基于OMAP3530双核处理器的液晶视力测试仪研制
时间：2020-09-19 07:58:43 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘 要 针对传统视力表及视力投影仪在视力测试时存在的问题，以美国德州仪器公司最新的双核处理器OMAP3530为核心，设计新型液晶视力测试仪，并对设计中涉及的一些关键问题进行讨论。由于采用LCD旋光器，使显示偏振图像成为可能，很好地满足视力测试的不同要求。介绍基于TI OMAP3530平台的液晶视力测试仪硬件和软件设计，重点讨论嵌入式Linux红外遥控驱动程序。
关键词 OMAP3530 液晶视力测试仪 嵌入式Linux 红外驱动
视力测试设备是现代眼科医学检查中不可或缺的装置。传统视力测试设备采用固定显示方式，只能显示大小和内容确定的视标，在实际使用时存在如下问题：（1）不能满足不同人群的视力测试要求；（2）视力测试要求测试距离和视标大小之间满足确定的对应关系，但在某些使用场合（如眼镜店）中，由于条件受限，视标的不可变性将使得此要求无法实现；（3）立体视力测试时，需要用到视标偏振功能，固定视标通常达不到此要求。
目前，市场上采用不同设计方案的液晶视力测试仪大致可分成2类：一类是在PC基础上直接添加应用软件的方式，这种方式产品体积较大，在实际使用中有较多不便之处；另一类是采用嵌入式处理器，采用嵌入式操作系统，在实际产品中使用较为广泛。国内产品中由于普遍采用普通液晶屏，无法实现偏振效果，都是采用红绿片模拟偏振。
针对传统视力测试设备存在的问题和市场上同类产品存在的某些缺陷，本方案以美国德州仪器公司最新的双核处理器OMAP3530为核心，对液晶视力测试平台的开发问题进行讨论。
本方案中，在机器SD卡上存储大量图片供软件调用，以解决不同人群视力测试的要求；在图像格式上采用SVG格式的矢量图，图像可以无级缩放而不出现失真，以符合不同场合的使用，解决不同场合的测试要求；为达到显示偏振图像的目的，硬件上采用液晶旋光器，较好地完成这一功能。
1 系统方案
OMAP3530（Open Multimedia Applications Platform，开放式多媒体应用平台处理器）由 65nm 低功耗工艺制造，内部集成4倍于当前 300 MHz ARM9 器件处理能力的600 MHz Cortex-A8 弹性内核和430 MHz 的TMS320C64x+™ DSP内核。ARM+DSP 的双核结构成功地解决性能与功耗之间最佳组合问题，使操作系统效率更高，达到优化代码执行的目的。OMAP3530具有优异的视频处理能力，借助 ARM对多种操作系统支持，可以方便地编辑操作界面，适合液晶视力表的开发。
图1为系统框图。系统采用红外遥控方式接收控制指令，SD卡用于存储各种图片源及配置信息。OMAP3530根据不同指令，在SD卡中读取图片源，进行放大/缩小、旋转、着色、偏振方向设置等处理，最终通过TFT/DVI LCD接口显示；LCD旋光器则起到改变光线偏振方向的效果。
2.2 偏振功能实现
液晶显示器发射光是水平方向的单向偏振光。根据液晶显示原理可知，在液晶涂层不加电压时，液晶显示器可将入射光偏振方向偏转90°，即具有旋光功能；而在加电压后则保持原来的水平偏振光。
为实现不同的偏振角度，采用双层LCD结构，即在LCD显示屏上覆盖一块相同大小的液晶板。在需要水平偏振光时，给像素加电压使光线按原有偏振方向发射；在需要垂直偏振光时，去除像素上的电压，改变光线偏振方向，产生旋光功能。图像输出和旋光器输出2者分时切换、准确配合，就可得到不同偏振方向的图像（见图3）。旋光器的原理框图（见图4）。
旋光LCD的控制逻辑由Altera的EPM240T100产生（控制信号HSYNC， VSYNC， DE，D[0...23]）；逻辑切换由OMAP3530的GPIO148引脚的高低电平指示输出。当GPIO148为高电平时，D[0...23]输出全1，控制电压加于旋光LCD的每个像素点上，偏振光线按原来的偏振方向直接送出；当GPIO148为低电平时，D[0...23]输出全0，旋光LCD的每个像素点上均不加电压，LCD的输出偏振光线将旋转90°。
旋光LCD采用不带驱动电路的液晶板，故在液晶板和TFP410间加入GM5221作为液晶LVDS驱动电路。GM5221是GENESIS多功能LCD控制器，可将DVI/VGA/BT656视频信号通过内置LVDS驱动口驱动LCD。
上述实现方式经用目前市场上流行的60Hz刷新率显示屏测试，显示效果良好。
2.3 红外遥控电路设计
本设备采用红外遥控实现LCD屏幕显示内容的切换（见图5）。
红外接收器送出5V电平信号，与OMAP3530支持的电平不匹配，须经过5V/1.8V的电平转换网络。
2.4 低功耗设计
为降低功耗，适应手持便携设备的需要，采用最新的SmartReflexTM技术。该技术可根据设备工作情况、工作模式、工艺技术及温度变化等因素，实时动态地调整系统电压、频率与功耗。为实现电压的动态调整，采用电源控制芯片TPS65930对整机功耗进行管理。 TPS65930 除对主芯片和外围电路供电外，还通过IIC总线与 OMAP3530进行电压控制信息的交换。
3 系统软件设计
软件设计是本方案的重点之一，软件设计的优劣对系统运行是否稳定起到决定性作用。本系统的软件结构框图（见图6）。
本系统软件以Linux操作系统作为开发平台，Linux操作系统具有开源、兼容性好、可移植性好等特点，在嵌入式平台上得到广泛应用。在Linux环境下，嵌入式系统软件设计包括驱动程序和应用程序2部分，其中驱动程序是针对特定设备提供给应用程序的一组标准化接口；应用程序构筑在内核之上，驱动程序可视为内核的一部分，本方案应用程序以QT为基础进行开发。
红外遥控程序的优劣对系统整体性能有着极大影响，下面将对其做详细讨论，并简单地介绍应用软件的设计。
3.1 驱动设计
红外接收器的红外指令处理性能直接关系到平台所允许的灵敏度和稳定性，最终影响到用户体验的舒适度。
红外遥控接收端通过一体化接收头接收红外信号，解调后送给CPU内负责红外接收通信的模块。该模块通过测量2个沿之间的时间长度，将脉宽数据（9ms、4.5ms、560μs等数值）记录在模块内的FIFO（硬件）；FIFO中有数据时即可产生中断；驱动程序响应中断，从FIFO中读取脉宽数据存入内存缓冲区中，根据脉宽组合解码。
Linux相关机构LIRC project（Linux Infrared Remote Control）针对红外遥控提供LIRC软件包，供开发者进行二次开发。软件包中包括开源代码及针对不同接口硬件的驱动程序、后台程序和应用程序。后台程序通过socket将驱动程序解码信息发送至应用程序，只需更改配置文件就能适用于不同协议的遥控器。这种架构模式具有移植方便的优点，但应用比较复杂、程序代码量大，对于某些资源紧张的嵌入式平台，可能出现系统响应不及时和不稳定等问题。本设计采用Linux字符设备驱动程序设计标准，针对嵌入式系统加入有效的内核机制，实现嵌入式Linux下通用红外遥控驱动的设计。
从总体上看，驱动程序可分为2部分：（1）驱动与内核接口层。主要完成在模块加载时向内核注册驱动，以及实现虚拟文件系统的设备接口操作。对于采用中断处理的设备，此部分还包括中断处理函数的注册与注销，用于硬件中断资源的申请和释放。（2）硬件设备接口层。主要包括硬件初始化，以及设备的读写访问和中断处理。可以把它理解为对硬件设备的实际操作。
Linux设备驱动程序分3种：字符设备、块设备和网络设备。红外设备属于字符设备，字符设备驱动的加载主要由3部分组成：（1）向内核注册字符设备；（2）初始化硬件；（3）申请中断资源。
在模块加载成功，并开中断后，FIFO产生中断，进入中断处理例程。中断处理例程负责将有关中断接收的信息反馈给设备，并根据正在服务的中断含义处理数据。
中断处理例程将FIFO中数据储存到缓冲区链表中，然后唤醒读取进程。读取进程与驱动的接口是optometer_remotectrl_read函数。由于缓冲区链表的数据是脉宽数值而不是遥控码，所以需要一个始终运行的后台进程，将这些脉宽数据翻译成遥控码值。为简化软件架构，节省嵌入式处理器资源，在驱动程序内开辟一个键值缓冲区，先完成译码再让应用程序读取。
3.2 应用程序设计
应用程序设计基于GUI进行。为加快开发进度，选择成熟的Qt4 GUI框架作为开发工具。Qt是挪威Trolltech公司产品，作为跨平台的应用程序框架，是开源桌面系统KDE的基石。Qt的跨平台是源码级，只需重新编译，所开发的应用程序就可以移植到不同平台（包括嵌入式平台）。
Qt4较以前版本有进一步改进，增加对矢量图形SVG的支持，可把图像任意放大和缩小而不至失真。本设计需要根据测试距离的长短来任意调整图像大小，这一点至关重要。本设计的应用程序在Linux环境下用C++开发而成。
4 结束语
本文介绍基于OMAP3530低功耗嵌入式MCU的液晶视力表设计（见图8），具有功耗小、便携性好的优点。该测试仪可实现不同视力图标的切换，可根据设定的测试距离改变图标尺寸，同时具有偏光图标功能，很好地解决传统视力仪存在的问题，结束国外厂商对同类产品市场垄断，让国人可以以较低价格买到相同功能的产品，性价比较高。测试仪操作方便、体积小、成本低、功耗小、便携性好，在眼科有广泛的应用，以及良好的市场价值。本液晶视力表投产后，运行稳定可靠，获得市场认可。
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