基于Nios II的多媒體廣告系統(tǒng)原理設(shè)計

?引言
??? 多媒體廣告是當今企業(yè)與消費者交流、展示自我形象的一個平臺，傳統(tǒng)形式的廣告業(yè)務(wù)制作成本高，周期長，內(nèi)容模式固化僵硬，相對于市場變化有很大滯后性。電子屏的出現(xiàn)，不僅可以使企業(yè)更全面的展示產(chǎn)品，推廣企業(yè)文化，而且可以滿足不同讀者的需求，改善城市環(huán)境，提升人民生活質(zhì)量，更重要的是廣告能夠更及時、更準確、更全面的展示自己的新產(chǎn)品，第一時間與消費者進行溝通，贏得市場，獲取利潤，以及根據(jù)市場動態(tài)更及時更全面的做出市場決策。基于以上原因，我們采用Nios II軟核設(shè)計了能及時發(fā)布戶外廣告、電子公告的多媒體廣告系統(tǒng)。

1 多媒體廣告系統(tǒng)所用技術(shù)簡介
1．1 SOPC技術(shù)
??? SOPC是可編程片上系統(tǒng)(System On Programmablechip)的簡稱，是Altera公司提出的一種在可編程邏輯器件上靈活、高效實現(xiàn)SOC的解決方案。將處理器、存儲器、I/O、LVDS、CDR等系統(tǒng)設(shè)計模塊集成到一枚FPGA或者CPLD上，構(gòu)成一種可編程的片上系統(tǒng)。SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)SOC；其次它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁剪、擴充、升級，并且具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。FPGA則是SOPC的高效設(shè)計平臺。本系統(tǒng)是在Altera公司的DE1上實現(xiàn)，F(xiàn)PGA采用的是Cyclone II EP2C20F484C7。伴隨著Nios的發(fā)展，Altera的SOPC概念逐漸為人們所接受，進而又推出了第二代處理器軟核Nios II，提高了處理能力、減少了資源占用，并在價格上擁有相當大的優(yōu)勢，進一步推動了SOPC的發(fā)展。系統(tǒng)模塊在SOPC中可方便集成為一個系統(tǒng)。系統(tǒng)如圖1所示：

??? 在Quartus II下搭建的系統(tǒng)如圖2所示：

??? 設(shè)計方法與實現(xiàn)步驟：
??? 整個設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法，在設(shè)計之初我們先描繪出整個設(shè)計所涉及的各個部件和功能模塊，然后在SOPC Builder中搭建各硬件模塊，各模塊通過Avalon總線有序的連接在一起。SOPC Builder的圖形可視化設(shè)計，大大的方便了系統(tǒng)硬件的設(shè)計，尤其是Avalon總線的引入可以讓設(shè)計人員從繁瑣的細節(jié)問題和代碼編寫上解放出來，將精力集中與系統(tǒng)框架的整體設(shè)計和用戶程序的編寫之上。
1．2 Nios II軟核處理器
??? Nios II是一種擁有超過200DMIPS性能的32位RISC處理器IP核，其外設(shè)與處理器本身都是使用HDL編寫的，可以在Altera幾乎所有的FPGA中實現(xiàn)。由于處理器是軟核形式，可以根據(jù)應(yīng)用的需要自由定制，滿足成本和功能的要求，因此具有很大的靈活性。Nios II系列嵌入式處理器建立在第一代16位Nios處理器的基礎(chǔ)上，使用32位的指令集結(jié)構(gòu)(ISA)，定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。Nios II處理器系列包含3種內(nèi)核：快速型(Nios II／f)、經(jīng)濟型(NiosII／e)和標準型(Nios II／s)內(nèi)核。每一種內(nèi)核都針對資源和性能作了特定的優(yōu)化。由于多媒體信息的操作對系統(tǒng)處理器運算速度有著較高的要求，所以采用了快速型的內(nèi)核。快速型內(nèi)核的處理速度最快可達到200DMIPS，工作頻率是135MHz，支持6級流水線，外部尋址空間為2GB。保證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。使用Altera的Quartus II軟件、SOPC Bulilder工具以及Nios II集成開發(fā)環(huán)境(IDE)完成了基于Nios II的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成
??? 多媒體廣告系統(tǒng)主要由上下位機通信模塊、嵌入FPGA的Nios II處理器、視頻音頻輸出模塊、下位機存儲模塊等組成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

??? 由于多媒體廣告的投放發(fā)布有實時和非實時之分，所以系統(tǒng)的工作模式也分為同步與異步兩種。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。
2．1 通信模塊
??? 模塊集成了LAN91C111 Ethernet MAC，同時使用Nios II IDE建立了基于uC／OS II操作系統(tǒng)的TCP／IPSocket server工程，該應(yīng)用工程能夠初始化IwIP(Lightweigh IP)stack，運行簡單的TCP Server。PC機通過Ethernet與下位機通信。另外在上位機上編寫了一個與下位機通信的軟件，該軟件主要是用于多媒體廣告的同步投放，以及將要用于異步投放的多媒體廣告信息下載到下位機的存儲器中。
2．2 IP核
??? IP核是知識產(chǎn)權(quán)核(Intellectual Propety Kernel)的簡稱，主要將一些在數(shù)字電路中常用的但比較復雜的功能塊設(shè)計成參數(shù)可修改的模塊，讓其他用戶可以直接調(diào)用這些模塊。本設(shè)計中主要用到了存儲控制器IP CORE和多媒體信息輸出控制器IP CORE。
2．3 SD卡的讀寫驅(qū)動模塊
??? 多媒體廣告文件的數(shù)據(jù)量較大，因此采用SD卡作為多媒體文件的存儲器。通過Nios II的I／O口與SD卡相連，采用SD模式對其進行讀寫的操作，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的4線高速傳輸。如圖5所示。

2．4 異步模式下顯示方式控制模塊
??? 為了滿足不同風格多媒體廣告的在異步模式下投放需要，將DE1平臺上的10個開關(guān)通過I／O口與Nios II連接，撥動不同的開關(guān)來設(shè)定廣告的顯示方式，從而達到更好的顯示效果，目前已實現(xiàn)的顯示方式有：組合分屏顯示、多幅圖像分屏顯示、單幅圖像循環(huán)顯示、單幅分屏顯示、單幅分屏顯示加旋轉(zhuǎn)、單幅重復顯示等。

3 結(jié)語
??? 本文設(shè)計的多媒體廣告系統(tǒng)基于Nios II處理器，易于升級、運行速度快、穩(wěn)定、功耗低，能很好的滿足戶外多媒體廣告的投放需要。