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。
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
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。
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)。
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。
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。
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.