【正文】 黃 新 職 稱 ： 副教授 題目類型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程 設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) 20xx 年 5 月 20 日 √ 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁 摘 要 利用 LabVIEW、 RS485 總線、 STM32 微處理器、 FPGA 等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)文字和圖片信息的遠(yuǎn)程、動(dòng)態(tài)發(fā)布。 上位機(jī)程序采用 LabVIEW 編寫。 STM32 將數(shù)據(jù)暫存 Micro SD 卡中，在 VGA 場(chǎng)消隱期間，從 Micro SD 卡中讀取數(shù)據(jù)，寫入顯存。顯示器讀取 VGA 信號(hào)，將文字、圖片顯示出來。以數(shù)據(jù)幀作為通信的基本單元，采用和校驗(yàn)的校驗(yàn)方法，能在一定程度上保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和完整性。通過上位機(jī)向 STM32 發(fā)送 GBK 編碼， STM32 就能根據(jù)編碼，從 Micro SD 卡中讀取對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣信息，并寫入顯存，實(shí)現(xiàn)漢字顯示。 利用 IMG2LCD 軟件生成圖片點(diǎn)陣文件，或者由 LabVIEW 對(duì)圖片進(jìn)行解碼，生成圖片點(diǎn)陣文件。在 1024x768 分辨率的顯示器上，實(shí)現(xiàn)顯示 3 種字體、 7 種字號(hào)的 ASCII 碼與漢字，實(shí)現(xiàn)顯示 65536 色的圖片，顯示穩(wěn)定、色彩鮮艷！ 關(guān)鍵詞： 小區(qū)信息發(fā)布； 485 總線； VGA 接口； LabVIEW 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 2 頁 Abstract This system Release words and pictures remotely and Dynamically by using the technology of LABVIEW,RS485 BUS,STM32 MCU,FPGA etc. The host program designed by LabVIEW. The host send data to the STM32 by RS485 will saves the data to Micro SD, and reads data from Micro SD ,then writes to the display memory in the course of VGA reads the data from the display memory ,and produces the signal of VGA. The display reads VGA signal and shows them on screen. The media of munication between HOST and STM32 is 4wire RS485 Bus. The basic unit of munication is data frame. The check method of data frame is can ensure the accuracy and integrity of data transmission in a certain extent. The system used GBK Font. Write 3 typeface and 7 font size to Micro SD by LabVIEW. Send GBK code to STM32 by host,then STM32 can read the dot matrix information and write it to display memory through the code. So it can display Chinese characters. The method to display ASCII code is the same as Chinese characters. Using IMG2LCD software to generate the image dot matrix files, or decoding images by LabVIEW to generate the image dot matrix files. Then send dot matrix files ,image size signal and image position signal to will write data to display memory by these information, so it can display can display 3 typeface, 7 font size ASCII code and Chinese characters, and can display the images with 65536 colors. Display stable and colorful! Key words： Release Information 。VGA Interface。這些信息發(fā)布方法具有浪費(fèi)資源、有損形象、信息更新遲滯、傳播效率低和不方便管理等缺點(diǎn)。 數(shù)字化信息發(fā)布系統(tǒng)可用于即時(shí)發(fā)布水、電、燃?xì)?、暖氣、天氣預(yù)報(bào)、新聞、物業(yè)通知、緊急信息、突發(fā)事件、社區(qū)宣傳和贊助商廣告等內(nèi)容，可應(yīng)用于小區(qū)、校園、工廠、車站、機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)所，應(yīng)用前景廣闊。 前沿技術(shù)制造的系統(tǒng)比較大型，固然功能齊全，但是成本較高，維護(hù)也相對(duì)復(fù)雜。 1 方案選擇與論證 本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：將文字和圖片信息進(jìn)行遠(yuǎn)程、動(dòng)態(tài)發(fā)布。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) LabVIEW 上位機(jī)模塊：采用 LabVIEW 編寫上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)串口的數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)等功能。 STM32 數(shù)據(jù)處理模塊：使用 2片 SP3485 與 STM32 的 UART5 口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行串口通信。 STM32 將待顯示的點(diǎn)陣信息寫入 SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器），供 FPGA 讀取。 方案結(jié)構(gòu)如圖 所示： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁 顯示方案 可選顯示方案 可選顯示方案有很多，在眾多顯示方案中，最后采用 VGA 接口顯示器作為顯示終端。此類顯示屏，顯示效果好，具有觸摸功能，但是尺寸和分辨率相對(duì)較小，接口不通用，不適合用于顯示住宅小區(qū)信息。此類顯示器面積非常大，可達(dá)數(shù)十平方米，亮度大，色彩鮮艷。 生活中，最常見的顯示方案是和臺(tái)式機(jī)配套的 VGA 接口的液晶顯示器，此類顯示器的分辨率從 800x600 到 1920x1080 甚至更高，可選性高，通用性強(qiáng)。 VGA 的視頻傳輸過程是最短的 ,所以 VGA 接口擁有許多的優(yōu)點(diǎn) ,如無串?dāng)_無電路合成分離損耗等 [1]。 采用 FPGA 技術(shù)，既得到高分辨率又可以不使用計(jì)算機(jī)設(shè)備顯示圖像 [3]。 采用 FPGA作為 VGA的驅(qū)動(dòng)芯片，在國(guó)外也應(yīng)用普遍。 FPGA 選型 FPGA 有兩大生產(chǎn)廠商： Xilinx 和 Altera。 選用 Altera 公司 Cyclone4 系列的 EP4CE6E22C8N 作 為控制芯片。 用于讀取 SRAM、產(chǎn)生 VGA 時(shí)序和 RGB 信號(hào)，資源是足夠的。每秒更新顯存的次數(shù)稱為FPS(Frames Per Second)即每秒傳輸幀數(shù)。 在讀取顯存同時(shí)，更新顯存的方法有以下幾種： ①：采用雙口 RAM。 因?yàn)閿?shù)據(jù)共享，所以存在訪問仲裁控制。 ②： 采用兩組 SRAM，組成乒乓結(jié)構(gòu)。當(dāng) FPGA 讀取 A組數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示時(shí)， STM32向 B 組寫入數(shù)據(jù)（ STM32 必須在 FPGA 讀取 B組時(shí)，完成對(duì) B組的更新）；然后，F(xiàn)PGA 讀取 B 組數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示， STM32 向 A組寫入數(shù)據(jù)；如此循環(huán)，就能保證顯示與顯存更新的同步進(jìn)行。然而，這需要復(fù)雜的控制總線，采用兩組 SRAM 也會(huì)提高成本，故在本設(shè)計(jì)中暫時(shí)不采用此方案，以后設(shè)計(jì)可顯示視頻的 VGA 接口時(shí)，可能會(huì)采用 此方案。這種方法需要用到 SDRAM，而 SDRAM的時(shí)序控制相當(dāng)復(fù)雜。 ④：采用一片 SRAM,在 VGA 時(shí)序的場(chǎng)消隱期間更新 SRAM。雖然更新速度慢，但是在本設(shè)計(jì)中是可以接受的。 可作為顯存的存儲(chǔ)器有兩種類型： 一是 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)，即同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。 二是 SRAM(Static Random Access Memory)，即靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。 SDRAM 和 SRAM 各有所長(zhǎng)，可總結(jié)為： SDRAM 容量大體積小、價(jià)格低、但是操作復(fù)雜、速度較 SRAM 慢； SRAM 容量小體積大、價(jià)格高、但是操作簡(jiǎn)單、速度快。 設(shè)計(jì)時(shí)采用的顯示器分辨率是 1024x768，刷新率為 60Hz， VGA 信號(hào)頻率為65MHz，使用 RGB565來表示像素顏色。 IS61WV102416BLL 具有 1024K 個(gè)位寬為 16 位的存儲(chǔ)單元，讀寫速度為 10ns，完全滿足設(shè)計(jì)要求。而無論是單片機(jī)還是 FPGA，其 I/O 口輸出的都是數(shù)字 量，所以需要一種將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的措施。這類 DAC 專門為 VGA 接口打造，自帶 3 個(gè)分離的 10 位數(shù)據(jù)輸入端口，由信號(hào) SYNC 和 BLANK分別控制同步和消隱功能。芯片很強(qiáng)大，性能也很好，在實(shí)際應(yīng)用在首選此方案。 微處理器方案 本設(shè)計(jì)采用 STM32F103ZET6 作為微處理器。 STM32F103 系列屬于 ARM CortexM3 內(nèi)核，增強(qiáng)型 32 位微處理器，該系列有規(guī)格不同的多個(gè)型號(hào)，引腳數(shù)量從 64 個(gè)到 144 個(gè)， FLASH 容量從 16KB 到 1MB，SRAM 容量從 6KB 到 96KB。片內(nèi)外設(shè)有 3個(gè) SPI/I2S， 2個(gè) I2C， 5 個(gè) USART， 1 個(gè) 全速接口，1 個(gè) CAN 總線接口， 3個(gè) 12位 16 通道 ADC， 2 個(gè) 12 位 DAC，資源非常豐富。 在確定采用 FPGA 作為 VGA 時(shí)序的控制芯片之后，對(duì) FPGA 有了新的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)完全可以用 FPGA 實(shí)現(xiàn) UART、 SPI 等功能，用狀態(tài)機(jī)來更新 SRAM 也比使用 STM32通過外部中斷的方式更新 SRAM 快速， FPGA 內(nèi)部也有足夠的存儲(chǔ)空間。 但是初學(xué) FPGA，暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)以上難度較高的功能。采用單片機(jī)結(jié)合 FPGA 的方案完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，是對(duì)單片機(jī)知識(shí)的總結(jié)，也是對(duì) FPGA 知識(shí)的初步嘗試。 通信總線方案 本設(shè)計(jì)采用 2片 MAX485 和 2片 SP3485 搭建全雙工串口通信電路。 [5] 電腦與單片機(jī)常見的通信方式有： ①：使用 USB 轉(zhuǎn) UART（異步收發(fā)傳輸器）芯片。這種通信方式最簡(jiǎn)單，成本最低，短距離時(shí)通信速率快，為全雙工。但是 UART 之間直接相連，導(dǎo)致了這種接法在長(zhǎng)距離通信時(shí)，信號(hào)衰減嚴(yán)重，不適合用于長(zhǎng)距離通信。此類芯片可以將 TTL電平（ 0V~5V）轉(zhuǎn)換成 RS232 電平（ +15V~15V）。 [6]不滿足小區(qū)信息發(fā)布系統(tǒng)的要求。這類芯片能把 TTL 電平轉(zhuǎn)換成差分電壓信號(hào)。差分方式傳輸數(shù)據(jù)，能把通信距離延長(zhǎng)至幾十米至上千米。 [8]因此，本設(shè)計(jì)采用此方案。 存儲(chǔ)方案 本系統(tǒng)采用 Micro SD 卡作為主要存儲(chǔ)。然而，本系統(tǒng)字庫總大小可達(dá) 78MB 以上，加上圖片的存儲(chǔ)區(qū)，這兩個(gè)系列的存儲(chǔ)器已經(jīng)無法滿足設(shè)計(jì)要求。其容量以 GB 為單位，有 4GB、 8GB 到 64GB。 STM32 自帶 SPI接口，操作 Micro SD 卡高效、簡(jiǎn)便。在電腦上，每一個(gè)軟件都可以稱為一臺(tái)儀器，所以這里的 上位機(jī)指的運(yùn)行在電腦上的一個(gè)軟件，這個(gè)軟件利用電腦的硬件資源，可實(shí)現(xiàn)多種多樣的功能。在大學(xué)課程中，接觸過 VC 和 LabVIEW。 LabVIEW 是一種基于圖形編程語言的開發(fā)環(huán)境。 [9]程序框圖使用圖形方式編寫代碼，使用函數(shù)選板中的 VI 和函數(shù)控制前面板上的對(duì)象。 LabVIEW 具有豐富的控件，只需調(diào)用這些控件就能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。 2 硬件設(shè)計(jì) 硬件框架 一共有四塊電路板。負(fù)責(zé)接收 STM32 發(fā)出的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳 輸給上位機(jī)，和向 STM32 發(fā)送數(shù)據(jù)。負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)、更新顯存。負(fù)責(zé)連接 Micro SD 卡和 STM32。負(fù)責(zé)讀取顯存，產(chǎn)生 VGA 時(shí)序和 RGB信號(hào)，并在場(chǎng)消隱期間向 STM32 發(fā)送可寫顯存的信號(hào)。 ②：電腦端 485 芯片與 STM32 板載 485 芯片通過 4 根信號(hào)線相連。 ④： FPGA 在場(chǎng)消隱期間產(chǎn)生低電平，通知 STM32 可以向 SRAM 寫入數(shù)據(jù)。 USB 轉(zhuǎn) 485 模塊 首先，通過 CH340G 芯片，將 USB 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 UART 的 RXD、 TXD 的 TTL 信號(hào)。則： R的 DE、 RE 引腳接地，設(shè)置為接收模式。 T的 DE、 RE 引腳由 電阻上拉到 VCC，設(shè)置為發(fā)送模式。 搭建好的全雙工 485 電路如下圖所示： 圖 TTL 轉(zhuǎn) 485 圖 USB 轉(zhuǎn) TTL 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 13 頁 STM32 數(shù)據(jù)處理電路 STM32 最小系統(tǒng) 讓 STM32 芯片正常工作，需要 穩(wěn)壓電源電路、晶振電路、程序下載電路、復(fù)位電路。其內(nèi)部集成過熱、過流保護(hù)電路，固定輸出 電