第３６卷㊀第２期
２０２１年２月㊀㊀
㊀㊀㊀
㊀㊀液晶与显示
㊀㊀㊀C h i n e s e J o u r n a l o fL i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a y
s ㊀㊀㊀㊀㊀
V o l ．３６㊀N o ．２
㊀F e b ．２０２１
㊀㊀收稿日期:２０２０Ｇ０７Ｇ３０；修订日期:２０２０Ｇ０９Ｇ２６．
㊀㊀基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金(N o ．０１７７０３２７)；中国海事局科技专项基金(N o ．０７１６Ｇ１３４００００３N ００８
)S u p p o r t e db y S p e c i a lF u n df o rB a s i cS c i e n t i f i cR e s e a r c hB u s i n e s sE x p
e n s e so fC e n t r a lU n i v e r s i t i e s (N o ．０１７７０３２７);S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y F u n d o
f C h i n a M a r i t i m e S a f e t y A
d m i n i s t r a t i o n (N o ．０７１６Ｇ１３４００００３N ００８
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．c o m 文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０２１)０２Ｇ０２８７Ｇ０６
基于嵌入式A n d r o i d 的L E D 智能玻璃显示设计
熊木地∗，郭俞君，张㊀坤，李㊀琎
(大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连１１６０２６)
摘要：本文提出将A n d r o i d 嵌入式技术和互联网技术相结合的L E D 智能玻璃显示设计，实现用户与显示屏之间实时互动.本系统采用搭载A n d r o i d 操作系统的C P U＋F P G A 双核架构，通过开发A n d r o i d 系统应用软件,
使用无线网来实现L E D 智能玻璃显示屏与移动终端的网络通信.在A n d r o i d 系统源码的基础上，增加了采用 总线Ｇ设备Ｇ驱动 模型构建的L C D 显示驱动以及映射数据发送驱动，采用设备树描述设备信息，减少了大量代码冗余，并在A n d r o i d 系统中编写J N I 方法供A n d r o i d 应用程序调用.采用J a v a 语言进行A n d r o i d 系统应用软件开发.使用S o c k e t 网络编程来实现L E D 智能玻璃显示屏与移动终端的网络通信.此系统具有较好的易用性和可移植性，给产品应用带来了方便，提高了施工效率.
关㊀键㊀词:L E D 智能玻璃显示；嵌入式A n d r o i d ；驱动移植；设备树;S o c k e t 网络编程中图分类号:T N ８７３㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７１８８/C J L C D．２０２０Ｇ０２０１
D e s i g no fL
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D a l i a n １１６０２６,C h i n a )A b s t r a c t :T h eL
E Ds m a r t g l a s s d i s p l a y d e s i g n i s p r o p
o s e d ,w h i c hc o m b i n e sA n d r o i de m b e d d e d t e c h Ｇn o l o g y a n d I n t e r n e t t e c h n o l o g y ,r e a l i z e s t h e r e a l Ｇt i m e i n t e r a c t i o n b e t w e e n p e o p l e a n d s c r e e n ．T h i s s y
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s Ｇt e ms o u r c e c o d e ,t h i s s y s t e ma d d s t h eL C Dd i s p l a y d r i v e r a n dm a p p i n g d a t a t r a n s m i s s i o nd r i v e r u s i n g
t h e b u s Ｇd e v i c e Ｇd r i v e r m o d e l ．D e v i c e t r e e i s u s e d t od e s c r i b e d e v i c e i n f o r m a t i o n ,w h i c h r e d u c e s a l o t o f c o d e r e d u n d a n c y ．J N Im e t h o d i sw r i t t e n i nA n d r o i d s y s t e mf o rA n d r o i d a p p l i c a t i o n p r o g
r a mt o c a l l ．J a v a l a n g u a g e i s u s e d f o rA n d r o i d s y s t e ma p p l i c a t i o n s o f t w a r e d e v e l o p m e n t ．S o c k e t n e t w o r k p r o g r a m Ｇm i n g i s u s e d t o r e a l i z e t h en e t w o r kc o mm u n i c a t i o nb e t w e e nL E Ds m a r t g l a s sd i s p l a y a
n dm o b i l e t e r Ｇ. All Rights Reserved.
m i n a l．T h i s s y s t e mh a s g o o d e a s e o f u s e a n d p o r t a b i l i t y,w h i c hb r i n g s c o n v e n i e n c e t o p r o d u c t a p p l i c aＧt i o na n d i m p r o v e s c o n s t r u c t i o ne f f i c i e n c y．
K e y w o r d s:L E Ds m a r t g l a s sd i s p l a y;e m b e d d e dA n d r o i d;d r i v e rm i g r a t i o n;d e v i c e t r e e;s o c k e tn e tＧw o r k p r o g r a mm i n g
１㊀引㊀㊀言
㊀㊀L E D智能玻璃显示屏是利用特殊工艺将单个L E D点光源以阵列形式封装在两片玻璃中间，形成
安全夹层结构的L E D平板发光玻璃产品，其具有很强的光线通透性，能满足安装场所的特别光线需求，很好地与周围建筑环境相融合[１Ｇ３].
国外有许多研究机构和高校都开展了对L E D智能玻璃的显示研究工作，并取得了实质性的成果，然而国内对于L E D智能玻璃显示技术的研究还处于初步阶段[４]，没有很完善的技术研究成果，主要还处于对L E D智能玻璃显示屏制作创新的研究阶段，对于L E D智能玻璃显示控制系统的研究还比较少.
与传统L E D显示屏相比,L E D智能玻璃其内部的L E D点阵采用蛇形连接形式，在不同应用场合下L E D智能玻璃其内部的L E D点阵数量和排列方式不同，所以需要将视频数据进行重新排序后再发送至后续驱动电路驱动L E D智能玻璃显示屏显示，大规格L E D智能玻璃显示通常采用多块小规格显示屏模块拼接实现.
除此之外，当前L E D智能玻璃显示控制系统大多不能满足远程信息实时发布的需要，而且其显示信息输入大多通过D V I等数字通信接口与P C机连接，实时㊁点对点地显示P C机显示器显示的内容，这样的方法需要外接一个P C机，不够便利，因此本文提出基于A n d r o i d操作系统的L E D智能玻璃显示设计.
L E D智能玻璃显示屏与移动终端的结合，不仅实现了人与屏之间实时互动，大为拓展了L E D 智能玻璃显示屏的应用领域，而且系统的集成化也大量地节省了人力资源㊁财务支出㊁降低了社会的资源浪
费，具有良好的收益前景[５].
２㊀系统硬件架构
２．１㊀C P U＋F P G A双核架构
由于不同规格L E D智能玻璃其内部的L E D 点阵排列方式不同，所以需要将视频数据进行重新排序再发送至后续驱动电路[６].系统硬件架构图如图１所示，本系统主要包括带有G P U(G r a p h i c s P r o c e s s i n g U n i t)的主控芯片R K３２８８㊁现场可编程门阵列(F P G A)数据处理单元以及驱动系统.
图１㊀系统硬件架构图
F i g．１㊀S y s t e mh a r d w a r e a r c h i t e c t u r e d i a g r a m
㊀㊀R K３２８８主控芯片通过U S B(U n i v e r s a l S e r i a l B u s)接口完成对U盘中存储的视频数据和映射数据的读取，并发送给F P G A[７].F P G A 数据处理单元将视频数据缓存在外部存储器S SＧR AM１中，将映射数据缓存在外部存储器S S R AM２中，通过按地址递增方式读取S S R AM２的数据作为S S R AM１的地址读取S S R AM１中的视频数据，即实现视频数据的重新排序，然后对数据进行并转串处理传送给驱动系统.驱动系统采用专用的驱动芯片，将数据串行移位和并行输出,
８８２㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀. All Rights Reserved.
从而实现大规格L E D智能玻璃的显示.
R K３２８８主控芯片通过S D I O接口与W i f i模块相连，实现L E D智能玻璃显示屏联网.在主控芯片和用户移动终端上分别安装．a p k，从而实现人与屏之间通信.
此外，为保证A n d r o i d等操作系统和用户软件的流畅运行，采用２G B双通道D D R３的运行内存㊁１６G B容量的高速e MM C存储器,O T G接口用于方便系统调试和程序下载.linux内核设计与实现 pdf
２．２㊀R K３２８８与F P G A数据通信接口设计
R K３２８８与F P G A硬件连接图如图２所示，本系统中R K３２８８主控芯片输出控制信号以及数据与F P G A相应的信号直接相连，实现数据通信.其中I_R G B[２３:０]为视频数据㊁I_D E㊁I_ V S Y N C㊁I_P C L K为视频控制信号,I_A D D R[１５:０]为映射地址数据㊁I_n W E㊁I_H C L K为映射数据发送控制信号.R K３２８８和F P G A之间通信是一种跨时钟域通信，所以为使数据稳定，需要添加F I F O或R AM，本系统选用F I F O，不需要关心读写地址，简化了操作.
图２㊀R K３２８８与F P G A硬件连接图
F i g．２㊀R K３２８８a n dF P
G Ah a r d w a r e c o n n e c t i o nd i a g r a m ３㊀系统软件设计
３．１㊀嵌入式操作系统定制
A n d r o i d系统是基于L i n u x内核的操作系统，由内核㊁运行库㊁虚拟机等组成.其软件开发主要包括
B o o t l o a d e r引导程序设计,L i n u x操作系统移植，根文件系统创建以及应用程序开发等[８].
本系统在A n d r o i d系统源码的基础上增加L C D显示驱动以及映射数据发送驱动，并在A nＧd r o i d系统中编写J N I方法实现A n d r o i d应用程序调用.
３．１．１㊀映射数据发送软件设计
映射数据发送软件架构设计如图３所示，主要包括映射数据发送驱动软件设计，以及通过N D K工具链将驱动封装生成J N I接口供A n d r o i d应用程序调用.
图３㊀映射数据发送软件架构设计
F i g．３㊀D e s i g no fs o f t w a r ea r c h i t e c t u r ef o r m a p p i n g
d a t a t r a n s m i s s i o n
映射数据发送驱动软件架构设计，本着 高内聚㊁低耦合 原则，采用 总线Ｇ设备Ｇ驱动 模型构建[９]，设备和驱动向总线进行注册，总线负责把设备和对应的驱动绑定起来.在早先L i n u x版本中,A R M架构的板级硬件细节大多被硬编码在a r c h/a r m/p l a tＧx x x和a r c h/a r m/m a c hＧx x x，造成大量代码冗余.而本系统中板级硬件信息描述使用d t s(d e v i c e t r e e)文件,d t s文件描述了C P U㊁总线㊁设备连接信息,B o o t l o a d e r会将d t s文件描述的连接信息直接传递给内核，然后内核进行识别并展开各个设备及设备用到的内存等资源.采用设备树后，许多硬件的细节可以直接透过它传递给L i n u x，而不再需要在K e r n e l中进行大量的冗余编码.
３．１．２㊀L C D显示驱动设计
R K３２８８内部集成的L C D C(L i q u i dC r y s t a l D i s p l a y C o n t r o l l e r)内部是分层的，有６层:b a c kＧg r o u n d㊁w i n０㊁w i n１㊁w i n２㊁w i n３㊁h w c(H a r d w a r e C u r s o r l a y e r)，每一次叫做w i n，每一层可以在屏幕上任意位置显示支持范围内任意大小的图像，并且各层可以通过a l p h ab l e n d i n g或者c o l o rk e y
９８２
第２期㊀㊀㊀㊀㊀熊木地，等：基于嵌入式A n d r o i d的L E D智能玻璃显示设计. All Rights Reserved.
实现o v e r l a y合成输出.
在f b中，每一层w i n对应一个f b标准的字符型设备，它们在L i n u x系统中对应的设备节点为/d e v/g r a p h i c s/f b x，其中w i n和f b的对应关系是可以通过程序设置的.
L C D显示驱动设计采用帧缓冲(F r a m e b u f f e r,f b)技术，屏蔽底层硬件差异，为用户提供mm a p㊁i o c t l等标准接口来操作L C D显示设备[１０].通过调用mm a p可将内核中分配的f b地址映射到用户空间，便于读写；通过调用i o c t l可设置显示器分辨率等设备属性.
L C D显示驱动架构设计如图４所示，主要包括f b框架相关部分以及与显示设备硬件相关的f b驱动层.
图４㊀L C D显示驱动架构设计
F i g．４L C Dd i s p l a y d r i v e a r c h i t e c t u r e d e s i g n
f b框架相关部分主要包括f b m e m．c㊁r k f b_ s y s f s．c等公用源文件，用于向上提供和用户空间交互的接口；硬件设备驱动部分主要包括L C D C 控制器相关的r k３２８８_l c d c．c代码以及对屏幕进行参数配置的相关代码r k_s c r e e n．c，其通过p r o b e函数获取屏幕参数，屏幕参数通过d t s文件传递.
３．２㊀应用软件开发
本系统使用S o c k e t网络编程，采用C/S交互模式[１１]，实现L E D智能玻璃显示屏与移动终端的网络通信.开发语言为J a v a，开发工具采用E c l i p s e I D E[１２].L E D智能玻璃显示屏端的应用程序主要包括获取本地I P，等待移动终端的连接，之后根据移动终端发送过来的指令执行不同的操作.
移动终端的应用程序功能主要包括连接L E D智能玻璃显示屏端㊁获取L E D智能玻璃端视频信息㊁映射信息，获取和控制L E D智能玻璃端视频分辨率㊁播放进度信息等.
４㊀设计实现
系统硬件实物图如图５所示，其中F P G A 选用X i l i n x公司S p a r t a nＧ６系列的X C６S L X４５T 芯片,C P U选用可以搭载A n d r o i d操作系统的R K３２８８.R K３２８８将U盘中的视频数据与映射数据读取之后，通过专用G P I O引脚传送给F PＧG A,F P G A进行视频数据处理后，通过光纤传送给从控制器，从控制器通过网口将视频数据传送至驱动系统，实现L E D智能玻璃显示屏显示控制
.
图５㊀系统硬件实物图
F i g．５㊀S y s t e mh a r d w a r e p h y s i c a lm a p
F P
G A接收到的L E D智能玻璃映射数据如图６所示,w r c l k㊁a r m_u p㊁A R M_C L K㊁A R M_E N 为控制信号,d i n为A R M向F P G A传送的映射数据,w r a d d r为暂存映射数据S S R AM２的写地址
.
图６㊀F P G A接收到的L E D智能玻璃映射数据
F i g．６㊀L E Ds m a r t g l a s sm a p p i n g d a t a r e c e i v e db y
F P
G A
移动终端应用程序界面如图７所示，主要包括I P地址连接，获取设置视频文件㊁映射数据文件以及设置视频分辨率㊁获取远端视频进度信息等.
０９２㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀. All Rights Reserved.
图７㊀移动终端应用程序具体实现
F i g ．７㊀I m p l e m e n t a t i o no fm o b i l e t e r m i n a l a p p
l i c a t i o
n 图８㊀L E D 智能玻璃显示
F i g ．８㊀L E Ds m a r t g l a s s d i s p l a y
㊀㊀L E D 智能玻璃显示屏显示如图８所示,
由专用驱动芯片L D １５１２构成的驱动电路与F P C 相连接，从而实现L E D 智能玻璃显示屏的显示,
同时可以通过移动终端控制视频播放.不同应用场合下L E D 智能玻璃显示屏大小㊁分辨率不同，此图中为６４ˑ６４分辨率的L E D 智能玻璃显
示屏.
５㊀结㊀㊀论
将A n d r o i d 嵌入式技术和互联网技术相结
合，在A n d r o i d 系统源码的基础上增加L C D 显示驱动以及映射数据发送驱动，并在A n d r o i d 系统中编写J N I 方法供A n d r o i d 应用程序调用.使用
J a v a 语言进行A n d r o i d 系统应用软件开发.使用S o c k e t 网络编程来实现L E D 智能玻璃显示屏
与移动终端的网络通信，使得系统具有较好的易用性和可移植性，给产品应用带来了方便，提高了施工效率.
参㊀考㊀文㊀献:
[１]㊀高敏．L E D 显示屏发展综述[J ]．电子制作,２０１５(８):１０７．
G A O M．O v e r v i e wo f l e dd i s p l a y d e v e l o p
m e n t [J ]．P r a c t i c a lE l e c t r o n i c s ,２０１５(８):１０７．(i nC h i n e s e )[２]㊀张芳，樊柯．L E D 显示屏集成控制技术的发展现状及趋势探讨[J ]．电子制作,２０１９(２):８８Ｇ８９．
Z HA N GF ,F A N K．D e v e l o p m e n t s t a t u sa n dt r e n d so f i n t e g r a t e dd i s p l a y c o n t r o l t e c h n o l o g y f o r l e dd i s p l a y [
J ]．P r a c t i c a lE l e c t r o n i c s ,２０１９(２):８８Ｇ８９．(i nC h i n e s e
)[３]㊀冀刚．室外L E D 显示以及在交通领域的应用[J ]．电子技术与软件工程,２０１８(９):１０３．
J IG．O u t d o o r l e d d i s p l a y a n d a p p l i c a t i o n i n t h e f i e l d o f t r a n s p o r t a t i o n [J ]．E l e c t r o n i cT e c h n o l o g y a n dS o f
t w a r eE n Ｇg i n e e r i n g ,
２０１８(９):１０３．(i nC h i n e s e )[４]㊀吴志诚．基于光纤传输的L E D 智能玻璃显示系统研究[D ]．大连：大连海事大学,２０１８．
WUZC ．T h e r e s e a r c ho fL E Ds m a r t g l a s s d i s p l a y s y s t e mb a s e do no p
t i c a l f i b e r t r a n s m i s s i o n [D ]．D a l i a n :D a l i a n M a r i t i m eU n i v e r s i t y
,２０１８．(i nC h i n e s e )[５]㊀王海波．未来显示终端发展趋势探索[J ]．中国公共安全,２０１９(９):１０３Ｇ１０４．
WA N G H B ．D e v e l o p m e n t t r e n do f d i s p l a y t e r m i n a l i n t h e f u t u r e [J ]．C h i n aP u b l i cS e c u r i t y ,
２０１９(９):１０３Ｇ１０４．(i nC h i n e s e
)[６]㊀隋志坤．基于A R M 和F P G A 的L E D 智能玻璃显示系统研究[D ]．大连：大连海事大学,２０１７．
S U IZK．T h e r e s e a r c ho f L E Ds m a r t g l a s s d i s p l a y s y
s t e mb a s e d o nA R Ma n dF P G A [D ]．D a l i a n :D a l i a nM a r i t i m e U n i v e r s i t y
,２０１７．(i nC h i n e s e )[７]㊀熊木地，郭俞君，孙宇航．L E D 智能玻璃映射系统设计[J ]．液晶与显示,２０２０,３５(１０):１０１９Ｇ１０２５．
X I O N G M D ,G U O YJ ,S U N Y H．D e s i g n o fm a p p i n g s o f t w a r e f o r L E Ds m a r t g l a s s d i s p l a y [
J ]．C h i n e s e J o u r n a l o f L i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a y
s ,２０２０,３５(１０):１０１９Ｇ１０２５．(i nC h i n e s e )[８]㊀张丙旭，徐文涛，连鹏，等．基于嵌入式A n d r o i d 的光学实验实操评测系统[J ]．电子设计工程,２０１８,２６(２４):１８３Ｇ１８７．
Z HA N GBX ,X U W T ,L I A NP ,e t a l ．A n o p t i c a l e x p e r i m e n t a l o p e r a t i o n a l e v a l u a t i o n s y
s t e mb a s e d o n e m b e d d e d １
９２第２期
㊀㊀㊀㊀㊀熊木地,
等：基于嵌入式A n d r o i d 的L E D 智能玻璃显示设计. All Rights Reserved.
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