CN108986759A - 一种用于核电厂安全级dcs系统的图形显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，所述系统包括：总线接口、FGPU功能块、BUFFER0、BUFFER1；其中：总线接口用于实现系统与外部的其他处理器接口；FGPU功能块用于时序控制、绘图任务调度、控制指令状态译码，以及对LCD显示刷新控制；BUFFER0和BUFFER1用于生成图形数据，执行对静态随机存取存储器SRAM0和SRAM1的访问控制；解决了现有核电厂安全级DCS系统的图形显示控制的不足，实现了系统接口灵活，功能完善，设计开源，架构开放，硬件设计简化的技术效果。

Description

一种用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统

技术领域

本发明涉及图形显示控制领域，具体地，涉及一种用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统。

背景技术

核电厂安全级DCS系统中存在较多的为操作员提供监测系统运行的图形显示设备。这些设备需要满足友好的人机界面显示，同时还需要遵循相关法律、法规、导则及标准。现较多的使用嵌入式处理器+专用图形显示芯片的方法来实现核电厂安全级DCS系统中所需要的图形显示。这种方法面临以下几个问题包括需要依赖于具体的图形显示芯片，且成本较高；接口复杂；图形显示部分功能对应的软件无法V&V；无法灵活的定制化开发特定的显示计算功能。

发明内容

本发明提供了一种用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，解决了现有核电厂安全级DCS系统的图形显示控制的不足，实现了系统接口灵活，功能完善，设计开源，架构开放，硬件设计简化的技术效果。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，所述系统包括：

总线接口、FGPU功能块、BUFFER0、BUFFER1；其中：

总线接口用于实现系统与外部的其他处理器接口；FGPU功能块用于时序控制、绘图任务调度、控制指令状态译码，以及对LCD显示刷新控制；

BUFFER0和BUFFER1用于生成图形数据，执行对静态随机存取存储器SRAM0和SRAM1的访问控制。

其中，本发明的原理为：利用FPGA构建了一个完整的适用于核电厂安全级DCS系统用于显示的功能模块。FPGA能够设计出所有的用于控制、计算的逻辑系统，具有高速、并行等特性。具体的，本发明以FGPU为控制核心用于状态译码、调度控制，BUFFER0、BUFFER1用于驱动静态的数据存储设备并进行图形数据的生成，总线接口用于外部接口。以上几个模块配合完成了图形显示的全部功能。

进一步的，BUFFER1与BUFFER0划分为显存与绘图板，显存和画图板在图形显示中的功能为：

显存：用于存储显示屏当前需要显示的图形数据；画图板：用于存储下一幅需要显示的显示屏数据；系统运行中，BUFFER1与BUFFER0能够进行工作权限切换，交替作为显存和画图板使用。BUFFER1与BUFFER0构成了双BUFFER模式，既能保证准备图形数据与显示数据不冲突，同时能够快速的实现画面的切换动作。

进一步的，BUFFER0作画图板时，FGPU按照外部输入指令将下一幅需要显示的图形数据填入BUFFER0；BUFFER1作为显存，FGPU从BUFFER1中读取数据输出到LCD显示屏驱动；当接收到切换权限指令时，FGPU修改BUFFER1和BUFFER0的工作权限，FGPU从BUFFER0中读取数据输出到LCD显示屏驱动，FGPU按照外部输入指令将下一幅需要显示的图形数据填入BUFFER1；在工作权限切换过程中，显存数据会被拷贝到画图板中。工作权限切换时的显存与画图板间的数据拷贝操作使得画图板内的初始数据始终是显存中的数据，这样可以有效避免重复准备画图板初始数据的操作，能够降低程序复杂度、减小系统功耗。

进一步的，总线接口还用于对外部输入的地址信号、数据信号、控制信号信号进行边沿检查；用于完成从外部时钟域到本地时钟域的转换；用于完成地址译码；用于对双向数据总线的三态控制。总线接口实现了通用化的接口时钟转化、数据地址译码，能够方便的与其他控制接口互联。

进一步的，FGPU功能块需还用于对图形显示控制状态进行控制，对LCD显示刷新进行控制。

进一步的，图形显示控制状态控制包括：对来自总线接口的指令做二次译码，用以确定当前应执行的图形显示功能。本发明是一个完整的协处理功能，因此增加图形显示控制状态控制，能够使得其自身具有逻辑控制管理功能。

进一步的，图形显示控制状态机状态转换过程包括：图形显示控制状态机的状态转换过程代表了对某个特殊的绘图指令的响应与执行；空闲状态时，将会等待接受外部输入的指令，当外部输入指令满足要求时，将会根据指令的具体类型，分别跳转至FLASH数据搬运、ASCII码绘制、线条绘制以及切换buffer权限，分别实现画图、写英文字母、拷贝下装图片以及显示画面切换等功能的控制。

进一步的，图形显示控制状态机状态转换过程包括：空闲<->FLASH数据搬运；空闲<->ASCII码绘制；空闲<-〉线条绘制；空闲<->切换buffer权限。

进一步的，LCD显示刷新控制包括：异步FIFO用于调节显存读取与LCD刷新间的速率和跨时钟域处理；调色板用于像素数据转换；RGB时序发生器用于生成LCD所需的时序；背光控制用于生成调节背光的PWM信号。通过本模块实现了对LCD的有效控制。

进一步的，RGB时序发生器的时序控制信号包括帧起始信号fprame、行起始信号fpline、行内数据有效信号fprdy。RGB时序发生器严格按照LCD的要求来控制数据节拍信号。

进一步的，调色板包括：

256调色板：外部图形像素数据宽度为8位，通过本系统内置的调色板查找表生成24位或18位或16位RGB数据；

332数据转换调色板：外部图形像素数据宽度为8位，通过3-3-2格式转换成18位RGB数据；

565直接映射调色板：外部图形像素数据宽度为8位或16位，通过5-6-5格式映射为16位RGB数据。

调色板是软件使用数据与LCD显示数据转换的映射，通过以上三种方法可以满足多种应用需求。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明的工程背景为核电厂安全级DCS系统中的安全级显示单元的研制，实现了对专用图形显示芯片的替换，避免了黑盒功能的出现，同时简化了图形显示的接口时序与实现复杂度，具有以下优点：

接口灵活：可与各种处理器芯片接口；

功能完善：具备完善的控制逻辑，除实现自身控制外，还提供必要的反馈标志输出，具备完整的协处理器功能；

设计开源：采用verilog语言实现，未使用黑盒IP，方便V&V；

架构开放：图形显示控制状态机可方便增加或删除功能状态；

硬件设计简化：减少了对专用图形显示芯片的硬件设计。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中显示系统的整体架构示意图；

图2是本申请中双buffer工作权限切换过程示意图；

图3是本申请中总线接口功能示意图；

图4是本申请中图形显示控制状态机状态转换示意图；

图5是本申请中显示刷新控制执行的功能框图；

图6是本申请中RGB控制时序示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，解决了现有核电厂安全级DCS系统的图形显示控制的不足，实现了系统接口灵活，功能完善，设计开源，架构开放，硬件设计简化的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1整体架构及工作机制

系统的整体架构如图1所示，图1中，SRAM0、SRAM1构成双buffer对应的实体静态随机存取存储器。Flash对应非易失性静态存储器。LCD为显示用1024X768像素液晶显示器。SRAM0、SRAM1、Flash、LCD为本发明在工程应用中需配置的外部设备。

图1中，矩形框内部为本发明的核心部分，具体功能如下：

总线接口：实现与外部的处理器接口；

FGPU：核心控制调度及译码、LCD显示控制；

BUFFER0、BUFFER1：生成线条和ASCII码等图形数据，执行对SRAM0或SRAM1访问控制。

系统的工作机制为：

图1中，由BUFFER1、BUFFER0及FGPU构成双buffer结构。按照在图形显示中的作用，BUFFER1与BUFFER0可划分为显存和绘图板。BUFFER1、BUFFER0权限不固定。显存和画图板在图形显示中的功能如下：

显存：用于存储显示屏当前需要显示的图形数据，即当前LCD显示数据从该部件获取；

画图板：用于存储下一幅需要显示的显示屏数据，即新的图形数据将写入该部件中。

运行中，BUFFER1与BUFFER0会进行工作权限切换，交替作为显存和画图板使用，以实现显示数据准备、显示数据切换等功能。工作权限切换过程如图2所示。

图2中，左侧部分BUFFER0作画图板时，FGPU按照外部输入指令将下一幅需要显示的图形数据填入BUFFER0。此时，BUFFER1作为显存，FGPU从BUFFER1中读取数据输出到LCD显示屏驱动。

当接收到切换权限指令时，FGPU修改BUFFER1和BUFFER0的工作权限，如图2右侧所示。此时，FGPU从BUFFER0中读取数据输出到LCD显示屏驱动，此后FGPU按照外部输入指令将下一幅需要显示的图形数据填入BUFFER1。

在工作权限切换过程中，会执行一次将显存数据写入画图板的操作，以实现双buffer间的数据跟随变化。

实施例2总线接口

如图3，总线接口完成以下几项功能：

对外部输入的地址信号、数据信号、控制信号信号进行边沿检查；完成从外部时钟域到本地时钟域的转换；完成地址译码；对双向数据总线进行三态(逻辑0、逻辑1及高阻)控制。

实施例3FGPU功能块

FGPU功能块需完成以下两项功能：图形显示控制状态机；LCD显示刷新控制。

图形显示控制状态机

图形显示控制状态机执行的功能包括：对来自总线接口的指令做二次译码，用以确定当前应执行的图形显示功能。FGPU指令集合如表1所示，FGPU参数集合如表2所示，FGPU反馈参数位功能定义如表3所示。

表1 FGPU指令集

表2 FGPU参数集

表3 FGPU反馈参数位功能定义

位序	功能
		Bit 15-12	预留，值为0
Bit 11	BUFFER1的权限。0：绘图板1：显存。
		Bit 10	BUFFER0的权限。0：绘图板1：显存。
Bit 9-7	图形显示控制状态机次态值，与表中1中指令取值对应。
		Bit 6-4	图形显示控制状态机当前态值，与表中1中指令取值对应。
Bit 3	1：读Flash忙；0：读Flash空闲。
		Bit 2	1：读显存BUFFER忙；0：读显存BUFFER空闲。
Bit 1	1：写BUFFER1忙；0：写BUFFER1空闲。
		Bit 0	1：写BUFFER0忙；0：写BUFFER0空闲。

图形显示控制状态机状态转换如图4所示。

各功能状态执行完成标志如表4。

表4功能执行完成标志

LCD显示刷新控制：

LCD显示刷新控制执行内部的功能如图5所示。图5中，异步FIFO用于调节显存读取与LCD刷新间的速率和跨时钟域处理；调色板用于像素数据转换；RGB时序发生器用于生成LCD所需的时序；背光控制用于生成调节背光的PWM信号。

RGB时序发生器：

本发明输出的时序控制信号包括帧起始信号fprame、行起始信号fpline、行内数据有效信号fprdy。时序如图6所示，时序参数如表5所示。

表5 RGB时序参数表

参数名	参数值
		像素时钟	50MHz
帧扫描频率	60Hz
		TH	1094个像素时钟
THD	1024个像素时钟
		TV	776行时钟
TVD	768行时钟

背光调制：按照外部输入的背光调制的占空比，输出背光控制PWM信号。

调色板：

本发明提供以下三种方式的调色板：

256调色板：外部图形像素数据宽度为8位，通过本发明内置的调色板查找表生成24位或18位或16位RGB数据；

332数据转换调色板：外部图形像素数据宽度为8位，通过3-3-2格式转换成18位RGB数据；

565直接映射调色板：外部图形像素数据宽度为8位或16位，通过5-6-5格式映射为16位RGB数据。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，其特征在于，所述系统包括：

总线接口、FGPU功能块、BUFFER0、BUFFER1；其中：

总线接口用于实现系统与外部的其他处理器接口；FGPU功能块用于时序控制、绘图任务调度、控制指令状态译码，以及对LCD显示刷新控制；

BUFFER0和BUFFER1用于生成图形数据，执行对静态随机存取存储器SRAM0和SRAM1的访问控制。

2.根据权利要求1所述的用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，其特征在于，BUFFER1与BUFFER0划分为显存与绘图板，显存和画图板在图形显示中的功能为：

显存：用于存储显示屏当前需要显示的图形数据；画图板：用于存储下一幅需要显示的显示屏数据；系统运行中，BUFFER1与BUFFER0能够进行工作权限切换，交替作为显存和画图板使用。

3.根据权利要求2所述的用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，其特征在于，BUFFER0作画图板时，FGPU按照外部输入指令将下一幅需要显示的图形数据填入BUFFER0；BUFFER1作为显存，FGPU从BUFFER1中读取数据输出到LCD显示屏驱动；当接收到切换权限指令时，FGPU修改BUFFER1和BUFFER0的工作权限，FGPU从BUFFER0中读取数据输出到LCD显示屏驱动，FGPU按照外部输入指令将下一幅需要显示的图形数据填入BUFFER1；在工作权限切换过程中，显存数据会被拷贝到画图板中。

4.根据权利要求1所述的用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，其特征在于，总线接口还用于对外部输入的地址信号、数据信号、控制信号信号进行边沿检查；用于完成从外部时钟域到本地时钟域的转换；用于完成地址译码；用于对双向数据总线的三态控制。

5.根据权利要求1所述的用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，其特征在于，FGPU功能块需还用于对图形显示控制状态进行控制，对LCD显示刷新进行控制。

6.根据权利要求5所述的用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，其特征在于，图形显示控制状态控制包括：对来自总线接口的指令做二次译码，用以确定当前应执行的图形显示功能。

7.根据权利要求5所述的用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，其特征在于，图形显示控制状态机状态转换过程包括：图形显示控制状态机的状态转换过程代表了对某个特殊的绘图指令的响应与执行；空闲状态时，将会等待接受外部输入的指令，当外部输入指令满足要求时，将会根据指令的具体类型，分别跳转至FLASH数据搬运、ASCII码绘制、线条绘制以及切换buffer权限，分别实现画图、写英文字母、拷贝下装图片以及显示画面切换等功能的控制。

8.根据权利要求5所述的用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，其特征在于，LCD显示刷新控制包括：异步FIFO用于调节显存读取与LCD刷新间的速率和跨时钟域处理；调色板用于像素数据转换；RGB时序发生器用于生成LCD所需的时序；背光控制用于生成调节背光的PWM信号。

9.根据权利要求8所述的用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，其特征在于，RGB时序发生器的时序控制信号包括帧起始信号fprame、行起始信号fpline、行内数据有效信号fprdy。

10.根据权利要求8所述的用于核电厂安全级DCS系统的图形显示系统，其特征在于，调色板包括：

256调色板：外部图形像素数据宽度为8位，通过本系统内置的调色板查找表生成24位或18位或16位RGB数据；

332数据转换调色板：外部图形像素数据宽度为8位，通过3-3-2格式转换成18位RGB数据；

565直接映射调色板：外部图形像素数据宽度为8位或16位，通过5-6-5格式映射为16位RGB数据。