馮斐　付強(qiáng)　鄭永梅　汪小飛

摘要：文章通過(guò)分析新型飛機(jī)電子水平狀態(tài)儀，重新設(shè)計(jì)了以新型幀存結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的EHSI圖形與系統(tǒng)，新的設(shè)計(jì)方案以雙緩沖交替切換與自動(dòng)消隱為重點(diǎn)，將生成EHSI羅盤(pán)畫(huà)面的時(shí)間大幅縮短，同時(shí)運(yùn)用單幀雙掃顯與電影遮光板等技術(shù)原理，將系統(tǒng)視頻帶寬提升至一倍以上。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)儀表；圖形顯示；電子水平狀態(tài)儀；幀存結(jié)構(gòu)；EHSI 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：V271 文章編號(hào)：1009-2374（2016）01-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.007

現(xiàn)代飛機(jī)顯示正朝著綜合化與玻璃化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械式水平狀態(tài)儀逐漸被時(shí)代所淘汰，取而代之的則是新型的電子水平狀態(tài)儀，即EHSI。電子水平狀態(tài)儀主要采用的是液晶顯示器，液晶顯示器比傳統(tǒng)顯示器具有更高的對(duì)比度與清晰度。但是由于液晶顯示器的圖顯系統(tǒng)對(duì)水平狀態(tài)儀處理器要求特別高，圖顯系統(tǒng)在成像的過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)大量的運(yùn)算，因此在國(guó)內(nèi)并沒(méi)有被大規(guī)模投入使用。EHSI需要根據(jù)飛機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)的變化而同步顯示全羅盤(pán)畫(huà)面，這一過(guò)程實(shí)際上是在用新的位置動(dòng)畫(huà)替換掉老的位置動(dòng)畫(huà)，動(dòng)畫(huà)變化之間需要進(jìn)行大量的精確記錄與計(jì)算，才能保證EHSI所顯示動(dòng)畫(huà)位置的準(zhǔn)確性。所以，EHSI的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于提升動(dòng)畫(huà)生成的速度與效率，同時(shí)還要保證圖顯的美觀與穩(wěn)定。

1 電子水平狀態(tài)儀簡(jiǎn)介

1.1 圖形處理器

圖形處理器可以使用SHARC系列DSP中的ADSP21060處理器，40MIPS的處理能力與巔峰120MFLOPS的運(yùn)算能力保證了EHSI圖形處理與外部數(shù)據(jù)交換的速度。DMA通信口和超級(jí)哈佛總線結(jié)構(gòu)使它的指令運(yùn)算能夠在單周期內(nèi)完成。同時(shí)配備有4Mbit的ADSP-21060以及可訪問(wèn)的片外儲(chǔ)存，能夠保證多個(gè)處理器結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)結(jié)。

1.2 KDM710顯示模塊

KDM710液晶顯示模塊采用了5×5英寸、600×600分辨率的彩色液晶模塊，同時(shí)配上24位RGB數(shù)字輸入。如圖1所示，8位RGB數(shù)字信號(hào)有3個(gè)，同時(shí)與時(shí)序信號(hào)相組合，就能保證圖形穩(wěn)定顯示在液晶顯示屏上。電子顯示器的可維護(hù)與可靠性都隨著電子工業(yè)的發(fā)展而逐步提升，顯示器自身功耗與發(fā)熱量等問(wèn)題也得到了有效的解決，并且從外觀亮度、可視角度等方面都有了很大的提升。

1.3 幀存

本系統(tǒng)采用兩組幀存的設(shè)計(jì)，以SRAM為基礎(chǔ)，512K×8位的SRAM容量加上10ns讀寫(xiě)速度，3片SRAM就能產(chǎn)生一組全彩的幀存。同時(shí)本系統(tǒng)運(yùn)用的是雙緩沖輪流切換控制法，DSP所寫(xiě)的像素會(huì)由FP-GA幀存控制器轉(zhuǎn)到另一個(gè)幀存，然后傳入液晶顯示屏。

1.4 控制器

在此系統(tǒng)中，ADSP21060沒(méi)有專門(mén)使用控制器和外部?jī)?chǔ)存，所以需要為其設(shè)計(jì)控制電路。視頻控制器可以產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)使能信號(hào)，幀存控制器則負(fù)責(zé)單幀雙掃以及自動(dòng)消隱等功能。

1.5 主機(jī)接口設(shè)計(jì)

在電子水平狀態(tài)儀系統(tǒng)中，圖形顯示主要依靠雙口RAM進(jìn)行與主機(jī)并行通訊工作，從中得出操作指令與顯示信息。雙口RAM可以選擇IDT70V24芯片，組成多線位數(shù)儲(chǔ)存器，設(shè)計(jì)上十分靈活。

2 電子水平狀態(tài)儀設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 視頻控制器

彩色液晶顯示屏所產(chǎn)生的時(shí)序參數(shù)通過(guò)視頻控制器產(chǎn)生同步信號(hào)，當(dāng)KDM710開(kāi)始逐行進(jìn)行同步時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)開(kāi)始下一行的掃描；當(dāng)KDM710產(chǎn)生在場(chǎng)同步信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器自動(dòng)復(fù)位開(kāi)始另一輪掃描。DCLK像素時(shí)鐘通過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘DSP，經(jīng)FPGA芯片，由DLL數(shù)字鎖相延遲環(huán)二分頻得到。當(dāng)像素時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)序生成器時(shí)，通過(guò)行同步信號(hào)控制場(chǎng)產(chǎn)生行同步信號(hào)與行消隱信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)，為避免產(chǎn)生不必要的問(wèn)題，應(yīng)該通過(guò)微分電路來(lái)使行同步信號(hào)產(chǎn)生使能信號(hào)，使能信號(hào)以一個(gè)時(shí)鐘周期為寬度。當(dāng)使能信號(hào)工作時(shí)，時(shí)序生成器隨即同步運(yùn)行，與此同時(shí)將產(chǎn)生場(chǎng)同步信號(hào)與場(chǎng)消隱信號(hào)。行消隱信號(hào)與場(chǎng)消隱信號(hào)相遇之后便成為了數(shù)據(jù)使能信號(hào)，使能信號(hào)為高時(shí)，就將圖像傳送給KDM710模塊。SRAM經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延遲，就能夠?qū)⑾袼財(cái)?shù)據(jù)傳送至總線，以供KDM710讀入數(shù)據(jù)。

2.2 自消隱幀存控制器

2.2.1 硬件自動(dòng)消隱。全羅盤(pán)畫(huà)面并不是一個(gè)靜止不動(dòng)的圖像，而是一個(gè)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)，它通過(guò)軟件的處理用新位置的圖像替代舊位置的圖像，然后將圖形相似的二者繪制在略微不同的位置上。因此為了保證被替換的老圖形位置準(zhǔn)確性，需要建立一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存表來(lái)記錄老圖形的位置數(shù)據(jù)，DSP在這個(gè)過(guò)程中會(huì)消耗大量的時(shí)間。然而假設(shè)DSP在向一個(gè)幀存寫(xiě)圖形數(shù)據(jù)之時(shí)，通過(guò)硬件方法將這個(gè)幀存消隱掉，那么DSP運(yùn)算的速度將會(huì)大大提高，給DSP節(jié)省了組織數(shù)據(jù)與消隱老圖形的時(shí)間，如此一來(lái)，電子水平狀態(tài)儀產(chǎn)生羅盤(pán)動(dòng)畫(huà)的速度，會(huì)大大加快。自動(dòng)消隱幀存控制器并不適合所有的飛行儀表，當(dāng)EHSI顯示的圖形是數(shù)據(jù)較少，又需要實(shí)時(shí)追蹤的畫(huà)面，比如全羅盤(pán)畫(huà)面時(shí)，其背景數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于圖形數(shù)據(jù)，因此幀存消隱功能才能幫助DSP節(jié)省消隱老圖形的時(shí)間。相對(duì)的，如果飛行儀表需要顯示大量填充的圖形畫(huà)面，比如數(shù)字地圖，繼續(xù)使用消隱幀存控制器是完全沒(méi)有效果的。這一類(lèi)型的圖像需要對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行不同的填色，如果硬件將前一次所顯示的完整圖形消除掉，那么下一次顯示所需要進(jìn)行的讀取與運(yùn)算工作將會(huì)更加復(fù)雜，無(wú)疑給DSP增加了額外的負(fù)擔(dān)。加速大量填充畫(huà)面運(yùn)行顯示需要軟件的支持，僅僅從硬件設(shè)計(jì)上研究是不科學(xué)的。

2.2.2 自消隱幀存控制器。

圖1 自消隱幀存控制器框架

如圖1所示，自消隱幀存控制器框架圖。FPGA首先對(duì)所有幀存進(jìn)行高速消隱，然后當(dāng)一個(gè)幀存切換至DSP一側(cè)，就會(huì)開(kāi)始寫(xiě)入數(shù)據(jù)。圖中標(biāo)出了DSP寫(xiě)入數(shù)據(jù)地址總線、FPGA讀取數(shù)據(jù)地址總線和高速消隱總線，MUX提供各路總線之間切換工作，三路數(shù)據(jù)總線會(huì)經(jīng)由三態(tài)門(mén)附掛在SRAM總線之上，三路總線切換由Sel與Clear信號(hào)來(lái)完成。作為負(fù)脈沖信號(hào)的Clear消隱信號(hào)，它有分隔Sel信號(hào)為兩部分的功能，當(dāng)Clear信號(hào)處于消隱區(qū)時(shí)，其性質(zhì)為低電平，而當(dāng)消隱工作結(jié)束時(shí)，便轉(zhuǎn)換成高電平。DSP會(huì)根據(jù)Clear信號(hào)的下降與上升來(lái)進(jìn)行工作，Clear下降時(shí)DSP進(jìn)行圖形處理，Clear上升時(shí)，DSP進(jìn)行圖形傳輸。

圖2 幀存控制時(shí)序圖

如圖2所示，MUX會(huì)根據(jù)一定邏輯運(yùn)算來(lái)進(jìn)行選擇。假設(shè)S0=1，幀存此時(shí)會(huì)選擇FPGA作為目標(biāo)；S0=0，S1=0，幀存所選擇的目標(biāo)就會(huì)變成DSP總線；而S0=0，S1=1這種情況下，幀存就會(huì)選擇FPGA消隱總線。

2.2.3 單幀雙掃。人類(lèi)的雙眼只有在場(chǎng)頻大于40Hz/s的狀態(tài)下才不會(huì)使大腦覺(jué)得畫(huà)面在閃爍，所以一般50Hz/s是專業(yè)圖形顯示系統(tǒng)中所保證的場(chǎng)頻。單幀雙掃技術(shù)是借鑒了電影遮光板的某些原理，將其運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，在每一幀里畫(huà)面會(huì)連續(xù)顯示兩次，隨后才會(huì)進(jìn)行下一幀圖像的顯示。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)可以將視頻的帶寬增加一倍，硬件設(shè)計(jì)25Hz的頻率通過(guò)單幀雙掃技術(shù)可以獲得50Hz的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

新型飛機(jī)電子水平狀態(tài)儀通過(guò)SRAM與FPGA設(shè)計(jì)模式，使EHSI在生成全羅盤(pán)畫(huà)面耗時(shí)大大減少。EHSI點(diǎn)陣字符為16*16時(shí)，全羅盤(pán)畫(huà)面生成速度會(huì)節(jié)省7毫秒，如果點(diǎn)陣字符擴(kuò)大到24*24，節(jié)省的時(shí)間則更多。自動(dòng)集中消隱技術(shù)的運(yùn)用不但可以節(jié)省DSP運(yùn)算時(shí)間，還能夠簡(jiǎn)化DSP的數(shù)據(jù)處理工作，如此一來(lái)所節(jié)省下來(lái)的時(shí)間就可以用做其他工作。在FPGA器件方面，電路板的尺寸被大大削減了，提高了FPGA的靈活性，EHSI的適應(yīng)能力也同時(shí)上升，只需要對(duì)FPGA做一些修改，就能使EHSI在不同型號(hào)的顯示器上使用。同時(shí)雙幀存和單幀雙掃技術(shù)大大降低了圖形閃爍的幾率，提高了系統(tǒng)帶寬與圖像刷新率。本文所提出的設(shè)計(jì)方法與思路具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，只需要部分改動(dòng)就能滿足其他一些特定場(chǎng)合的需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 周濤，李璐.民用飛機(jī)電子飛行儀表仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（22）.

[2] 丁倩.計(jì)算機(jī)圖形與圖形圖像處理技術(shù)的相互結(jié)合

[J].電子測(cè)試，2014，（11）.

[3] 任晗，和麟.基于動(dòng)態(tài)航路的EFIS仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014，31（3）.

（責(zé)任編輯：周 瓊）