一種機載適航圖形顯示處理單元的設計與實現

金韜

摘要：目前，我國的通用飛機及其機載航電系統起步階段大多依賴國外先進技術或者引進國外具有知識產權保護的成熟產品，并由此消化吸收，進而開發出擁有自主知識產權和創新的產品和技術，從目前我國相關技術發展的成熟度來看，通用飛機航電系統的主要問題是設備和系統的適航認證性問題，因此論文基于適航認證的要求，提出了一種基于FPGA的圖形顯示方案，該方案利用FPGA實現對顯示數據的簡單處理和視頻接口等功能，而其中圖形的渲染、字符疊加以及OpenGL等圖形加速功能均利用航電IPC的CPU完成。該方案具有開發難度低、適航認證難度最小、開發速度快等特點，是滿足目前快速搶占通飛航電市場領域的較好方案之一。

關鍵詞：適航認證;通用飛機機載航電系統;圖形顯示方案;嵌入式;設計實現

中圖分類號：TP368.2? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）18-0257-04

Abstract： At present， the general aircraft and its airborne avionics system mostly rely on foreign advanced technology or the introduction of foreign mature products with intellectual property protection in our country.The products and technologies with independent intellectual property rights and innovation are developed by digesting and absorbing the technology. From the maturity of China's current technology development， the main problem of the general aircraft avionics system is the airworthiness certification of equipment and systems. Therefore， based on the requirements of airworthiness certification， a graphic display based on FPGA is proposed. The solution uses the FPGA to implement functions such as simple processing of display data and video interface. Graphics rendering， character overlay， and graphics acceleration functions such as OpenGL are all done using the avionics IPC CPU. The scheme has the characteristics of low development difficulty， minimum difficulty of airworthiness certification， and rapid development speed， and the design is one of the better solutions to meet the current rapid preemption of the aerospace market.

Key words： Airworthiness certification; graphic display processing unit; FPGA; embedded syste;? design and implementation

1 引言

隨著科學技術的發展，嵌入式圖形系統不管是在功能上，還是在各方面性能上與通用計算機的圖形系統有很大區別，這是因為嵌入式系統本身在應用領域、應用范圍、應用環境等方面具有其特殊性。根據IEEE 的定義，嵌入式系統是指控制、監視、或輔助設備、機器甚至工廠運作的裝置，它是軟件與硬件的綜合體，本身基于某些特殊用途[1]。由此可知，嵌入式系統與通用計算機平臺最大的不同在于嵌入式系統的專用性。正是嵌入式系統在不同領域、甚至同一領域中的不同應用環境下的專用性使得嵌入式系統的采用也各不相同。本文研究的是機載圖形顯示處理單元，鑒于航空領域的特殊性，其對軟件、硬件有很高的安全性要求，強調穩定、可靠，因此本文主要就設計實現滿足適航的機載圖形顯示處理單元提出自己的設計方案與實現過程。

2 適航認證相關知識

通用飛機產品始終追求安全性、經濟性、舒適性和環保性，其中安全性是設計航空飛行器的首要要求和前提[2]。政府適航當局在制定一系列適航法規的基礎上，對航空飛行器的設計、制造、使用等環節進行嚴格的審查、監督和管理，以此保障航空飛行器的安全性[2]。常用的適航標準有DO-178B（機載軟件適航標準）、DO-254C（機載硬件適航標準）及SAE ARP 4754A （民用飛機及系統研制指南）等。在適航審定過程中，申請人必須提供相應設計過程、設計文件材料來證明航空飛行器滿足適航標準和要求[2]。航空飛行器設計符合適航標準的產品可以通過以下方法：

1）嚴格按照適航標準進行設計、研發。

2） 以適航標準為目標完成從里到外，從上到下的分層分解軟硬件系統，完成軟硬件系統和子系統的需求分解。

3）通過整理系統在設計、開發等過程中的設計文件、構型管理文件等材料來確認航空飛行產品軟硬件的設計和制造滿足適航規章的要求和確保所安裝的軟件滿足其他適航要求和標準。

如圖2 所示，顯示數據流通過“輸入數據選擇控制”模塊送入兩個數據緩沖區中。在第1個數據緩沖周期，將輸入的數據流緩存到“數據緩沖1”模塊。在第2個緩沖周期，“輸入數據選擇控制”模塊將輸入的數據流緩存到“數據緩沖2”模塊中的同時，“輸出數據選擇控制”模塊將“數據緩沖1”模塊第1個周期緩存的數據流送到“后續處理”模塊進行后續的數據處理。在第3個緩沖周期，在“輸入數據選擇控制”模塊的再次切換后，輸入的數據流緩存到“緩沖數據1”模塊，與此同時，“輸出數據選擇控制”模塊也做切換，將“數據緩沖2”模塊緩存的第2個周期的數據送到“后續處理”模塊，如此循環[4，5，6]。

3.2.2 基于FPGA的PCI-E接口設計

由于本文選取的FPGA型號是Cyclone V FPGA系列，內含2個PCI-E硬核，可以直接通過FPGA內嵌得PCI-E核實現PCI-E接口電路[6]。用戶可以直接通過Quartus Prime 15.1來定制PCI-E核，主要設置以下參數：鏈路個數、最大數據傳輸速率、定制的PCI-E IP 核種類、參考時鐘頻率、PCI-E版本。設置界面如圖3所示[7]：

3.2.3 基于FPGA的LVDS接口發送模塊設計

Quartus II軟件的MegaWizard Plug-In Manager管理器提供了針對LVDS信號處理的IP核，包括LVDS發送核（Altlvds_tx）與LVDS接收核（Altlvds_rx）。可以調用其IP核Altlvds_tx，即 LVDS 接口發送模塊。此模塊將以并行方式輸入的 TTL 電平數據信號轉換成串行的 LVDS 信號輸出[8]。

首先，需要將 LVDS 模塊設置為發送模式，即將左端輸入的并行 tx_in 信號轉化為串行的 tx_out 信號輸出。調整發送模式后，還需要設置通道數和串行化因子，以此保證后續的正確輸出。在這里，通道數限定了后續輸出數據的位數，根據實際需要可以設定不同的數字以保障實際使用的準確性。串行化因子表示處理后會將輸入數據分幾次進行輸出，也需要根據實際的數據來自主確定。

以輸入 28位的并行數據為例，如果想要這個數據輸出串行的4位數據，并分7次輸出，需要將通道數設置為4，串行化因子設置為7，最終整體數據設置為 4 channels *7。在此設定的基礎上，若輸入數據時鐘為81MHz，輸出的數據率會為輸入的7倍，也就是567Mbps。圖6為信號輸出仿真波形圖，圖7部分代碼貼圖。

4 結論

本文通過對適航認證的研究，提出了一種基于FPGA的圖形顯示方案，該方案利用FPGA實現對顯示數據的簡單處理和視頻接口等功能，而其中圖形的渲染、字符疊加。以及OpenGL等圖形加速功能均利用航電IPC的CPU完成。該方案具有開發難度低、適航認證難度最小、開發速度快等特點，是滿足目前快速搶占通飛航電市場領域的較好方案之一。

參考文獻：

[1] 何立民.嵌入式系統的定義與發展歷史[J].單片機與嵌入式系統應用，2004（1）：6-8.

[2] 蔡喁，鄭征，蔡開元.機載軟件適航標準DO-178B/C研究[M].上海交通大學出版社，2013：8-11.

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[6] 王智，羅新民.基于乒乓操作的異步FIFO設計及VHDL實現[J].電子工程師，2005，31（6）：13-16.

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[8] 陳瑩，高雙成.基于FPGA的LVDS接口應用[J].電子科技，2012， 25（1）：8.

【通聯編輯：梁書】