Đồ Án Thiết kế hệ thống hiển thị video trên bảng LED đa sắc – hỗ trợ Flash USB, thẻ nhớ SD và giao tiếp Et

Mục lục
Lời nói đầu . 3
Tóm tắt đồ án . 5
Mục lục . 7
Danh mục hình vẽ 10
Danh mục bảng biểu 12
Danh sách từ viết tắt 13
Chương 1. Giới thiệu chung . 15
1.1 Mục đích . 15
1.2 Mô hình tổng quan hệ thống . 16
1.3 Yêu cầu của hệ thống 17
1.3.1 Yêu cầu chức năng . 17
1.3.2 Yêu cầu phi chức năng . 17
1.4 Sơ đồ khối và chức năng từng khối của hệ thống . 18
1.4.1 Sơ đồ khối hệ thống . 18
1.4.2 Chức năng từng khối 18
1.5 Tổ chức công việc trong nhóm 19
1.6 Tóm tắt nội dung các chương 20
Chương 2. Giới thiệu công nghệ FPGA và đánh giá các giải pháp khả thi . 22
2.1 Giới thiệu chung . 22
2.2 Kit DE2 và các công cụ sử dụng . 24
2.2.1 Tài nguyên phần cứng 25
2.2.2 Vi xử lý mềm Nios II . 26
2.2.3 Các công cụ hỗ trợ . 28
2.3 Quy trình thiết kế hệ thống Nios II 31
2.4 Phân tích, đánh giá các giải pháp thiết kế hệ thống . 34
Chương 3. Triển khai và ứng dụng hệ điều hành uClinux trên kit DE2 . 36
3.1 Tổng quan hệ điều hành nhúng uClinux [5] 36
3.1.1 Lịch sử phát triển hệ điều hành nhúng uClinux 37
3.1.2 Kiến trúc hệ điều hành uClinux [5] 38
3.2 Các đặc điểm của hệ điều hành uClinux . 39
3.2.1 Ưu điểm và nhược điểm của hệ điều hành uClinux 39
3.2.2 Đơn vị quản lý bộ nhớ MMU . 39
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 2012
8
3.2.3 Runtime linker and loader 41
3.2.4 Ethernet . 42
3.2.5 Các thư viện được sử dụng để phát triển hệ điều hành uClinux 43
3.2.6 Driver của các ngoại vi 43
3.2.7 Mã nguồn hệ điều hành uClinux . 44
3.3 Biên dịch mã nguồn hệ điều hành uClinux 46
3.3.1 Toolchains . 46
3.3.2 Tạo file ảnh zImage . 47
3.3.3 Quá trình khởi động nhân Linux 48
3.4 Xây dựng hệ thống uClinux . 50
3.4.1 Cấu hình tích hợp hệ thống 50
3.4.2 Khái niệm về device driver 54
3.4.3 Thêm một driver đơn giản 55
3.4.4 Tích hợp gói driver điều khiển ngoại vi 57
3.4.5 Xây dựng ứng dụng 60
3.5 Kết luận 61
Chương 4. Giao tiếp với thẻ nhớ SD và Flash USB 62
4.1 Lý thuyết về định dạng FAT [7] 62
4.1.1 Đơn vị dữ liệu 63
4.1.2 Cấu trúc dữ liệu [8] 63
4.1.3 LBA và CHS 65
4.2 Giao tiếp thẻ nhớ SD/MMC 66
4.2.1 Sơ đồ chân . 66
4.2.2 Các thanh ghi . 67
4.2.3 Các lệnh giao tiếp SD card . 67
4.2.4 Một số thủ tục với SD card . 69
4.3 Giao tiếp flash USB 71
4.4 Cấu hình sử dụng flash USB và thẻ nhớ SD với uClinux . 74
4.4.1 Tích hợp driver USB (ISP1362) [19] 74
4.4.2 Tích hợp SD card (SPI) [20] 76
4.5 Kết luận 77
Chương 5. Truyền video từ PC xuống kit FPGA qua mạng LAN . 78
5.1 Lý do lựa chọn giao thức 78
5.2 Lý thuyết cơ sở về giao thức RTP 79
5.2.1 Tổng quan về giao thức 79
5.2.2 Các định dạng của Payload và Profile [10] . 80
5.2.3 Cấu trúc tiêu đề gói tin RTP . 81
5.3 Cấu trúc cổng Ethernet . 83
5.3.1 Sơ lược về hệ thống Ethernet . 83
5.3.2 Cấu trúc cổng Ethernet . 84
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 2012
9
5.4 Giới thiệu công cụ VLC và Wireshark . 86
5.5 Thư viện lập trình socket . 87
5.5.1 Giới thiệu chung [11] . 87
5.5.2 Socket API . 88
5.6 Xây dựng chương trình nhận video trên kit . 89
5.6.1 Truyền video giữa hai PC . 89
5.6.2 Xây dựng chương trình trên kit 90
5.7 Kết luận 91
Chương 6. Thực hiện khối giải mã JPEG và hiển thị video trên màn hình . 92
6.1 Mục đích của khối giải mã JPEG 92
6.2 Cấu trúc ảnh nén JPEG [13] 92
6.2.1 Cấu tạo header . 93
6.2.2 Các khâu thực hiện với ảnh mã hóa JPEG 94
6.3 Thực hiện khối giải mã ảnh . 98
6.3.1 Tổng quan khối giải mã 99
6.3.2 Sơ đồ khối 101
6.3.3 Kết quả mô phỏng 103
6.4 Kết luận 105
Chương 7. Kết quả nghiên cứu, kết luận và hướng phát triển đề tài . 106
7.1 Kết quả đạt được . 106
7.1.1 Nhúng hệ điều hành uClinux và giao tiếp với USB, thẻ nhớ SD . 106
7.1.2 Xây dựng chương trình truyền file xuống kit qua mạng LAN . 106
7.1.3 Xây dựng khối giải mã JPEG . 106
7.2 Kết luận 106
7.3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 107
Tài liệu tham khảo . 108
Bảng đối chiếu thuật ngữ Anh - Việt 110
Phụ lục . 112
Phụ lục 1: Chương trình đọc file MJPEG từ một phân vùng trong uClinux và
truyền tới khối hiển thị . 112
Phụ lục 2: Chương trình đọc file trong thẻ nhớ SD 114
Phụ lục 3: Chương trình convert chuỗi ảnh JPEG thành file MJPEG 117
Phụ lục 4: Cấu hình cho các driver ngoại vi trong hệ thống uClinux . 118
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 2012
10
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1 Mô hình tổng quan hệ thống 16
Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống 18
Hình 2.1 Kiến trúc cơ bản của FPGA [1] . 23
Hình 2.2 Kit phát triển DE2 . 24
Hình 2.3 Sơ đồ khối của kit DE2 [2] 25
Hình 2.4 Kiến trúc cơ bản của vi xử lý Nios II [3] . 27
Hình 2.5 Phần mềm Quartus II 28
Hình 2.6 Công cụ SOPC Builder – xây dựng hệ thống Nios II . 29
Hình 2.7 Công cụ Nios II Command Shell . 30
Hình 2.8 Trình soạn thảo và biên dịch phần mềm Nios II for Eclipse 30
Hình 2.9 Quy trình thiết kế hệ thống Nios II [3] 32
Hình 3.1 Một số thiết bị ứng dụng hệ điều hành uClinux . 36
Hình 3.2 Bộ nhớ ảo và bộ nhớ vật lý trên hệ điều hành Linux [8] 40
Hình 3.3 Ethernet trong uClinux 42
Hình 3.4 Cấu trúc thư mục của gói mã nguồn uClinux-dist 45
Hình 3.5 Cấu trúc thư mục trong ROM 46
Hình 3.6 Lưu đồ quá trình khởi động . 49
Hình 3.7 Giao diện make menuconfig 51
Hình 3.8 Giao diện Kernel/Library/Defaults Selection . 52
Hình 3.9 Giao diện khi khởi động uClinux 53
Hình 3.10 Cách lựa chọn biên dịch module hello3 . 56
Hình 3.11 Kết quả thêm module hello3 . 57
Hình 3.12 Cách lựa chọn biên dịch gói các ngoại vi 59
Hình 3.13 Cách lựa chọn ứng dụng người dùng hello1 60
Hình 3.14 Kết quả thêm ứng dụng người dùng hello1 61
Hình 4.1 Cấu trúc phân vùng trong định dạng FAT . 63
Hình 4.2 Lưu trữ của một file trong FAT [8] . 65
Hình 4.3 Cấu tạo chân thẻ nhớ SD . 66
Hình 4.4 Quá trình khởi tạo thẻ nhớ SD . 69
Hình 4.5 Quá trình chuyển chế độ data tranfer . 70
Hình 4.6 Quá trình đọc 1 block trong SD card . 70
Hình 4.7 Giao tiếp giữa khối vi xử lý và chip ISP 1362 [15] 71
Hình 4.8 Sơ đồ khối các thành phần ISP 1362 [15] 72
Hình 4.9 Chu kì truy cập thanh ghi 32 bit mode . 73
Hình 4.10 Ví dụ đọc dữ liệu thanh ghi 32 bit. . 73
Hình 4.11 Kiến trúc phân tầng software cho giao tiếp USB . 74
Hình 4.12 Đọc file text trong USB . 75
Hình 4.13 Đọc file text trên thẻ SD 76
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 2012
11
Hình 5.1 Quá trình truyền video từ PC xuống kit . 78
Hình 5.2 Cấu trúc tiêu đề gói tin RTP 81
Hình 5.3 Tiêu đề mở rộng của gói tin RTP 82
Hình 5.4 Sơ đồ chân cổng Ethernet 84
Hình 5.5 Giao diện phần mềm VLC 86
Hình 5.6 Bắt gói tin RTP bằng WireShark . 87
Hình 5.7 Mô hình phân lớp OSI và mô hình TCP/IP 88
Hình 5.8 Cấu trúc gói tin RTP được truyền đi 89
Hình 5.9 Quá trình khởi tạo và nhận dữ liệu của socket . 90
Hình 6.1 Cấu trúc khung của định dạng JPEG [13] 93
Hình 6.2 Một MCU với tỉ lệ lấy mẫu 4:2:0 [13] . 95
Hình 6.3 Lượng tử hóa ảnh DCT và quét zigzag [14] 97
Hình 6.4 Header của một ảnh JPEG [14] . 98
Hình 6.5 Sơ đồ các cổng vào ra . 100
Hình 6.6 Sơ đồ tín hiệu đầu vào . 101
Hình 6.7 Sơ đồ khối giải mã JPEG 101
Hình 6.8 Khối hiển điều khiển hiển thị 103
Hình 6.9 Kết quả mô phỏng các tín hiệu trên Modelsim 104
Hình 6.10 Kết quả đầu ra khi mô phỏng với Modelsim 105
Hình 7.1 Tài nguyên sử dụng của hệ thống 107