尚晓峰，卫建华，田 泽，夏 杰，吴志鹏
（1.西安工程大学电子信息学院，西安 710600；
2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，西安 710068）
现代飞机航电系统日趋复杂，飞行员需要获取的信息随之增多。为了使飞行员能够准确而全面掌握飞机的各种参数[1]，对机载座舱显示系统的信息处理能力、数据传输速率、系统稳定性以及数据存储量等方面提出了更高的要求[2]。图形处理器GPU是机载座舱显示系统的核心器件[3]，对显示系统的数据处理能力、图形的渲染能力、视频编解码、数据通讯和视频输入输出等功能起着决定性作用[4]。高性能的图形处理器能够为飞行员在复杂多变的环境（电磁干扰、环境温度、机械冲击）下提供清晰流畅的机载画面[5-6]。本研究尝试仅使用国产化GPU芯片及国产操作系统来实现对机载座舱显示系统的设计。
2.1 系统设计架构
系统以“国产GPU+国产CPU+国产操作系统”的方案来实现。外部数据信息采用标准的总线协议传送给复旦微SoC可编程逻辑单元，然后通过可编程融合芯片内部的多个数据接口和互连控制信号将数据发送给CPU芯片的处理器系统，实现对数据逻辑判断和预处理。处理后的数据和命令通过PCI总线写入到HKM9000中，生成像素数据，通过一路的视频输出接口将像素数据传送给CPU的可编程逻辑单元，转换成双像素的RGB信号，经过编码芯片将RGB数据信号编码成LVDS格式传送给液晶显示屏完成视频显示。系统原理框图如图1所示。
图1 机载座舱显示系统结构框图
HKM9000是一款由西安翔腾微电子有限公司开发的图形处理芯片，采用全自主正向设计，能够实现3D图形处理器硬件加速功能；
CPU选用的型号为FMQL45T900，它是由上海复旦微电子有限公司开发的处理器芯片，内部集成了四核处理器系统（PS）和可编程逻辑（PL）。
在进行硬件电路设计时，采用数字式信息传输系统ARINC429来实现座舱显示系统与其他机载模块的数据传输。接收器采用由西安翔腾微电子公司生产的HKA32131-CSC芯片，将ARINC429总线上10V的差分典型信号输入到窗口比较器和锁存器，经过逻辑控制转化为TTL数字电平信号传输到复旦微SoC可编程逻辑单元，驱动器同样采用西安翔腾公司的HKA32132-CSC芯片将CPU输出的TTL数字电平转化为429总线信号。
2.2 电源模块硬件设计
设计采用LTM4644电源芯片为FMQL45T900和HKM9000芯片供电。LTM4644可实现4～14V的电压输入和0.6～5.5V的电压输出，提供4通道4A连续输出电流。电源芯片内部PWM控制器将0.6V的参考电压连接到FB引脚，同时Vout引脚通过内部60.4kΩ的电阻连接到FB引脚。不同的输出电压可以通过在FB和GND引脚之间的电阻来实现。输出电压Vout与FB引脚外接电阻的关系公式为：
LTM4644的电路图如图2所示。HKM9000的内核供电电压为1.2 V，外部I/O电压为3.3 V，外接DDR2接口电压为1.8V；
复旦微SoC则需要3.3V、1.0V、1.5V和1.8V的供电电压。鉴于HKM9000和FMQL45T900内核供电需要较大的驱动电流，在设计电源芯片外部电路时，为增加芯片电流驱动能力，通过两路Vout引脚并联来实现8A电流输出。外接电阻RFB的阻值变为原来的一半，电源芯片输出电压VOUT与RFB的关系如表1所示。
图2 LTM4644电路图
表1 匹配电阻阻值计算表
2.3 视频输出模块
视频输出模块的设计采用LVDS制式视频的输出显示。LVDS接口采用高速串行差分协议[7]，能够充分满足高速传输的需求。LVDS制式视频输出链路原理图如图3所示，它由发送端、接收端和传输电缆线组成。图形处理芯片HKM9000输出一路单像素RGB信号，通过CPU的可编程逻辑单元生成双像素的RBG信号。由于GPU与CPU的可编程逻辑单元的电压不匹配，此处采用4位双电源总线收发器SN74AVC4T245芯片实现电压电平转换，将GPU输出3.3V电压转换为CPU能够接收的1.5V电压。
图3 视频输出链路图
LVDS输出电路如图4所示，它采用DS90C387芯片将48位的双像素RGB信号通过编码芯片转换成8对LVDS低压差分信号数据流。复旦微SoC的PL端输出112MHz的时钟频率到编码芯片CLKIN引脚，通过芯片内部的锁相回路统一整合时钟信号，实现数据672Mbit/s传输速率。在锁相环电路的电源引脚和LVDS输出电源引脚分别接两个磁珠L1和L2，主要用来抑制外部输入的3.3V电源线上的高频噪声和尖峰干扰，起到隔离的作用，同时在电源和地之间并接0.1μF、10μF和100μF的电容，防止由于电源内阻形成正反馈而引起的寄生震荡。
图4 LVDS输出电路图
2.4 存储模块
机载座舱系统中需要处理的数据信息较多，并且对显示画面的清晰度和实时性有较高的要求，因此在输出过程中采用缓存机制。本系统的数据缓存由处理器PL端外挂的两片DDR3 SDRAM芯片实现，芯片存储容量为512 MB。可编程逻辑单元对DDR3读写频率为667MHz。系统输出的显示分辨率为1600×1200像素，每个像素点占3个字节（RGB信号各占一个字节），故显示一幅图像约为5.6 MB。通过计算，DDR3存储器的传输速率约为238帧/秒,远超显示器的刷新频率。
由于机载画面视频数据流数据量大、对实时性要求高，为满足设计要求，存储模块采用2片DDR3存储器进行乒乓读写。采用乒乓RAM结构进行数据的读取是将CPU输出像素数据通过输入数据选择单元实时的将数据流分配到两个RAM缓冲区，通过两个RAM进行数据读和写的切换，实现数据的流水式传输。相对于双口RAM结构和高速FIFO结构，乒乓读写操作更适合大数据缓冲存储，有效保障了机载显示系统数据缓存机制的流畅性。存储器模块具体工作方式如图5所示。
图5 存储器模块工作方式
为了满足航空装备国产化的需求，本次设计的机载座舱显示系统硬件平台适配了国产天脉操作系统，它是中航工业西安航空计算所研发的针对航空领域的嵌入式实时操作系统[8]，可用来实现系统的任务调度、时间管理、内存管理等功能。天脉操作系统的软件结构如图6所示。
图6 天脉操作系统层次构图
模块支持层主要是将座舱显示系统的硬件电路抽象化，通过模块支持层实现操作系统对底层硬件资源的访问。机载显示控制系统中OpenGL图形编程接口由HKM9000驱动程序提供，满足接口规范的基本要求。HKM9000硬件访问为复旦微SoC在标准PCI操作API下对HKM9000的硬件访问提供支持，包括HKM9000存在性检测、HKM9000 PCI配置检测、HKM9000寄存器访问和硬件初始化等功能。操作系统访问层封装了驱动程序软件中与操作系统相关的API，驱动程序可以通过访问层使用操作系统相关的功能。HKM9000提供符合OpenGL1.3的OpenGL API实现，对于性能有特殊要求的应用，可以通过特殊通道实现硬件的直接访问，减少了对CPU和总线的占用，实现处理器性能的最大化。
系统设计完成后，对硬件平台进行了实际的测试，并对测试结果进行分析，判断机载座舱显示系统的各项功能模块是否达到预期的设计要求。
在实际的测试过程中，为实现对各个功能模块的有效测试，选用晶振为GPU芯片HKM9000提供27MHz时钟频率。首先完成对各个系统模块的初始化操作，DDR控制器直接读取DDR中的数据；
然后将像素数据传输CPU的可编程逻辑单元，生成双像素的RGB信号；
最后通过编码器转化LVDS视频编码格式输出显示在液晶显示屏上。测试中的视频图像如图7所示。
图7 机载显示画面
复旦微SoC的可编程逻辑单元将HKM9000芯片并行输出的52 bits数据（48位RGB信号和4位时钟控制位）转换为10对串行的LVDS数据流。采用双通道低压差分信号将视频数据以672Mbit/s速率传输给液晶显示屏，以此增强机载显示系统的抗干扰能力，有效避免数据在高速传输时出现的信号完整性问题，实现机载显示画面60Hz的刷新频率。同时系统采用DDR3 SDRAM存储芯片对RGB图像数据进行缓存，利用乒乓操作实现数据信息的写入与读取互不干扰，保障机载画面显示的实时性和稳定性。所选择的DDR3存储器最高传输速率约为238帧/秒，远高于显示器的刷新频率，可以充分满足机载座舱显示系统的流畅性和实时性的显示要求。
基于HKM9000芯片机载座舱显示系统各项性能指标均满足实际应用需求，主要的图形性能参数优于国外同类产品。为保证产品质量，整个设计过程中严格遵守国军标的标准和要求，同时采用国产化的CPU、GPU芯片和国产天脉操作系统，实现了军用机载设备的信息安全化和装备国产化。
研究给出了一种基于国产图形处理芯片和国产操作系统的机载座舱显示系统的设计方案。在满足系统需求的前提下，对硬件、软件的关键接口采用成熟的工业标准，并对整个系统进行了模块化设计，实现系统的标准化，提高了机载座舱显示系统的通用性和可维护性。经过实际测试，该系统具有低功耗、数据信息处理速度快、灵活性高、可移植性强的优点；
全面采用国产化器件，也体现出了保障性强、安全性高的优势。