基于FPGA和IP核的数码相框的设计和实现

　　数码相框作为一种数码消费品和装饰品的结合物，在市场上受到越来越多的关注。目前的数码相框方案多采用MCU为核心的架构，相框功能固定，不便于产品升级。针对以上问题，本文设计了基于Nios II的多功能数码相框，该相册主要包含以下功能：支持包括BMP、JPEG在内的多种常见文件格式的图像显示；图像旋转、缩放、浏览切换等特效；支持图片浏览时背景音乐播放；可通过带FAT文件系统的SD卡进行图像数据更新，同时还具有时间显示等扩展功能。系统中将需要耗费大量时间的复杂操作（如图像解码、图像的各种特效功能以及SD卡控制）用挂载在Avalon总线上的自定义模块实现。缩短了处理时间，提高了系统响应速度。系统采用基于Nios II处理器的SoPC技术，使得该数码相框具有灵活性高、可重配置、便于升级等优点。

　　1 总体设计

　　本系统采用经济型的Cyclone II FPGA芯片作为核心，基于Nios II软核处理器，采用软硬件结合的方式设计实现。系统的硬件总体框图如图1所示。

　　

　　SD卡作为文件存储介质，用于存放音频与图像文件，编写SD卡控制器对SD卡进行读写控制；采用LCM显示屏作为数码相框的显示界面，SRAM作为LCM的显示缓存，存储图像数据供LCM刷新，并由LCM_SRAM IP核控制图像的显示；SDRAM为Nios II软核程序运行空间；EPCS对FPGA进行配置；Flash用来存储软件代码和数据。

　　2 功能模块设计

　　根据数码相框所要实现的功能，设计了如下模块：

　　2.1 LCM_SRAM IP核设计

　　该模块主要功能是图像数据存储、LCM参数配置以及图像的缩放、旋转、切换效果控制等。以硬件方式实现图像切换效果，提高实时性的同时降低对CPU的依赖。

　　2.1.1 切换特效实现

　　设计中通过控制LCM读取SRAM的地址实现不同的图像切换效果，如上方切入、下方切入、百叶窗、菱形等八种方式循环出现。切换时，LCM上同时存在新旧两幅图像的数据，因此，缓存中需要存储这两幅图像的数据。以百叶窗效果为例，每行以16个像素作为间隔，将LCM的每一行分割成20个条形区域。如图2所示，第i行被分割后，第一个区域的像素点为n1~n16，最后一个区域为m1~m16.每个条形区域中，新图像的数据逐渐向右覆盖旧图像数据，从而形成百叶窗效果。具体实现过程为：在第一次刷新时，每行的各个条形区域的第一个像素点（n1，…，m1）读取新图像的数据，各区域其他像素点（n2~n16，…，m2~m16）仍然读取旧图像的数据；第二次刷新时，每行各个条形区域的前两个像素点（n1、n2，…，m1、m2）读取新图像数据，其他像素点（n3~n16，…，m3~m16）仍读取旧图像的数据。屏幕刷新16次则可实现百叶窗切换效果。图2中每个圆点代表显示屏的一个像素点。