張光輝 竇愛萍 航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 李駿 陸裝駐西安地區(qū)航空軍代室

引言

機(jī)載顯示系統(tǒng)可以為飛行員提供作戰(zhàn)環(huán)境、機(jī)身狀態(tài)等重要信息，對順利完成作戰(zhàn)任務(wù)具有重要意義。本文基于可視化導(dǎo)航信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載顯示平臺的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。顯示平臺以PowerPC7xxx作為核心處理器，VME作為總線標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)符合通用化與系列化的思想，并具有良好的通用性、可重構(gòu)性和擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)表明該顯示平臺的性能能夠滿足當(dāng)前系統(tǒng)的需求。

1 顯示平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

作為機(jī)載座艙的顯示設(shè)備，顯示平臺是領(lǐng)航員或飛行員獲取三維地圖、導(dǎo)航信息、地圖漫游、控制指令、近地告警和進(jìn)近著陸等信息的重要來源，可為飛機(jī)導(dǎo)航提供有力數(shù)據(jù)支持。

1.1 顯示平臺系統(tǒng)需求分析

為滿足可視化導(dǎo)航系統(tǒng)的需求，顯示平臺要同時實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)綜合處理、三維導(dǎo)航參數(shù)實(shí)時顯示、航線圖以及飛機(jī)位置顯示等功能。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，顯示平臺的設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)高性能顯示處理，大容量存儲，高速信號處理等技術(shù)。顯示平臺按照模塊化的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，劃分為CPU模塊、圖形加速器模塊、存儲器模塊、電源模塊以及接口模塊等。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示：

圖1 顯示平臺系統(tǒng)構(gòu)成

2 顯示平臺的硬件設(shè)計(jì)

CPU模塊主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能。CPU模塊通過PMC背板形式連接存儲器模塊、圖形加速模塊，通過VME總線與多功能接口模塊進(jìn)行通訊。

2.1 CPU模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 CPU 模塊組成

CPU模塊主要由以下幾個單元組成，分別是：PowerPC7xxx處理器、主橋單元、PMC單元、時鐘單元、PCI單元、以太網(wǎng)單元、存儲單元、接口單元、時鐘單元、USB接口單元、供電單元等。

2.1.2 技術(shù)難點(diǎn)

通過對系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，顯示平臺CPU模塊設(shè)計(jì)研制過程所涉及的關(guān)鍵技術(shù)如下：

1) CPU橋接解決處理器與其他外設(shè)的互聯(lián)；

2) PCI總線解決系統(tǒng)內(nèi)模塊間的通信問題，提高各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸速率，降低研制成本與研制周期；

3) PMC標(biāo)準(zhǔn)的多功能子板的擴(kuò)展，解決視頻、存儲與接口等多種功能的擴(kuò)展問題；

4)以太網(wǎng)解決系統(tǒng)調(diào)試和接口通信問題；

2.1.2.1 處理器選擇

PowerPC處理器具有RISC體系架構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是低功耗、高速度、強(qiáng)算力。

考慮其在成本、功耗、運(yùn)算速度等方面具有的優(yōu)勢和廣泛的第三方軟件支持率，本文選擇了PowerPC G4系列主機(jī)處理器中的MPC7xxx作為顯示平臺的核心處理器。

2.1.2.2 處理器橋接器

處理器橋接器采用某橋接器。其功能有：一個高性能存儲控制器（支持雙處理器），兩通道的DMA控制器，I/O消息控制器，中斷控制器等。

2.1.2.3 存儲單元

本單元由NVRAM、SDRAM、Flash存儲器組成，主要完成動態(tài)與靜態(tài)數(shù)據(jù)的存儲，F(xiàn)lash用于存儲驅(qū)動和應(yīng)用程序，完成系統(tǒng)的啟動；SDRAM存儲系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；NVRAM存儲系統(tǒng)BOOT等數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^橋接器對存儲器進(jìn)行訪問。

2.1.2.4 千兆以太網(wǎng)接口

該橋接器內(nèi)部集成有10MB/100MB/1000MB的MAC接口，采用某PHY接口芯片，實(shí)現(xiàn)物理層通訊。本設(shè)計(jì)在接口復(fù)位時將其配置為RGMII模式，支持IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。兩個接口由1.5V電源和2.5V電源獨(dú)立供電，上拉電阻缺省值均為30Ω。

2.1.2.5 USB 接口

為了方便地面加載地圖數(shù)據(jù)，CPU模塊中設(shè)計(jì)了USB接口用于地面加載數(shù)據(jù)，大大簡化了地面加載設(shè)備的復(fù)雜度。USB控制器采用某公司的某型號USB控制器。該USB控制芯片提供了用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜CI總線接口。

2.1.2.6 復(fù)位

CPU模塊采用單個5V電源進(jìn)行供電，電源轉(zhuǎn)換器可以提供+5V到1.8V、1.2V、1.1V、2.5V、3.3V 的電源轉(zhuǎn)換。復(fù)位包括軟件復(fù)位和硬件復(fù)位。

2.1.2.7 CPU 電源設(shè)計(jì)

CPU模塊輸入電源為+5V；處理器PC7xxx核心電壓為1.1V，接口電壓為1.8V；DDR2電壓為1.8V，其他器件電壓為3.3V；橋接器的核心電壓為1.2V，接口電壓為1.8V；FPGA 芯片電壓為2.5V。

2.1.2.8 中斷控制器

CPU模塊采用某橋接器內(nèi)的中斷控制器來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的中斷，中斷可以根據(jù)中斷源的特點(diǎn)設(shè)置中斷的優(yōu)先級、電平有效方式及中斷向量。中斷的優(yōu)先級可以通過軟件進(jìn)行設(shè)置。

2.1.2.9 VME 總線接口

VME總線橋接器采用某公司的某總線橋接芯片，支持66MHz的PCI總線或133MHz的PCI-X總線，數(shù)據(jù)寬度可以為32位，實(shí)現(xiàn)VME空間到PCI空間的映射。

2.1.2.1 0 可編程控制邏輯

模塊中采用某FPGA芯片作為可編程控制芯片，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位、中斷、寄存器、計(jì)數(shù)器、串口、看門狗、外設(shè)的片選和譯碼等功能。

2.2 存儲器模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 基本硬件配置

存儲器模塊主要完成地圖數(shù)據(jù)的存儲。模塊由存儲陣列、PCI接口電路與FPGA邏輯控制組成。存儲區(qū)單元是由16片NAND Flash組成的64GB存儲陣列。

2.2.2 FPGA 控制邏輯

采用某公司的某可編程邏輯芯片來完成存儲器模塊的控制以及存儲陣列的地址、數(shù)據(jù)和命令的處理。FPGA內(nèi)部邏輯的主要功能是實(shí)現(xiàn)NAND Flash的讀寫功能的操作控制。

2.3 GPU顯示模塊設(shè)計(jì)

圖形顯示中的顯示速度和圖形質(zhì)量是需要關(guān)注的兩個主要方面。圖像實(shí)時顯示需要處理器有著很高的運(yùn)算速度。顯示卡為西安航空工業(yè)計(jì)算所自行開發(fā)，圖形處理器采用某公司研制開發(fā)的某顯示芯片，其處理速度高，并支持OpenGL圖形接口標(biāo)準(zhǔn)，顯存空間大。

2.4 IO模塊設(shè)計(jì)

IO模塊及模塊內(nèi)的 I/O 接口由DSP處理器進(jìn)行控制與管理。I/O模塊與CPU模塊之間通過雙口存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)與命令交換。

3 顯示平臺軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顯示平臺系統(tǒng)的軟件由地面支持軟件、應(yīng)用軟件以及系統(tǒng)軟件組成。

3.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是用來運(yùn)行、開發(fā)和調(diào)試相關(guān)的應(yīng)用程序。其中包含引導(dǎo)程序、BIT程序、驅(qū)動程序以及操作系統(tǒng)。

3.1.1 引導(dǎo)程序

系統(tǒng)上電后先根據(jù)離散量的不同狀態(tài)執(zhí)行相關(guān)分支的引導(dǎo)程序，以此來進(jìn)行地面維護(hù)、進(jìn)行地面調(diào)試以及空中運(yùn)行。

3.1.2 操作系統(tǒng)軟件

操作系統(tǒng)軟件主要功能模塊有：任務(wù)管理、中斷管理、通信管理、存儲管理、周期任務(wù)管理等。

3.1.3 驅(qū)動程序

驅(qū)動程序是硬件的驅(qū)動軟件，以庫的形式供用戶調(diào)用，包括網(wǎng)口驅(qū)動、FLASH驅(qū)動、顯卡初始化驅(qū)動、OpenGL驅(qū)動、看門狗驅(qū)動、中斷管理驅(qū)動、PCI驅(qū)動、電子盤驅(qū)動和VME驅(qū)動程序等。

3.2 地面支持軟件

地面支持軟件包括集成開發(fā)環(huán)境和在線編程軟件。

3.3 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)空間導(dǎo)航、控制飛行、處理存儲、數(shù)據(jù)管理、地圖漫游等功能。

4 結(jié)語

基于PowerPC7xxx處理器的顯示平臺系統(tǒng)具有強(qiáng)實(shí)時性，高吞吐率，強(qiáng)擴(kuò)展性的特點(diǎn)。其豐富而全面的接口設(shè)計(jì)方便用戶的開發(fā)和應(yīng)用，且功能及性能均可滿足用戶的要求，使用過程中具有高可靠性和高穩(wěn)定性。機(jī)載顯示平臺的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。