尚曉峰，衛(wèi)建華，田 澤，夏 杰，吳志鵬

（1.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710600；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710068）

1 引言

現(xiàn)代飛機(jī)航電系統(tǒng)日趨復(fù)雜，飛行員需要獲取的信息隨之增多。為了使飛行員能夠準(zhǔn)確而全面掌握飛機(jī)的各種參數(shù)[1]，對(duì)機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)的信息處理能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量等方面提出了更高的要求[2]。圖形處理器GPU是機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)的核心器件[3]，對(duì)顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力、圖形的渲染能力、視頻編解碼、數(shù)據(jù)通訊和視頻輸入輸出等功能起著決定性作用[4]。高性能的圖形處理器能夠?yàn)轱w行員在復(fù)雜多變的環(huán)境（電磁干擾、環(huán)境溫度、機(jī)械沖擊）下提供清晰流暢的機(jī)載畫面[5-6]。本研究嘗試僅使用國(guó)產(chǎn)化GPU芯片及國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

系統(tǒng)以“國(guó)產(chǎn)GPU+國(guó)產(chǎn)CPU+國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)”的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。外部數(shù)據(jù)信息采用標(biāo)準(zhǔn)的總線協(xié)議傳送給復(fù)旦微SoC可編程邏輯單元，然后通過(guò)可編程融合芯片內(nèi)部的多個(gè)數(shù)據(jù)接口和互連控制信號(hào)將數(shù)據(jù)發(fā)送給CPU芯片的處理器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)邏輯判斷和預(yù)處理。處理后的數(shù)據(jù)和命令通過(guò)PCI總線寫入到HKM9000中，生成像素?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)一路的視頻輸出接口將像素?cái)?shù)據(jù)傳送給CPU的可編程邏輯單元，轉(zhuǎn)換成雙像素的RGB信號(hào)，經(jīng)過(guò)編碼芯片將RGB數(shù)據(jù)信號(hào)編碼成LVDS格式傳送給液晶顯示屏完成視頻顯示。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

HKM9000是一款由西安翔騰微電子有限公司開(kāi)發(fā)的圖形處理芯片，采用全自主正向設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)3D圖形處理器硬件加速功能；CPU選用的型號(hào)為FMQL45T900，它是由上海復(fù)旦微電子有限公司開(kāi)發(fā)的處理器芯片，內(nèi)部集成了四核處理器系統(tǒng)（PS）和可編程邏輯（PL）。

在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用數(shù)字式信息傳輸系統(tǒng)ARINC429來(lái)實(shí)現(xiàn)座艙顯示系統(tǒng)與其他機(jī)載模塊的數(shù)據(jù)傳輸。接收器采用由西安翔騰微電子公司生產(chǎn)的HKA32131-CSC芯片，將ARINC429總線上10V的差分典型信號(hào)輸入到窗口比較器和鎖存器，經(jīng)過(guò)邏輯控制轉(zhuǎn)化為TTL數(shù)字電平信號(hào)傳輸?shù)綇?fù)旦微SoC可編程邏輯單元，驅(qū)動(dòng)器同樣采用西安翔騰公司的HKA32132-CSC芯片將CPU輸出的TTL數(shù)字電平轉(zhuǎn)化為429總線信號(hào)。

2.2 電源模塊硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用LTM4644電源芯片為FMQL45T900和HKM9000芯片供電。LTM4644可實(shí)現(xiàn)4～14V的電壓輸入和0.6～5.5V的電壓輸出，提供4通道4A連續(xù)輸出電流。電源芯片內(nèi)部PWM控制器將0.6V的參考電壓連接到FB引腳，同時(shí)Vout引腳通過(guò)內(nèi)部60.4kΩ的電阻連接到FB引腳。不同的輸出電壓可以通過(guò)在FB和GND引腳之間的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸出電壓Vout與FB引腳外接電阻的關(guān)系公式為：

LTM4644的電路圖如圖2所示。HKM9000的內(nèi)核供電電壓為1.2 V，外部I/O電壓為3.3 V，外接DDR2接口電壓為1.8V；復(fù)旦微SoC則需要3.3V、1.0V、1.5V和1.8V的供電電壓。鑒于HKM9000和FMQL45T900內(nèi)核供電需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，在設(shè)計(jì)電源芯片外部電路時(shí)，為增加芯片電流驅(qū)動(dòng)能力，通過(guò)兩路Vout引腳并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)8A電流輸出。外接電阻RFB的阻值變?yōu)樵瓉?lái)的一半，電源芯片輸出電壓VOUT與RFB的關(guān)系如表1所示。

圖2 LTM4644電路圖

表1 匹配電阻阻值計(jì)算表

2.3 視頻輸出模塊

視頻輸出模塊的設(shè)計(jì)采用LVDS制式視頻的輸出顯示。LVDS接口采用高速串行差分協(xié)議[7]，能夠充分滿足高速傳輸?shù)男枨?。LVDS制式視頻輸出鏈路原理圖如圖3所示，它由發(fā)送端、接收端和傳輸電纜線組成。圖形處理芯片HKM9000輸出一路單像素RGB信號(hào)，通過(guò)CPU的可編程邏輯單元生成雙像素的RBG信號(hào)。由于GPU與CPU的可編程邏輯單元的電壓不匹配，此處采用4位雙電源總線收發(fā)器SN74AVC4T245芯片實(shí)現(xiàn)電壓電平轉(zhuǎn)換，將GPU輸出3.3V電壓轉(zhuǎn)換為CPU能夠接收的1.5V電壓。

圖3 視頻輸出鏈路圖

LVDS輸出電路如圖4所示，它采用DS90C387芯片將48位的雙像素RGB信號(hào)通過(guò)編碼芯片轉(zhuǎn)換成8對(duì)LVDS低壓差分信號(hào)數(shù)據(jù)流。復(fù)旦微SoC的PL端輸出112MHz的時(shí)鐘頻率到編碼芯片CLKIN引腳，通過(guò)芯片內(nèi)部的鎖相回路統(tǒng)一整合時(shí)鐘信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)672Mbit/s傳輸速率。在鎖相環(huán)電路的電源引腳和LVDS輸出電源引腳分別接兩個(gè)磁珠L(zhǎng)1和L2，主要用來(lái)抑制外部輸入的3.3V電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，起到隔離的作用，同時(shí)在電源和地之間并接0.1μF、10μF和100μF的電容，防止由于電源內(nèi)阻形成正反饋而引起的寄生震蕩。

圖4 LVDS輸出電路圖

2.4 存儲(chǔ)模塊

機(jī)載座艙系統(tǒng)中需要處理的數(shù)據(jù)信息較多，并且對(duì)顯示畫面的清晰度和實(shí)時(shí)性有較高的要求，因此在輸出過(guò)程中采用緩存機(jī)制。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存由處理器PL端外掛的兩片DDR3 SDRAM芯片實(shí)現(xiàn)，芯片存儲(chǔ)容量為512 MB?？删幊踢壿媶卧獙?duì)DDR3讀寫頻率為667MHz。系統(tǒng)輸出的顯示分辨率為1600×1200像素，每個(gè)像素點(diǎn)占3個(gè)字節(jié)（RGB信號(hào)各占一個(gè)字節(jié)），故顯示一幅圖像約為5.6 MB。通過(guò)計(jì)算，DDR3存儲(chǔ)器的傳輸速率約為238幀/秒,遠(yuǎn)超顯示器的刷新頻率。

由于機(jī)載畫面視頻數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)量大、對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，為滿足設(shè)計(jì)要求，存儲(chǔ)模塊采用2片DDR3存儲(chǔ)器進(jìn)行乒乓讀寫。采用乒乓RAM結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取是將CPU輸出像素?cái)?shù)據(jù)通過(guò)輸入數(shù)據(jù)選擇單元實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)流分配到兩個(gè)RAM緩沖區(qū)，通過(guò)兩個(gè)RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)讀和寫的切換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流水式傳輸。相對(duì)于雙口RAM結(jié)構(gòu)和高速FIFO結(jié)構(gòu)，乒乓讀寫操作更適合大數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)，有效保障了機(jī)載顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)緩存機(jī)制的流暢性。存儲(chǔ)器模塊具體工作方式如圖5所示。

圖5 存儲(chǔ)器模塊工作方式

3 軟件設(shè)計(jì)

為了滿足航空裝備國(guó)產(chǎn)化的需求，本次設(shè)計(jì)的機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)硬件平臺(tái)適配了國(guó)產(chǎn)天脈操作系統(tǒng)，它是中航工業(yè)西安航空計(jì)算所研發(fā)的針對(duì)航空領(lǐng)域的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[8]，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理、內(nèi)存管理等功能。天脈操作系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 天脈操作系統(tǒng)層次構(gòu)圖

模塊支持層主要是將座艙顯示系統(tǒng)的硬件電路抽象化，通過(guò)模塊支持層實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)對(duì)底層硬件資源的訪問(wèn)。機(jī)載顯示控制系統(tǒng)中OpenGL圖形編程接口由HKM9000驅(qū)動(dòng)程序提供，滿足接口規(guī)范的基本要求。HKM9000硬件訪問(wèn)為復(fù)旦微SoC在標(biāo)準(zhǔn)PCI操作API下對(duì)HKM9000的硬件訪問(wèn)提供支持，包括HKM9000存在性檢測(cè)、HKM9000 PCI配置檢測(cè)、HKM9000寄存器訪問(wèn)和硬件初始化等功能。操作系統(tǒng)訪問(wèn)層封裝了驅(qū)動(dòng)程序軟件中與操作系統(tǒng)相關(guān)的API，驅(qū)動(dòng)程序可以通過(guò)訪問(wèn)層使用操作系統(tǒng)相關(guān)的功能。HKM9000提供符合OpenGL1.3的OpenGL API實(shí)現(xiàn)，對(duì)于性能有特殊要求的應(yīng)用，可以通過(guò)特殊通道實(shí)現(xiàn)硬件的直接訪問(wèn)，減少了對(duì)CPU和總線的占用，實(shí)現(xiàn)處理器性能的最大化。

4 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，判斷機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)功能模塊是否達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能模塊的有效測(cè)試，選用晶振為GPU芯片HKM9000提供27MHz時(shí)鐘頻率。首先完成對(duì)各個(gè)系統(tǒng)模塊的初始化操作，DDR控制器直接讀取DDR中的數(shù)據(jù)；然后將像素?cái)?shù)據(jù)傳輸CPU的可編程邏輯單元，生成雙像素的RGB信號(hào)；最后通過(guò)編碼器轉(zhuǎn)化LVDS視頻編碼格式輸出顯示在液晶顯示屏上。測(cè)試中的視頻圖像如圖7所示。

圖7 機(jī)載顯示畫面

復(fù)旦微SoC的可編程邏輯單元將HKM9000芯片并行輸出的52 bits數(shù)據(jù)（48位RGB信號(hào)和4位時(shí)鐘控制位）轉(zhuǎn)換為10對(duì)串行的LVDS數(shù)據(jù)流。采用雙通道低壓差分信號(hào)將視頻數(shù)據(jù)以672Mbit/s速率傳輸給液晶顯示屏，以此增強(qiáng)機(jī)載顯示系統(tǒng)的抗干擾能力，有效避免數(shù)據(jù)在高速傳輸時(shí)出現(xiàn)的信號(hào)完整性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)機(jī)載顯示畫面60Hz的刷新頻率。同時(shí)系統(tǒng)采用DDR3 SDRAM存儲(chǔ)芯片對(duì)RGB圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，利用乒乓操作實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的寫入與讀取互不干擾，保障機(jī)載畫面顯示的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。所選擇的DDR3存儲(chǔ)器最高傳輸速率約為238幀/秒，遠(yuǎn)高于顯示器的刷新頻率，可以充分滿足機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)的流暢性和實(shí)時(shí)性的顯示要求。

基于HKM9000芯片機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足實(shí)際應(yīng)用需求，主要的圖形性能參數(shù)優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格遵守國(guó)軍標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，同時(shí)采用國(guó)產(chǎn)化的CPU、GPU芯片和國(guó)產(chǎn)天脈操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了軍用機(jī)載設(shè)備的信息安全化和裝備國(guó)產(chǎn)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究給出了一種基于國(guó)產(chǎn)圖形處理芯片和國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在滿足系統(tǒng)需求的前提下，對(duì)硬件、軟件的關(guān)鍵接口采用成熟的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，提高了機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)的通用性和可維護(hù)性。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)具有低功耗、數(shù)據(jù)信息處理速度快、靈活性高、可移植性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；全面采用國(guó)產(chǎn)化器件，也體現(xiàn)出了保障性強(qiáng)、安全性高的優(yōu)勢(shì)。