孔全存，李成貴，張鳳卿

    主飛行顯示儀pfd(primary flight display)包含了至關(guān)重要的安全飛行信息，它包括被安裝在與傳統(tǒng)“t”型配置的模擬儀表及相同屏幕位置上的飛行儀表。pfd通常直接在飛行員的正前方。隨著航空電子技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的crt顯示終端逐步被光柵式圖形顯示器lcd所替代。然而，光柵式圖形顯示系統(tǒng)在顯示圖形前，需要大量的各種運(yùn)算，如圖形掃描變換、反走樣、圖形旋轉(zhuǎn)及其他的特殊算法操作。隨著顯示分辨率的提高，要處理的像素也越來越多，而所允許的處理時間卻受屏幕刷新率所限制。因此，怎樣實(shí)時生成并準(zhǔn)確顯示逼真圖形畫面，是對嵌入式pfd設(shè)計(jì)者的一個極大的挑戰(zhàn)。而基于pc機(jī)的傳統(tǒng)圖形生成和圖形顯示方式，又過于復(fù)雜且存在安全隱患。鑒于這種情況，參考文獻(xiàn)[3-5]雖然提出了一些解決方法，但實(shí)際效果并不是很明顯。本文采用基于儀器總線和擴(kuò)展總線的高速陣列信號處理板的設(shè)計(jì)模式，提出了一種基于硬件加速的pfd圖形顯示設(shè)計(jì)方法。該方法實(shí)現(xiàn)了圖形分層雙緩存交替切換、圖形填充、圖形合成和多通道dma像素引擎，提高了pfd圖形牛成和顯示的實(shí)時性和可靠性。文中以quartusⅱ5.0和mod-elsim_altera 5.6e為開發(fā)、仿真和綜合的平臺，存altera公司的cycloneⅱ系列fpca上成功下載并運(yùn)行。

    1 整體設(shè)計(jì)方案

    在pfd顯示系統(tǒng)中，要同時顯示多個畫面，如姿態(tài)指引畫面、全羅盤畫面、導(dǎo)航地圖畫面及飛行視景等。每個畫面的處理算法都有其特殊性，如在姿態(tài)指引畫面中，顯示畫面需要根據(jù)飛機(jī)參數(shù)的變化實(shí)時更新，要求在地平線上填充監(jiān)色背景(藍(lán)色表示天空)，而在地平線下填充綠色(綠色表示大地)。隨著飛機(jī)姿態(tài)的變化，地平線將在邊界線內(nèi)改變大小及方向，畫面上的藍(lán)色和綠色區(qū)域?qū)⒅匦路峙洌@種天地區(qū)域的動態(tài)重新填充是個非常費(fèi)時的工作。此外，姿態(tài)指引畫面還需要疊加一些字符(俯仰角度等)，這些字符需要隨著地平線一剛旋轉(zhuǎn)�？梢�，姿態(tài)指引畫面是電子主飛行儀中最為耗時的畫面之一。而全羅盤畫面則側(cè)重于字符、線段的繪制和旋轉(zhuǎn)變換，反走樣運(yùn)算任務(wù)十分繁重。在導(dǎo)航地圖畫而生成和處理中，數(shù)據(jù)量和處理量都比較大，如位置顯示、飛行航跡生成等。針對不同圖形畫面的處理算法，本文設(shè)計(jì)了大規(guī)模陣列處理機(jī)模型，其主飛行儀表顯示系統(tǒng)整體沒計(jì)框圖如圖1所示。該設(shè)計(jì)采用共享外部總線和分布式并行處理相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個處理板通過儀器背板總線互相連接，提供了共事外部總線的結(jié)構(gòu)；而相鄰板之間也有一套擴(kuò)展總線，提供了局部共享總線的結(jié)構(gòu)。這樣，板間既可通過背板總線直接交換數(shù)據(jù)，也可以通過擴(kuò)展總線以dma方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。另外，每個板內(nèi)，dsp通過局部總線連接一個容量較大的sdram作為全局共享外部存儲器，而fpga通過局部總線連接一個容量較小的雙口ram作為局部共享存儲器。這些全局和局部存儲器可以作為板間或dsp間數(shù)據(jù)交換的大型緩沖區(qū)。從圖形或圖像處理算法實(shí)現(xiàn)上考慮，這種結(jié)構(gòu)既可滿足流水線式的并行算法，也可以滿足分布式的并行算法(同一算法分布到多個處理器同時執(zhí)行)。

    2 fpga的設(shè)計(jì)

    針對每塊板的不同處理功能，對fpga進(jìn)行了不同的算法設(shè)計(jì)。以板0#為例作一介紹。圖2為fpga的各種接口與系統(tǒng)其他部分的關(guān)系。

    2.1 總線接口設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)有兩套總線：儀器總線和擴(kuò)展總線。儀器總線仿vxi總線設(shè)計(jì)，采用雙排歐式插座設(shè)計(jì)，模擬信號和數(shù)字信號分開在各自的插座之上，提高了電磁兼容性。模擬部分主要包括：飛行傳感器測理信號和系統(tǒng)模擬電源。數(shù)字部分采用基于多板分布式并行處理機(jī)制的共享式總線結(jié)構(gòu)，主要包括：24位地址總線、16位數(shù)據(jù)總線、模塊功能選擇與控制總線、以及時鐘和觸發(fā)信號等；擴(kuò)展總線采用基于板間流水線處理機(jī)制的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，主要包括：20位地址總線、8位數(shù)據(jù)總線和控制總線�？偩�接口中，讀寫控制、地址譯碼、中斷及dma控制、時鐘和握手信號均由fpga實(shí)現(xiàn)。限于篇幅，具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)不再贅述。

    2.2 幀存控制模塊

    幀存控制模塊由交叉多路轉(zhuǎn)換器cross-mux、讀寫控制器和地址發(fā)生器組成。系統(tǒng)上電復(fù)位時，首先將變化頻繁、數(shù)據(jù)量小的前景與變化緩慢或不變、數(shù)據(jù)量大的背景圖形分開存儲于高速sram中，每3片sram組成全彩