GIC／MPX芯片設計為代表，就其設計流程而言，不存在嚴格意義上的硬件設計而只有軟件設計。硬件系統(tǒng)的核心器件是現(xiàn)成的，功能是確定的，結構是固定的，指令系統(tǒng)是不可更改的，從而導致硬件組織方案和連接方案是限定的。因此，要想對系統(tǒng)功能有大的升級或擴展，靠簡單的固件升級是不行的，必須采用更好的核心器件，設計全新的硬件系統(tǒng)。
本文采用了基于NiosⅡ軟核處理器的SOPC技術來實現(xiàn)數碼相框的設計，從根本上改變了傳統(tǒng)設計方案的不足。NiosⅡ軟核嵌入式處理器是Altera公司提供的SOPC解決方案。NiosⅡ是一種可配置的16／32位RISC處理器，它結合豐富的外設、專用指令和硬件加速單元可以低成本地提供極度靈活和功能強大的SOPC系統(tǒng)，開發(fā)者可以根據實際需要自行整合。SOPC技術在電子設計上給出了一種同時涉及底層的硬件系統(tǒng)設計和相應的軟件設計，在系統(tǒng)優(yōu)化方面有了前所未有的自由度，使得從多角度、多因素和多結構層面上大幅度優(yōu)化自己的設計成為可能。當電路有少量改動時，更凸現(xiàn)出其優(yōu)勢，可以延長該產品在市場上的壽命，大大提高多功能數碼相框的性能。
1 系統(tǒng)總體架構設計及系統(tǒng)硬件設計
基于NiosⅡ的SOPC嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，主要由三部分組成：IP庫(Nios軟核處理器，Avalon總線，外圍設備接口等)，SOPC Builder開發(fā)工具，CNUPro軟件編譯器。另外，使用NiosⅡ進行嵌入式設計在硬件上必須使用Altera公司的FPGA，本文中的設計使用的是Altera的Cyclone系列芯片的EPlCl2Q240C8芯片。
多功能數碼相框主要實現(xiàn)以下功能：能清晰地顯示JPEG圖片的自動播放及其縮略圖式瀏覽；多區(qū)播放或者畫中畫多種顯示方式；圖片的即時編輯與裁剪(旋轉、美化)；具有出色的視聽娛樂功能，能播放MP3、MP4音頻文件，實時字幕滾動疊加；文件和文件的瀏覽及其對USB接口和SD卡的支持；多種附加功能時鐘，萬年歷等。
[!--empirenews.page--] 數碼相框從CPU的總體結構到局部功能的實現(xiàn)上需要有時鐘電路，CPU，RAM及RAM控制器，F(xiàn)LASH及FLASH控制器，SD卡及SD卡控制電路，
USB接口及USB接口控制器，液晶屏及液晶顯示器驅動電路，DMA控制器，音頻驅動及音頻控制電路，定時器模塊，系統(tǒng)硬件結構圖如1所示。
整個設計采用自上而下的設計方法，在SOPCBuilder中搭建系統(tǒng)硬件模塊，將所需的各功能模塊通過Avalon總線集成，這樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高。除顯示驅動模塊、音頻控制模塊和SD卡控制模塊、USB接口控制模塊外，其他模塊都可以從SOPC Builder中添加IP核構建。
2 LED背光設計
LCD面板是數碼相框的主要組成部分，它帶有用于背光照明的白光LED，LM27313已被大量用于白光LED BLU解決方案。圖2顯示了用于8英寸數碼相框LCD的白光LED背光電路。
在設計LED背光驅動電路時，LED是電流驅動型器件，為保證光照強度并提高LED的使用壽命，最重要的問題是在LED正向偏置時保持恒流。由于大多數LED模塊是通過一個連接器與主板相連的，LM27313在輸出時會因誤操作或LED模塊受損而開路，誤差放大器的負輸入端沒有信號，輸出電壓將會無限制地上升，這將造成毀滅性后果，損壞LM27313或輸出二極管。為解決這一問題，在圖2中加入了一個過電壓保護電路。在圖2中，電阻器R1和R2通過向誤差放大器引腳(FB)饋送輸出電壓，確保恒定輸出電壓不會無限上升。
調光控制是指根據客戶的喜好控制顯示器光照強度。可以通過開／關LM27313來控制LED的開關，而對LM27313的開關控制可通過在SHDN引腳上應用脈沖寬度調制(PWM)得以實現(xiàn)。脈沖頻率必須超過20 kHz，低于20 kHz的頻率會使電路輸出端的多層陶瓷電容器產生波形振蕩，從而產生可聽噪聲。
3 LCD典型電源偏置電路設計
面向LCD平板電源的DC／DC轉換中采用了美國國家半導體擁有的最佳的電源解決方案LM2622。在用于數碼相框的典型LCD平板顯示器中，輸入電源電壓約為+5．O V。必須提供若干不同的電壓，以使顯示面板通過該輸入電壓實現(xiàn)最佳性能，通常情況下需用到升壓轉換器?？梢岳肔M2622在+5．0 V輸入電壓下提供若干不同的輸出電壓。圖3中的電路顯示了應如何配置LM2622，以提供+8 V，-8 V和+23 V的輸出電壓，這對于偏置TFT顯示器而言是非常方便的。
4 USB接口模塊設計
隨著通用串行總線(USB)技術的飛速發(fā)展和應用領域不斷擴大，已經實現(xiàn)了脫離PC而實現(xiàn)USB的點對點的數據傳輸，嵌入式USB主機能夠脫離PC完成USB的點對點的數據傳輸。本系統(tǒng)采用的是NiosⅡ+USB接口芯片的方案，USB串行接口可以作為NiosⅡ的一個外設，接口芯片采用的是Cypress公司生產的SL811HS為主控制器的USB Host／Slave接口芯片。設計的原理方案圖如圖4所示。[!--empirenews.page--]
SL811HS主控制器接口提供8位的數據總線及一些控制信號，如讀寫、片選等與外部CPU或微控制器進行連接。并且，L811HS接口為外部提供簡單的地址線A0，支持可編程I／O或存儲器映射設計。通過對SL811HS的讀寫時序與Avalon總線讀寫時序的分析，采用了SL811HS中的A0尋址模式與Avalon總線的“具有一個固定等待的從端口讀／寫傳輸”時序，SL811HS的地址和數據均通過D[7．．O]分時傳輸，通過A0(數據／地址選擇線)電平的高低加以區(qū)分。當A0置為低電平時，D[7．．O]上傳輸的是SL811HS片內寄存器／緩沖區(qū)的地址，反之高電平則為數據。在A0模式下，SL8llHS正常的讀寫操作支持地址自動加1模式，即在此模式下微控制器只設置地址僅僅一次，緊接下一個時鐘的讀寫操作SL811HS內部地址指針將會自動跳到下一個數據位置。nWR，nRD，nCS，nRST分別為寫控制線、讀控制線、片選線和復位線，均是低電平有效，NiosⅡ通過這幾根控制線完成對SL811HS片內緩沖區(qū)讀寫、片選和復位等操作。INTRQ是中斷請求信號線。當SL8llHS檢測到外設插入、拔出或者數據發(fā)送錯誤、超時、數據溢出等異常情況時，通過將INTRQ置高電平通知NiosⅡ。Avalon總線為用戶提供了非常友好的接口，在SL811HS與Avalon總線的接口轉換Verilog代碼中，只需建立SL81lHS端口與Avalon總線端口的映射關系即可。如圖5所示。
5 系統(tǒng)軟件設計部分
對基于NiosⅡ的SOPC系統(tǒng)進行編譯并下載到FPGA中生成硬件系統(tǒng)，同時SOPC Builder幫助用戶生成相應的SOF文件，在此基礎上，開始系統(tǒng)軟件的設計。本系統(tǒng)軟件部分是在Altera公司提供的軟件集成開發(fā)工具IDE中，以C語言形式，在硬件抽象層(HAL)函數支持下設計的。
軟件的開發(fā)順序為：硬件驅動程序一操作系統(tǒng)移植→建立文件系統(tǒng)→應用程序設計。系統(tǒng)軟件開發(fā)均在NiosⅡ集成的μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)上完成。在多功能數碼相框系統(tǒng)中建立了Task_Main(主控任務)、Task_Gui(GUI圖形化人機交互界面顯示任務)、Task_Music(音樂播放控制任務)等三個任務。利用消息郵箱機制，μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)對這三個任務進行調度管理。
為了實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的圖形人機界面，還必須在系統(tǒng)開發(fā)平臺進行嵌入式用戶圖形系統(tǒng)的設計，從而建立一個滿足實時性和快速性的人機交互系統(tǒng)。圖形用戶界(Graphical User Interface)一直是計算機的重要組成部分，對于嵌入式系統(tǒng)而言也是如此。在嵌入式GUI方面選擇了Micrium公司開發(fā)的通用嵌入式圖形用戶界面軟件μC／GUI，它是μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的專用GUI，可以實現(xiàn)與μC／OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)的完美結合。
6 結語
該系統(tǒng)的所有硬件結構都是在SOPC下集成的，具有的好處在于硬件的可重構與可重配置，并且采用從上而下的設計流程使得系統(tǒng)設計周期大大縮短。還介紹了包括LCD背光電路，電源偏置電路，及USB接口模塊的詳細設計。利用NiosⅡ軟核處理器與Avalon總線的仲裁機制和嵌入到NiosⅡ中的操作系統(tǒng)，完成了各個功能模塊的任務調度，穩(wěn)定與提高了整個系統(tǒng)的性能，簡化了系統(tǒng)的設計，為家用電子產品領域的開發(fā)和應用開辟了新的途徑。
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