0 引言
數碼相框是時尚的電子消費品，也是家庭必備的裝飾品，是一種以存儲、回放和瀏覽數碼照片為核心功能的電子產品。目前，市場上數碼相框大多是以單芯片為解決方案，以ESS／AML0GIC／MPX芯片設計為代表，就其設計流程而言，不存在嚴格意義上的硬件設計而只有軟件設計。硬件系統的核心器件是現成的，功能是確定的，結構是固定的，指令系統是不可更改的，從而導致硬件組織方案和連接方案是限定的。因此，要想對系統功能有大的升級或擴展，靠簡單的固件升級是不行的，必須采用更好的核心器件，設計全新的硬件系統。
本文采用了基于NiosⅡ軟核處理器的SOPC技術來實現數碼相框的設計，從根本上改變了傳統設計方案的不足。NiosⅡ軟核嵌入式處理器是Altera公司提供的SOPC解決方案。NiosⅡ是一種可配置的16／32位RISC處理器，它結合豐富的外設、專用指令和硬件加速單元可以低成本地提供極度靈活和功能強大的SOPC系統，開發者可以根據實際需要自行整合。SOPC技術在電子設計上給出了一種同時涉及底層的硬件系統設計和相應的軟件設計，在系統優化方面有了前所未有的自由度，使得從多角度、多因素和多結構層面上大幅度優化自己的設計成為可能。當電路有少量改動時，更凸現出其優勢，可以延長該產品在市場上的壽命，大大提高多功能數碼相框的性能。
1 系統總體架構設計及系統硬件設計
基于NiosⅡ的SOPC嵌入式系統開發，主要由三部分組成：IP庫(Nios軟核處理器，Avalon總線，外圍設備接口等)，SOPC Builder開發工具，CNUPro軟件編譯器。另外，使用NiosⅡ進行嵌入式設計在硬件上必須使用Altera公司的FPGA，本文中的設計使用的是Altera的Cyclone系列芯片的EPlCl2Q240C8芯片。
多功能數碼相框主要實現以下功能：能清晰地顯示JPEG圖片的自動播放及其縮略圖式瀏覽；多區播放或者畫中畫多種顯示方式；圖片的即時編輯與裁剪(旋轉、美化)；具有出色的視聽娛樂功能，能播放MP3、MP4音頻文件，實時字幕滾動疊加；文件和文件的瀏覽及其對USB接口和SD卡的支持；多種附加功能時鐘，萬年歷等。
數碼相框從CPU的總體結構到局部功能的實現上需要有時鐘電路，CPU，RAM及RAM控制器，FLASH及FLASH控制器，SD卡及SD卡控制電路，
USB接口及USB接口控制器，液晶屏及液晶顯示器驅動電路，DMA控制器，音頻驅動及音頻控制電路，定時器模塊，系統硬件結構圖如1所示。
整個設計采用自上而下的設計方法，在SOPCBuilder中搭建系統硬件模塊，將所需的各功能模塊通過Avalon總線集成，這樣系統的穩定性更高。除顯示驅動模塊、音頻控制模塊和SD卡控制模塊、USB接口控制模塊外，其他模塊都可以從SOPC Builder中添加IP核構建。
2 LED背光設計
LCD面板是數碼相框的主要組成部分，它帶有用于背光照明的白光LED，LM27313已被大量用于白光LED BLU解決方案。圖2顯示了用于8英寸數碼相框LCD的白光LED背光電路。
在設計LED背光驅動電路時，LED是電流驅動型器件，為保證光照強度并提高LED的使用壽命，最重要的問題是在LED正向偏置時保持恒流。由于大多數 LED模塊是通過一個連接器與主板相連的，LM27313在輸出時會因誤操作或LED模塊受損而開路，誤差放大器的負輸入端沒有信號，輸出電壓將會無限制地上升，這將造成毀滅性后果，損壞LM27313或輸出二極管。為解決這一問題，在圖2中加入了一個過電壓保護電路。在圖2中，電阻器R1和R2通過向誤差放大器引腳(FB)饋送輸出電壓，確保恒定輸出電壓不會無限上升。
調光控制是指根據客戶的喜好控制顯示器光照強度。可以通過開／關 LM27313來控制LED的開關，而對LM27313的開關控制可通過在SHDN引腳上應用脈沖寬度調制(PWM)得以實現。脈沖頻率必須超過20 kHz，低于20 kHz的頻率會使電路輸出端的多層陶瓷電容器產生波形振蕩，從而產生可聽噪聲。
3 LCD典型電源偏置電路設計
面向LCD平板電源的DC／DC轉換中采用了美國國家半導體擁有的最佳的電源解決方案LM2622。在用于數碼相框的典型LCD平板顯示器中，輸入電源電壓約為+5．O V。必須提供若干不同的電壓，以使顯示面板通過該輸入電壓實現最佳性能，通常情況下需用到升壓轉換器?？梢岳肔M2622在+5．0 V輸入電壓下提供若干不同的輸出電壓。圖3中的電路顯示了應如何配置LM2622，以提供+8 V，-8 V和+23 V的輸出電壓，這對于偏置TFT顯示器而言是非常方便的。
4 USB接口模塊設計
隨著通用串行總線(USB)技術的飛速發展和應用領域不斷擴大，已經實現了脫離PC而實現USB的點對點的數據傳輸，嵌入式USB主機能夠脫離PC完成 USB的點對點的數據傳輸。本系統采用的是NiosⅡ+USB接口芯片的方案，USB串行接口可以作為NiosⅡ的一個外設，接口芯片采用的是 Cypress公司生產的SL811HS為主控制器的USB Host／Slave接口芯片。設計的原理方案圖如圖4所示。
SL811HS 主控制器接口提供8位的數據總線及一些控制信號，如讀寫、片選等與外部CPU或微控制器進行連接。并且，L811HS接口為外部提供簡單的地址線A0，支持可編程I／O或存儲器映射設計。通過對SL811HS的讀寫時序與Avalon總線讀寫時序的分析，采用了SL811HS中的A0尋址模式與 Avalon總線的“具有一個固定等待的從端口讀／寫傳輸”時序，SL811HS的地址和數據均通過D[7．．O]分時傳輸，通過A0(數據／地址選擇線)電平的高低加以區分。當A0置為低電平時，D[7．．O]上傳輸的是SL811HS片內寄存器／緩沖區的地址，反之高電平則為數據。在A0模式下，SL8llHS正常的讀寫操作支持地址自動加1模式，即在此模式下微控制器只設置地址僅僅一次，緊接下一個時鐘的讀寫操作SL811HS內部地址指針將會自動跳到下一個數據位置。nWR，nRD，nCS，nRST分別為寫控制線、讀控制線、片選線和復位線，均是低電平有效，NiosⅡ通過這幾根控制線完成對SL811HS片內緩沖區讀寫、片選和復位等操作。INTRQ是中斷請求信號線。當SL8llHS檢測到外設插入、拔出或者數據發送錯誤、超時、數據溢出等異常情況時，通過將INTRQ置高電平通知NiosⅡ。Avalon總線為用戶提供了非常友好的接口，在SL811HS與Avalon總線的接口轉換Verilog代碼中，只需建立SL81lHS端口與Avalon總線端口的映射關系即可。如圖5所示。
5 系統軟件設計部分
對基于NiosⅡ的SOPC系統進行編譯并下載到FPGA中生成硬件系統，同時SOPC Builder幫助用戶生成相應的SOF文件，在此基礎上，開始系統軟件的設計。本系統軟件部分是在Altera公司提供的軟件集成開發工具IDE中，以 C語言形式，在硬件抽象層(HAL)函數支持下設計的。
軟件的開發順序為：硬件驅動程序一操作系統移植→建立文件系統→應用程序設計。系統軟件開發均在NiosⅡ集成的μC／OS-Ⅱ操作系統上完成。在多功能數碼相框系統中建立了Task_Main(主控任務)、Task_Gui(GUI 圖形化人機交互界面顯示任務)、Task_Music(音樂播放控制任務)等三個任務。利用消息郵箱機制，μC／OS-Ⅱ操作系統對這三個任務進行調度管理。
為了實現系統所需要的圖形人機界面，還必須在系統開發平臺進行嵌入式用戶圖形系統的設計，從而建立一個滿足實時性和快速性的人機交互系統。圖形用戶界(Graphical User InteRFace)一直是計算機的重要組成部分，對于嵌入式系統而言也是如此。在嵌入式GUI方面選擇了Micrium公司開發的通用嵌入式圖形用戶界面軟件μC／GUI，它是μC／OS-Ⅱ操作系統的專用GUI，可以實現與μC／OS-Ⅱ實時操作系統的完美結合。
6 結語
該系統的所有硬件結構都是在SOPC下集成的，具有的好處在于硬件的可重構與可重配置，并且采用從上而下的設計流程使得系統設計周期大大縮短。還介紹了包括 LCD背光電路，電源偏置電路，及USB接口模塊的詳細設計。利用NiosⅡ軟核處理器與Avalon總線的仲裁機制和嵌入到NiosⅡ中的操作系統，完成了各個功能模塊的任務調度，穩定與提高了整個系統的性能，簡化了系統的設計，為家用電子產品領域的開發和應用開辟了新的途徑。