邵國韋

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港222061)

隨著電子設(shè)備的高性能、人性化和可操作性的需求越來越高，抗惡劣環(huán)境設(shè)備的可視化、可操作性等需求也隨之提高。傳統(tǒng)的顯示系統(tǒng)采用顯示專用芯片實(shí)現(xiàn)多通道顯示的功能，常見的多為雙通道顯示。但由于顯示系統(tǒng)對顯示界面的人性化及性能要求越來越高，對顯示系統(tǒng)的通道數(shù)量、顯示質(zhì)量和操作性等都提出了更高的要求，工業(yè)通常采用的顯示系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足要求。

本文對多通道顯示系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，主要通過AMD高性能多通道圖形處理器實(shí)現(xiàn)多通道顯示輸出，每片圖形處理器有2路顯示通道輸出，通過在CPCI總線上疊加圖形處理器的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)更多通道的顯示輸出。通過熱設(shè)計(jì)、抗振設(shè)計(jì)及電磁環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)等，使多通道顯示系統(tǒng)能夠適應(yīng)多種惡劣環(huán)境，在高效散熱、抗振和電磁防護(hù)方面非常先進(jìn)，使用Windows XP操作系統(tǒng)平臺，操作簡易、顯示形式多樣、界面人性化。

1 總體架構(gòu)

多通道顯示系統(tǒng)主要側(cè)重于抗惡劣環(huán)境的工程性應(yīng)用，多應(yīng)用于指揮測量車、前端測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等，通過網(wǎng)絡(luò)偵測系統(tǒng)內(nèi)其他測量設(shè)備的數(shù)據(jù)，分類處理后分屏顯示輸出，為多個相關(guān)人員提供測試數(shù)據(jù)的文字和圖形等全方位判斷依據(jù)。多通道顯示系統(tǒng)中內(nèi)置2片AMD圖形處理器顯示芯片，實(shí)現(xiàn)了四通道顯示輸出，系統(tǒng)中CPCI單板加固計(jì)算機(jī)主模塊通過CPCI總線控制總線上的2個圖形處理功能模塊和一個網(wǎng)絡(luò)功能模塊，網(wǎng)絡(luò)功能模塊提供1 000 Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互功能，2個圖形處理功能模塊通過VBIOS固件配置提供四路顯示輸出，總體架構(gòu)原理框圖如圖1。

圖1 總體架構(gòu)原理框圖

2 顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)

多通道顯示系統(tǒng)采用CPCI總線架構(gòu)［1］全加固方式，其核心功能模塊為高性能顯示接口模塊，該模塊采用PCIe總線與PCI總線橋接芯片進(jìn)行CPCI總線與PCIe總線之間的數(shù)據(jù)交換，橋接芯片通過PCIe總線實(shí)現(xiàn)與圖形處理器芯片進(jìn)行顯示的通信和控制，每塊圖形處理器模塊可實(shí)現(xiàn)2路DVI高性能顯示的功能。通過主模塊對單個或多個顯示模塊的控制和通信，實(shí)現(xiàn)多屏顯示的功能，原理框圖如圖2所示，系統(tǒng)集成了2個高性能顯示接口模塊，每個顯示接口模塊集成了PEX8114橋接芯片，實(shí)現(xiàn)CPCI總線到PCIe總線的橋接，通過PCIe總線實(shí)現(xiàn)與AMD E4690顯示核心的通信，通過硬件跳線電阻配置和VBIOS固件的配置，每個E4690實(shí)現(xiàn)2路獨(dú)立的DVI接口顯示通道。主模塊通過對多個顯示接口模塊的硬件和軟件配置，能夠?qū)崿F(xiàn)多個顯示通道的靈活配置，實(shí)現(xiàn)復(fù)制、擴(kuò)展等多種顯示組合模式。

圖2 圖形處理器模塊原理框圖

PEX8114橋接芯片通過硬件引腳上下拉、E2PROM配置以及固件對寄存器配置等方式能夠?qū)崿F(xiàn)PEX8114芯片的前向和后向的透明橋連接［2］，能夠?qū)崿F(xiàn)PCIe總線和PCI總線的通信。本系統(tǒng)通過設(shè)置PEX8114為后向透明橋(Reverse Bridge)模式［3］，完成 MSI中斷方式、64 bit/66 MHz PCI總線接口等配置［4］，支持CPCI總線的主模塊對其進(jìn)行控制和通信。

AMD E4690顯示核心(代號為M96)為AMD生產(chǎn)的高性能顯示芯片，核心/顯存頻率達(dá)600/700 MHz，流處理器數(shù)量320個，板載512 Mbyte GDDR3-RAM，顯存位寬128 bit，支持ATI PowerPlay節(jié)能技術(shù)，在低功耗和高效散熱方面非常先進(jìn)。該芯片不僅顯示性能優(yōu)秀，且能夠支持DirectX 10.1、OpenGL3.0、OpenCL1.0 等，具備高性能計(jì)算能力［4］。

通過多個高性能顯示接口模塊在顯示系統(tǒng)中聯(lián)合工作，在系統(tǒng)啟動后通過加載驅(qū)動，每個模塊均能夠支持雙路獨(dú)立的顯示通道，分辨率可達(dá)1 920×1 200以上，可實(shí)現(xiàn)多屏復(fù)制、擴(kuò)展以及其他多種顯示模式等功能。

2.2 系統(tǒng)抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)中高性能顯示，模塊采用的AMD E4690顯示芯片的功耗非常大，單芯片峰值功耗達(dá)25 W以上，單位面積散熱密度數(shù)值很高，按照傳統(tǒng)的抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，因此，要保證顯示接口模塊在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，需要對其進(jìn)行有效的散熱。

通過分析，該模塊上集成的E4690顯示芯片通過采用全加固蓋板，實(shí)現(xiàn)抗振、散熱等設(shè)計(jì)。模塊實(shí)現(xiàn)高效散熱主要需要優(yōu)化3個環(huán)節(jié)，包括采用導(dǎo)熱墊實(shí)現(xiàn)高性能顯示芯片到蓋板的傳導(dǎo)散熱，通過蓋板的橫截面導(dǎo)熱槽實(shí)現(xiàn)蓋板到系統(tǒng)機(jī)箱的傳導(dǎo)散熱，通過機(jī)箱表面的散熱鰭實(shí)現(xiàn)機(jī)箱到空氣的傳導(dǎo)散熱［5］，抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)機(jī)箱的傳導(dǎo)散熱等效熱阻布局如圖3所示。

圖3 傳導(dǎo)散熱等效熱阻布局示意圖

傳統(tǒng)導(dǎo)熱墊的熱阻在6℃/W左右，而本系統(tǒng)采用的新型導(dǎo)熱膠墊其熱阻通過改進(jìn)達(dá)到了3℃/W以內(nèi)，有力的保證了在加固機(jī)箱中采用傳導(dǎo)散熱的方法降低顯示模塊芯片的熱傳導(dǎo)熱阻。冷板選用導(dǎo)熱性極好的鋁合金熱軋板，壁厚處做成肋片，這樣在減輕重量同時(shí)又加大了與周圍的空氣熱交換面積，冷板進(jìn)行陽極氧化處理，以提高熱輻射系數(shù)，增加散熱效果。這樣冷板裝置因?yàn)闇囟忍荻刃?、熱分布均勻，可帶走較大的集中熱負(fù)荷。在忽略對流及輻射換熱的情況下，發(fā)熱芯片的熱量依次通過導(dǎo)熱膠墊、冷板、機(jī)箱壁導(dǎo)槽傳導(dǎo)至機(jī)箱壁，然后通過機(jī)箱上的散熱鰭將熱量傳遞到空氣中。模塊的安裝分為水平和垂直兩種，當(dāng)間隔一定且排列緊密時(shí)，垂直放置的疊放模塊比相同條件下水平放置的疊放模塊溫升要小，故本系統(tǒng)中采用垂直放置模式，而垂直放置的模塊之間的最佳間距，則可以通過式(1)得出，本系統(tǒng)常溫條件下模塊之間最佳間距為20.32 mm。

式中:CP為定壓比熱(J·(kg·℃)-1);ρ為平均空氣密度(kg·m-3);g為重力加速度(m·s-2);β為氣體膨脹系數(shù)(1·(℃)-1);ΔT為溫差(印制板與工作環(huán)境溫度之差，℃);μ為氣體動力粘度(m2·s-1);λ為氣體導(dǎo)熱系數(shù)(m2·(℃)-1);LL為印制板高度(m)。

2.3 驅(qū)動

驅(qū)動使用AMD提供的官方驅(qū)動，能夠自動識別和配置多個同類型顯示圖形處理芯片的有效工作，該多通道顯示系統(tǒng)中使用了兩片圖形處理芯片，操作界面如圖4所示，共有四路顯示通道輸出，可以通過操作，設(shè)置這四路顯示通道輸出的位置、順序、顯示屬性、擴(kuò)展屬性、主適配器等所有功能特性，形式靈活多變，操作簡易。

該系統(tǒng)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中插入一塊顯示接口模塊可以支持兩路高分辨率顯示通道的輸出，當(dāng)需要顯示通道輸出更多的應(yīng)用情況下，可以通過配置更多顯示接口模塊，硬件通過模塊化疊加，軟件驅(qū)動保持不變的情況下，顯示穩(wěn)定可靠，且操作界面相同。

3 性能測試

對該系統(tǒng)的各方面性能進(jìn)行了詳細(xì)深入的測試，最為核心的是該系統(tǒng)輸出的DVI信號質(zhì)量。采用泰克示波器DSA71604B，對其進(jìn)行了眼圖測試［6］。通過眼圖測試，能夠檢查DVI顯示輸出通道的物理層一致性，主要包括顯示模塊的視頻輸出源、DVI機(jī)箱走線通道以及DVI輸出線纜等環(huán)節(jié)。顯示接口模塊輸出的顯示信號源的信號質(zhì)量如圖5所示，圖中上下和中間的灰色背景為模板，其與實(shí)際DVI信號的命中數(shù)提供了與信號特點(diǎn)有關(guān)的詳細(xì)信息。從圖中可以看出顯示輸出的DVI信號眼圖中高低電平有略微的沖突，即DVI信號的高電平和低電平在采樣的10萬個樣本中有極小部分的信號電平不符合DVI標(biāo)準(zhǔn)的要求。信號的其他部分指標(biāo)，如振蕩電壓、上下沖、時(shí)間/電壓張度均能夠完美符合DVI的國際標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過測試可以判定該系統(tǒng)的顯示輸出信號相當(dāng)完美，完全能夠在抗惡劣環(huán)境中穩(wěn)定可靠的工作。該系統(tǒng)的顯示輸出實(shí)例驗(yàn)證如圖6，顯示器選擇了兩款不同型號的顯示器，均能自動識別，這四通道輸出正常、清晰，無花屏、壞點(diǎn)、跳躍等，配置靈活，能夠保存不同類型的配置形式，可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)分類顯示在不同顯示器上，每路顯示輸出均可獨(dú)立設(shè)置、配置，分辨率可達(dá)1 920×1 600。

圖5 眼圖測試(截圖)

圖6 四通道輸出實(shí)例(截圖)

對該系統(tǒng)進(jìn)行了具體的溫度環(huán)境適應(yīng)性測試、振動環(huán)境適應(yīng)性測試和電磁環(huán)境適應(yīng)性測試，溫度環(huán)境包括在-40℃ ～+60℃的溫度沖擊環(huán)境下間歇工作測試、在-40℃低溫環(huán)境下連續(xù)啟動測試和在+60℃高溫環(huán)境下連續(xù)工作測試，振動環(huán)境包括隨機(jī)振動、連續(xù)顛振和沖擊，電磁環(huán)境按照GJB151A《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》，設(shè)備均工作穩(wěn)定。

4 小結(jié)

本文通過高性能多通道顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一款能夠在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作的高性能多通道顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的方式實(shí)現(xiàn)，高性能顯示接口模塊具備良好的可重用性。通過深入試驗(yàn)測試，該系統(tǒng)能夠在-40℃～+60℃溫度環(huán)境、振動環(huán)境和電磁環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，并已在多個工程項(xiàng)目中應(yīng)用。對于該顯示系統(tǒng)，可以將其CPCI總線架構(gòu)改進(jìn)為CPCI-E架構(gòu)，能夠更加有效地提高高性能加速運(yùn)算的總線傳輸效率，擺脫總線瓶頸的束縛。

［1］PCIMG 2.0 R3.0 CompactPCI specification［EB/OL］.［2013-09-09］.http://wenku.baidu.com/link?url=hPtV4U8A8ldhTBfT_fkHWeWUEygnrMRnnVOisYDId3ezLFWZTwXYfkWBepiMNZam4cHdqTAwOGp0G C-tibR3TiEtq4hghptfARbJEztmWze.

［2］PEX8114AA PCI Express-to-PCI/PCI-X Bridge Data Book［EB/OL］.［2013-09-09］.http://www.plxtech.com.

［3］ATI Radeon E4690(M96-CSP512)Databook［EB/OL］.［2013-09-09］.http://www.amd.com.

［4］BUDRUK P，ANDERSON D，TOM S.PCI Express系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)［M］.田玉敏，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［5］胡志勇.當(dāng)今電子設(shè)備冷卻技術(shù)的發(fā)展趨勢［J］.電子機(jī)械工程，1999(1):2-5.

［6］黃海波.一種高速圖像處理與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2013，37(23):85-88.