抗惡劣環境高性能多通道顯示系統設計與實現

邵國韋

(江蘇自動化研究所，江蘇連云港222061)

隨著電子設備的高性能、人性化和可操作性的需求越來越高，抗惡劣環境設備的可視化、可操作性等需求也隨之提高。傳統的顯示系統采用顯示專用芯片實現多通道顯示的功能，常見的多為雙通道顯示。但由于顯示系統對顯示界面的人性化及性能要求越來越高，對顯示系統的通道數量、顯示質量和操作性等都提出了更高的要求，工業通常采用的顯示系統已經無法滿足要求。

本文對多通道顯示系統進行了設計和實現，主要通過AMD高性能多通道圖形處理器實現多通道顯示輸出，每片圖形處理器有2路顯示通道輸出，通過在CPCI總線上疊加圖形處理器的數量，可以實現更多通道的顯示輸出。通過熱設計、抗振設計及電磁環境防護設計等，使多通道顯示系統能夠適應多種惡劣環境，在高效散熱、抗振和電磁防護方面非常先進，使用Windows XP操作系統平臺，操作簡易、顯示形式多樣、界面人性化。

1 總體架構

多通道顯示系統主要側重于抗惡劣環境的工程性應用，多應用于指揮測量車、前端測量系統及控制系統等，通過網絡偵測系統內其他測量設備的數據，分類處理后分屏顯示輸出，為多個相關人員提供測試數據的文字和圖形等全方位判斷依據。多通道顯示系統中內置2片AMD圖形處理器顯示芯片，實現了四通道顯示輸出，系統中CPCI單板加固計算機主模塊通過CPCI總線控制總線上的2個圖形處理功能模塊和一個網絡功能模塊，網絡功能模塊提供1 000 Mbit/s的網絡數據交互功能，2個圖形處理功能模塊通過VBIOS固件配置提供四路顯示輸出，總體架構原理框圖如圖1。

圖1 總體架構原理框圖

2 顯示系統設計

2.1 設計原理及實現

多通道顯示系統采用CPCI總線架構［1］全加固方式，其核心功能模塊為高性能顯示接口模塊，該模塊采用PCIe總線與PCI總線橋接芯片進行CPCI總線與PCIe總線之間的數據交換，橋接芯片通過PCIe總線實現與圖形處理器芯片進行顯示的通信和控制，每塊圖形處理器模塊可實現2路DVI高性能顯示的功能。通過主模塊對單個或多個顯示模塊的控制和通信，實現多屏顯示的功能，原理框圖如圖2所示，系統集成了2個高性能顯示接口模塊，每個顯示接口模塊集成了PEX8114橋接芯片，實現CPCI總線到PCIe總線的橋接，通過PCIe總線實現與AMD E4690顯示核心的通信，通過硬件跳線電阻配置和VBIOS固件的配置，每個E4690實現2路獨立的DVI接口顯示通道。主模塊通過對多個顯示接口模塊的硬件和軟件配置，能夠實現多個顯示通道的靈活配置，實現復制、擴展等多種顯示組合模式。

圖2 圖形處理器模塊原理框圖

PEX8114橋接芯片通過硬件引腳上下拉、E2PROM配置以及固件對寄存器配置等方式能夠實現PEX8114芯片的前向和后向的透明橋連接［2］，能夠實現PCIe總線和PCI總線的通信。本系統通過設置PEX8114為后向透明橋(Reverse Bridge)模式［3］，完成 MSI中斷方式、64 bit/66 MHz PCI總線接口等配置［4］，支持CPCI總線的主模塊對其進行控制和通信。

AMD E4690顯示核心(代號為M96)為AMD生產的高性能顯示芯片，核心/顯存頻率達600/700 MHz，流處理器數量320個，板載512 Mbyte GDDR3-RAM，顯存位寬128 bit，支持ATI PowerPlay節能技術，在低功耗和高效散熱方面非常先進。該芯片不僅顯示性能優秀，且能夠支持DirectX 10.1、OpenGL3.0、OpenCL1.0 等，具備高性能計算能力［4］。

通過多個高性能顯示接口模塊在顯示系統中聯合工作，在系統啟動后通過加載驅動，每個模塊均能夠支持雙路獨立的顯示通道，分辨率可達1 920×1 200以上，可實現多屏復制、擴展以及其他多種顯示模式等功能。

2.2 系統抗惡劣環境設計

由于系統中高性能顯示，模塊采用的AMD E4690顯示芯片的功耗非常大，單芯片峰值功耗達25 W以上，單位面積散熱密度數值很高，按照傳統的抗惡劣環境設計存在很大的風險，因此，要保證顯示接口模塊在惡劣環境下穩定工作，需要對其進行有效的散熱。

通過分析，該模塊上集成的E4690顯示芯片通過采用全加固蓋板，實現抗振、散熱等設計。模塊實現高效散熱主要需要優化3個環節，包括采用導熱墊實現高性能顯示芯片到蓋板的傳導散熱，通過蓋板的橫截面導熱槽實現蓋板到系統機箱的傳導散熱，通過機箱表面的散熱鰭實現機箱到空氣的傳導散熱［5］，抗惡劣環境計算機機箱的傳導散熱等效熱阻布局如圖3所示。

圖3 傳導散熱等效熱阻布局示意圖

傳統導熱墊的熱阻在6℃/W左右，而本系統采用的新型導熱膠墊其熱阻通過改進達到了3℃/W以內，有力的保證了在加固機箱中采用傳導散熱的方法降低顯示模塊芯片的熱傳導熱阻。冷板選用導熱性極好的鋁合金熱軋板，壁厚處做成肋片，這樣在減輕重量同時又加大了與周圍的空氣熱交換面積，冷板進行陽極氧化處理，以提高熱輻射系數，增加散熱效果。這樣冷板裝置因為溫度梯度小、熱分布均勻，可帶走較大的集中熱負荷。在忽略對流及輻射換熱的情況下，發熱芯片的熱量依次通過導熱膠墊、冷板、機箱壁導槽傳導至機箱壁，然后通過機箱上的散熱鰭將熱量傳遞到空氣中。模塊的安裝分為水平和垂直兩種，當間隔一定且排列緊密時，垂直放置的疊放模塊比相同條件下水平放置的疊放模塊溫升要小，故本系統中采用垂直放置模式，而垂直放置的模塊之間的最佳間距，則可以通過式(1)得出，本系統常溫條件下模塊之間最佳間距為20.32 mm。

式中:CP為定壓比熱(J·(kg·℃)-1);ρ為平均空氣密度(kg·m-3);g為重力加速度(m·s-2);β為氣體膨脹系數(1·(℃)-1);ΔT為溫差(印制板與工作環境溫度之差，℃);μ為氣體動力粘度(m2·s-1);λ為氣體導熱系數(m2·(℃)-1);LL為印制板高度(m)。

2.3 驅動

驅動使用AMD提供的官方驅動，能夠自動識別和配置多個同類型顯示圖形處理芯片的有效工作，該多通道顯示系統中使用了兩片圖形處理芯片，操作界面如圖4所示，共有四路顯示通道輸出，可以通過操作，設置這四路顯示通道輸出的位置、順序、顯示屬性、擴展屬性、主適配器等所有功能特性，形式靈活多變，操作簡易。

該系統采用模塊化、標準化設計，系統中插入一塊顯示接口模塊可以支持兩路高分辨率顯示通道的輸出，當需要顯示通道輸出更多的應用情況下，可以通過配置更多顯示接口模塊，硬件通過模塊化疊加，軟件驅動保持不變的情況下，顯示穩定可靠，且操作界面相同。

3 性能測試

對該系統的各方面性能進行了詳細深入的測試，最為核心的是該系統輸出的DVI信號質量。采用泰克示波器DSA71604B，對其進行了眼圖測試［6］。通過眼圖測試，能夠檢查DVI顯示輸出通道的物理層一致性，主要包括顯示模塊的視頻輸出源、DVI機箱走線通道以及DVI輸出線纜等環節。顯示接口模塊輸出的顯示信號源的信號質量如圖5所示，圖中上下和中間的灰色背景為模板，其與實際DVI信號的命中數提供了與信號特點有關的詳細信息。從圖中可以看出顯示輸出的DVI信號眼圖中高低電平有略微的沖突，即DVI信號的高電平和低電平在采樣的10萬個樣本中有極小部分的信號電平不符合DVI標準的要求。信號的其他部分指標，如振蕩電壓、上下沖、時間/電壓張度均能夠完美符合DVI的國際標準要求。

通過測試可以判定該系統的顯示輸出信號相當完美，完全能夠在抗惡劣環境中穩定可靠的工作。該系統的顯示輸出實例驗證如圖6，顯示器選擇了兩款不同型號的顯示器，均能自動識別，這四通道輸出正常、清晰，無花屏、壞點、跳躍等，配置靈活，能夠保存不同類型的配置形式，可以根據需要將數據分類顯示在不同顯示器上，每路顯示輸出均可獨立設置、配置，分辨率可達1 920×1 600。

圖5 眼圖測試(截圖)

圖6 四通道輸出實例(截圖)

對該系統進行了具體的溫度環境適應性測試、振動環境適應性測試和電磁環境適應性測試，溫度環境包括在-40℃ ～+60℃的溫度沖擊環境下間歇工作測試、在-40℃低溫環境下連續啟動測試和在+60℃高溫環境下連續工作測試，振動環境包括隨機振動、連續顛振和沖擊，電磁環境按照GJB151A《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》，設備均工作穩定。

4 小結

本文通過高性能多通道顯示系統的設計，實現了一款能夠在惡劣環境下穩定工作的高性能多通道顯示系統，系統采用模塊化、標準化和通用化的方式實現，高性能顯示接口模塊具備良好的可重用性。通過深入試驗測試，該系統能夠在-40℃～+60℃溫度環境、振動環境和電磁環境條件下穩定工作，并已在多個工程項目中應用。對于該顯示系統，可以將其CPCI總線架構改進為CPCI-E架構，能夠更加有效地提高高性能加速運算的總線傳輸效率，擺脫總線瓶頸的束縛。

［1］PCIMG 2.0 R3.0 CompactPCI specification［EB/OL］.［2013-09-09］.http://wenku.baidu.com/link?url=hPtV4U8A8ldhTBfT_fkHWeWUEygnrMRnnVOisYDId3ezLFWZTwXYfkWBepiMNZam4cHdqTAwOGp0G C-tibR3TiEtq4hghptfARbJEztmWze.

［2］PEX8114AA PCI Express-to-PCI/PCI-X Bridge Data Book［EB/OL］.［2013-09-09］.http://www.plxtech.com.

［3］ATI Radeon E4690(M96-CSP512)Databook［EB/OL］.［2013-09-09］.http://www.amd.com.

［4］BUDRUK P，ANDERSON D，TOM S.PCI Express系統體系結構標準結構［M］.田玉敏，譯.北京:電子工業出版社，2005.

［5］胡志勇.當今電子設備冷卻技術的發展趨勢［J］.電子機械工程，1999(1):2-5.

［6］黃海波.一種高速圖像處理與控制系統的設計［J］.電視技術，2013，37(23):85-88.