一种基于FPGA和DSP的图行显示控制系统设计

随着现代电子信息技术的发展，人机交互、图形图像数据的输出显示在系统设计中越来越重要，一方面要求各种参数的输入，另一方面要求将数据结构显示出来。文中设计的基于DSP和FPGA的系统结构，实现了人机交互和各种图形图像的输出显示，而且可以达到动态显示的效果。在设计上采用了软件填充的图形设计方法，先由DSP生成全局数据缓冲区，填充要绘制的图形，之后通过DSP的EDMA传递给FPGA，FPGA实现显示屏的接口不断扫描，将数据送到显示屏显示。同时FPGA连接键盘接口，通过扫描法扫描键值，之后通过中断方式送到DSP，使DSP对各种输入进行控制。整个系统的结构图如图1所示。

1 系统功能

为实现显示系统的基本功能，系统要求实现人机交互，通过键盘输入各种键值，选择或输入各种参数，因此设计了6×6的矩阵键盘，可以输入26个英文字母和0～9共10个数字，键盘的接口连在FPGA上，FPGA将扫描到的键值以中断方式送到DSP，DSP根据输入的参数进行处理。

对于显示部分，系统要求提供各种驱动函数，可以实现画点、画线、画方框、画矩形、填充矩形、画椭圆、填充椭圆、画圆、填充圆、显示汉字、数字、英文字符以及图标Logo等功能，在这些基本画图函数的基础上可以实现各种复杂图形的显示。

总的实现方式是在DSP内部开辟一缓冲数据区，DSP将要输出的图形数据填充至数据缓冲区，需要显示时，DSP启动EDMA，通过总线将缓冲区的数据送至FPGA，在FPGA内开辟一双口RAM，一端接收DSP传输的缓冲区的数据，保存在双口RAM中，另一端将双口RAM中保存的缓冲区数据读出，以不断扫描的方式按照显示屏的时序将数据显示在显示屏上。

2 系统硬件设计

DSP具有高速处理的特点，运算速度快、FPGA并行处理能力强，常用于设计一些接口。DSP和FPGA相互结合的结构，能充分发挥二者的优点，选用各种复杂的系统。

显示控制系统采用的DSP是TI公司的，它是TI公司推出的一款高性能的数字信号处理器。FPGA采用的是Altera公司Cyclone系列的一款芯片EP3C78017，这是一款高性价比的FPGA芯片。FPGA和DSP通过DSP的外部总线接口EMIF连接。为便于系统的扩张，将FPGA映射在DSP的CE2和CE3的地址空间，对应的存储器映射地址分别为0xA0000000和0xB0000000。

由于要加载字库，系统需要大容量的数据存储器来存储字库数据和数据缓冲区，而DSP的内部RAM只有不到200 kB，因此需要扩展系统的数据存储器。系统外挂了一个SDRAM，它依然通过DSP的EMIF接口和DSP相连接，连接在DSP的CE0空间，对应的存储器映射地址为0x80000000，SDRAM的型号为MT48LC2M32BTG。

显示屏是640×480点阵的EL LCD宽温显示屏，其上下半屏同时扫描的双扫描单色显示屏，由于宽温特性，多用在工业和军事中，型号是EL640.480 AF1 ET。

系统将键盘接口和显示接口连接在FPGA上。系统硬件原理如图2所示。

3 系统软件设计

3.1 键盘接口设计

为实现人机交互必须要有相应的输入接口，系统在FPGA外部连接了6×6的矩阵键盘，以实现各种参数的输入和显示控制。DSP和FPGA要完成各自不同的控制逻辑。

FPGA中用VHDL硬件描述语言设计键值的扫描程序，采用逐行扫描的思想，并开辟一寄存器保存扫描到的键值，DSP读取该寄存器即得到按键键值，该寄存器对应的地址为0xA0001000，对应DSP中CE2的选址空间。当有按键按下时，FPGA扫描得到键值，保存至按键寄存器中，并向DSP发送外部中断Exint4，DSP在中断服务程序中读取地址为0xA0001000寄存器中的内容即可得到键值。

3.2 显示接口设计

由于显示屏是640×480的单色显示屏，要在DSP内开辟一显示的数据缓冲区，大小为38 400 Byte，缓冲区的每一位代表一个像素，代表显示屏上的一个像素点，缓冲区的第一个Byte的最低位点代表显示屏的第一个像素点，依次类推。

对于要显示的图像，DSP必须先用相应的图形算法填充该图形缓冲区，之后启动DSP的EDMA将数据通过DSP的总线送至FPGA的双口RAM中，双口RAM的起始地址是0xA0080000，对应LCD显示屏第一行的第1～32个像素点，结束地址是0xA00895FC，对应显示屏第480行第637～640个像素点。DSP是32位数据总线，每个地址可存储32位的像素点。

对于画图函数，最基本的莫过于画点函数，它是其他各种作图函数的基础，也是实现各种复杂图形显示的基础。

画线、画方框、画矩形、填充矩形、画椭圆、填充椭圆、画圆、填充圆的驱动函数只要基于画点函数再配合相应的算法即可实现。

对于汉字的显示，需要加载相应的字库，系统中的字库采用16×16点阵的汉字字库。首先根据汉字的区位码在字库中找到相应的点阵数组，然后将点阵数组输入到相应坐标的显存缓冲区即可。为提高程序的运行速度，系统中没有采用标准C库文件的文件操作方式来读取字库数组，而是将字库文件转换为数组形式保存在SDRAM中，程序只需根据汉字的区位码查表即可得到点阵数组，大幅提高了程序的运行速度。

对于图标和图像的显示，首先也要将图像转换为相应的点阵数组，再按照要显示的坐标区域将点阵数组输入的相应区域即可。

用基本画图函数就可实现各种图形的显示，在此基础也可以实现各种复杂图像的显示，系统验证时曾显示了图像、正弦波、三角波等较为复杂的动态图形的显示，并可以通过键盘控制波形频率的改变，如图3所示。

4 结束语

人机交互和图形图像显示技术，在需要人机交互系统应用中具有重要现实意义，文中讨论了基于DSP+FPGA的图形显示控制系统，给出了各部分的设计思想，提供了键盘输入和图形图像显示的功能，可以满足各种复杂的人机交互和图形图像显示，在实际使用中也得到了验证。