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摘 要：本文设计一款适用于高端显示设备的图像发生测试系统。核心框架为上位机+MCU+FPGA+DDR3，通过上位机传输指令或按键组合来控制单片机实现RGB数据提取、图像像素修改、文字显示与缩放、PIP显示等功能，数据处理完成后单片机将其传输到FPGA，FPGA再利用双缓存技术，将图像数据高速稳定的传输到显示器。
关键词：图像发生测试系统 FPGA 单片机
一、总体描述
本文所设计的设备由上位机、flash存储器、单片机系统、FPGA、SRAM组成。上位机通过RS232接口传输命令或者数据到单片機系统，单片机按照协议或通过按键组合识别命令后执行图像存储、图像读取、图像处理或其他操作。单片机将处理好的图像数据经8080接口传输到FPGA中，FPGA将这些数据直接传输到SRAM中，设备采用双缓存技术，SRAM分为两个区，其中一个接收图像数据，另一个通过RGB接口发送图像数据，发送完成后立刻转为接收状态，另一个开始发送数据，循环往复。设备末端由专用芯片将RGB信号转为MIPI。
二、技术路线
（1）单片机模块设计
1）RS232接口及串行传输
采用半双工异步串行通讯传送的帧格式为 10位，1位0电平起始位，8 位数据（低位在前）和1位停止位，无校验位。
图像操作命令包括上位机图像数据传输、图像数据存储、图像数据显示、显示字符、文字缩放、PIP显示和几何图形加速器。
可编程电池操作包括电源通道选择及电压设计、电流电压监控和电流限流。
2）按键
按键提供功能有：开启和关闭PIP显示、选择PIP视窗、更换图片、启动和关闭自动换图显示、启动或关闭几何图形加速器、选择画点、线、曲线、圆、矩形、开启或关闭电源通道、增加或减少电压值、增加或减少限流电流值。
为了实现资源的充分利用，所以按键应用功能菜单的形式。五个按键可以完成以上工作：功能选择键、上移、下移、确认、退出/取消。
功能选择键按一次后即可利用上下键选择一级功能，按确认后可利用上下键进行下一级功能选择，按取消可回到上一级功能选择。
3）MCU与U盘通信
MCU与U盘通信采用CH375接口芯片方案，可以省去大量的USB通信协议的编写。CH375 的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB 协议与USB 设备通讯。CH375 还内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB 存储设备（包括USB 硬盘/USB 闪存盘/U 盘）。
4）MCU图像处理
由于单片机内部SRAM资源有限，所以单片机对于图像的处理只能是单行或者单列进行。因为像一幅2K的高清图像其单纯的RGB图像数据就达到了1440*2880*3B=11.8M，一般的单片机没有如此大的内存加载一整副图像数据。
为提高效率，在存储器中存入新的图像后，单片机会在空闲时间自动对其解压，转换格式，并将处理后得到的RGB数据存储在存储器。存储格式为，RGB数据标志+原图像地址+像素行+列+RGB数据。
图像处理部分主要包括以下4点：
1）从bmp、jpg、png文件中提取RGB数据
2）图像像素的修改
图像信息中一般包含此图像的像素信息，设备采取的图像像素的处理方法是：若图像像素与显示像素不一致，则先从各种文件中将RGB数据提取出来，再修改像素。若显示像素大，则将提取出的RGB数据按一定规律行行扩充，后进行列扩充，反之则先进行行缩小，后进行列缩小。
3）文字放大缩小
文字信息也是转换为位图数据存储，分四部分分别存储ISO/IEC 8859-1、2、4、5，可根据 ASCII码索引。文字的放大缩小类似像素修改，例如将一个文字水平放大两倍，就可以将文字的位图信息每列复制一次即可，列数增加到之前的两倍。
4）PIP显示窗口
当系统接收到PIP命令后，单片机从存储器中分别调出两幅图像的数据，将PIP1图像在PIP2显示区域的数据更换为PIP2要显示图像的数据。例如：一个2K屏，要求其利用PIP技术在左上角显示一个320*240的图像。则将正在显示图像的前320行的前240列数据全部更换为一副像素是320*240的图像。
5） 8080接口
8080模式通常有下列接口信号： RES（复位线），DB0～DB7（双向数据线），D/I（数据/指令选择线，1：数据读写，0：命令读写），CS（片选信号线，如果有多片组合，可有多条片选信号线），/WR（MPU向LCD写入数据控制线），/RD（MPU从LCD读入数据控制线）； 下图为8080接口读写时序。
（2）FPGA模块设计
FPGA在整个系统的作用是实现通信，即将8080口的数据传输到SRAM中，由于单片机对图像数据是单行或单列形式处理，因此FPGA应控制 SRAM等待一副图像都处理完成后才将其传输到显示器上。
FPGA利用双缓存技术控制SRAM，两个缓存之间一个接受数据一个显示数据，并行处理。
对于单缓存技术，FPGA可由一下几个状态完成：
1）休眠/等待数据传输
2）数据由接口传入SRAM
3）一副图像传输完成后，将数据经RGB接口输出
通过FPGA对DDR3进行驱动，DDR3的Mode Register 有四个，分别为MR0、MR1、MR2 和MR3，当四个控制命令信号均为低电平时，即可通过Bank 选择位对模式寄存器进行选择； Refresh操作分为Auto Refresh 与Self Refresh 两种，其中不论是何种Refresh 方式，都不需要外部提供行地址信息，因为这是一个内部的自动操作；DDR3 在进行读写操作时，内存会给出一个与数据同步的DQS 信号，用来在一个时钟周期内准确地区分出每个传输周期，提高了接收方接收数据的准确度。
三、总结
显示设备作为计算机系统重要的人机交互设备，包括显示器，投影仪等，与安防监控、教育教学、娱乐媒体等行业息息相关，显示设备的好坏，决定着各行各业工作能否顺利开展。因此针对显示设备进行测试和试验必不可少，且一款传输速率高、价格适中的图像发生测试系统拥有巨大的市场。本文结合了MCU与FPGA的优势。可以做到既可以快速有效的对图像数据处理，又可以高速传输，同时成本较低，开发周期较短。
参考文献：
[1]李华 基于FPGA的图像发生器的设计 《商洛学院学报2015年04期》
[2]张涛、国澄明、俞斯乐 基于FPGA的HDTV显示器测试图案发生器《电子测量与仪器学报2006.20（2）：101-105》
关键词：图像发生测试系统 FPGA 单片机
一、总体描述
本文所设计的设备由上位机、flash存储器、单片机系统、FPGA、SRAM组成。上位机通过RS232接口传输命令或者数据到单片機系统，单片机按照协议或通过按键组合识别命令后执行图像存储、图像读取、图像处理或其他操作。单片机将处理好的图像数据经8080接口传输到FPGA中，FPGA将这些数据直接传输到SRAM中，设备采用双缓存技术，SRAM分为两个区，其中一个接收图像数据，另一个通过RGB接口发送图像数据，发送完成后立刻转为接收状态，另一个开始发送数据，循环往复。设备末端由专用芯片将RGB信号转为MIPI。
二、技术路线
（1）单片机模块设计
1）RS232接口及串行传输
采用半双工异步串行通讯传送的帧格式为 10位，1位0电平起始位，8 位数据（低位在前）和1位停止位，无校验位。
图像操作命令包括上位机图像数据传输、图像数据存储、图像数据显示、显示字符、文字缩放、PIP显示和几何图形加速器。
可编程电池操作包括电源通道选择及电压设计、电流电压监控和电流限流。
2）按键
按键提供功能有：开启和关闭PIP显示、选择PIP视窗、更换图片、启动和关闭自动换图显示、启动或关闭几何图形加速器、选择画点、线、曲线、圆、矩形、开启或关闭电源通道、增加或减少电压值、增加或减少限流电流值。
为了实现资源的充分利用，所以按键应用功能菜单的形式。五个按键可以完成以上工作：功能选择键、上移、下移、确认、退出/取消。
功能选择键按一次后即可利用上下键选择一级功能，按确认后可利用上下键进行下一级功能选择，按取消可回到上一级功能选择。
3）MCU与U盘通信
MCU与U盘通信采用CH375接口芯片方案，可以省去大量的USB通信协议的编写。CH375 的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB 协议与USB 设备通讯。CH375 还内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB 存储设备（包括USB 硬盘/USB 闪存盘/U 盘）。
4）MCU图像处理
由于单片机内部SRAM资源有限，所以单片机对于图像的处理只能是单行或者单列进行。因为像一幅2K的高清图像其单纯的RGB图像数据就达到了1440*2880*3B=11.8M，一般的单片机没有如此大的内存加载一整副图像数据。
为提高效率，在存储器中存入新的图像后，单片机会在空闲时间自动对其解压，转换格式，并将处理后得到的RGB数据存储在存储器。存储格式为，RGB数据标志+原图像地址+像素行+列+RGB数据。
图像处理部分主要包括以下4点：
1）从bmp、jpg、png文件中提取RGB数据
2）图像像素的修改
图像信息中一般包含此图像的像素信息，设备采取的图像像素的处理方法是：若图像像素与显示像素不一致，则先从各种文件中将RGB数据提取出来，再修改像素。若显示像素大，则将提取出的RGB数据按一定规律行行扩充，后进行列扩充，反之则先进行行缩小，后进行列缩小。
3）文字放大缩小
文字信息也是转换为位图数据存储，分四部分分别存储ISO/IEC 8859-1、2、4、5，可根据 ASCII码索引。文字的放大缩小类似像素修改，例如将一个文字水平放大两倍，就可以将文字的位图信息每列复制一次即可，列数增加到之前的两倍。
4）PIP显示窗口
当系统接收到PIP命令后，单片机从存储器中分别调出两幅图像的数据，将PIP1图像在PIP2显示区域的数据更换为PIP2要显示图像的数据。例如：一个2K屏，要求其利用PIP技术在左上角显示一个320*240的图像。则将正在显示图像的前320行的前240列数据全部更换为一副像素是320*240的图像。
5） 8080接口
8080模式通常有下列接口信号： RES（复位线），DB0～DB7（双向数据线），D/I（数据/指令选择线，1：数据读写，0：命令读写），CS（片选信号线，如果有多片组合，可有多条片选信号线），/WR（MPU向LCD写入数据控制线），/RD（MPU从LCD读入数据控制线）； 下图为8080接口读写时序。
（2）FPGA模块设计
FPGA在整个系统的作用是实现通信，即将8080口的数据传输到SRAM中，由于单片机对图像数据是单行或单列形式处理，因此FPGA应控制 SRAM等待一副图像都处理完成后才将其传输到显示器上。
FPGA利用双缓存技术控制SRAM，两个缓存之间一个接受数据一个显示数据，并行处理。
对于单缓存技术，FPGA可由一下几个状态完成：
1）休眠/等待数据传输
2）数据由接口传入SRAM
3）一副图像传输完成后，将数据经RGB接口输出
通过FPGA对DDR3进行驱动，DDR3的Mode Register 有四个，分别为MR0、MR1、MR2 和MR3，当四个控制命令信号均为低电平时，即可通过Bank 选择位对模式寄存器进行选择； Refresh操作分为Auto Refresh 与Self Refresh 两种，其中不论是何种Refresh 方式，都不需要外部提供行地址信息，因为这是一个内部的自动操作；DDR3 在进行读写操作时，内存会给出一个与数据同步的DQS 信号，用来在一个时钟周期内准确地区分出每个传输周期，提高了接收方接收数据的准确度。
三、总结
显示设备作为计算机系统重要的人机交互设备，包括显示器，投影仪等，与安防监控、教育教学、娱乐媒体等行业息息相关，显示设备的好坏，决定着各行各业工作能否顺利开展。因此针对显示设备进行测试和试验必不可少，且一款传输速率高、价格适中的图像发生测试系统拥有巨大的市场。本文结合了MCU与FPGA的优势。可以做到既可以快速有效的对图像数据处理，又可以高速传输，同时成本较低，开发周期较短。
参考文献：
[1]李华 基于FPGA的图像发生器的设计 《商洛学院学报2015年04期》
[2]张涛、国澄明、俞斯乐 基于FPGA的HDTV显示器测试图案发生器《电子测量与仪器学报2006.20（2）：101-105》