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基于FPGA的機(jī)載視頻顯示系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)方案
為了使飛行員能夠更加準(zhǔn)確全面地獲取飛行過程中所需的各種信息，機(jī)載顯示系統(tǒng)需要顯示的信息越來越多[1]。顯示系統(tǒng)作為飛機(jī)與飛行員之間交互的重要橋梁，將各種飛行參數(shù)以生動(dòng)具體的視覺形式顯示在顯示器上，飛行員通過讀取這些信息，從而做出及時(shí)反應(yīng)。這就要求系統(tǒng)具有非常高的處理速度，導(dǎo)致采用的視頻處理算法復(fù)雜，因此加重了系統(tǒng)的功耗負(fù)擔(dān)。國內(nèi)外采用的主流方案功耗較大，無法保證系統(tǒng)長時(shí)間穩(wěn)定工作。因此，研究低功耗的機(jī)載視頻顯示系統(tǒng)具有較好的實(shí)際意義。
1 顯示系統(tǒng)總體架構(gòu)
本文提出的低功耗顯示系統(tǒng)是基于FPGA的硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)[2]。該系統(tǒng)通過PCI?e總線接收上層CPU發(fā)送的指令，主要完成外部視頻采集、視頻及字符圖形的處理、視頻發(fā)送等操作。視頻處理主要包括視頻縮放、旋轉(zhuǎn)及圖形疊加等處理。為了盡可能地降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，核心處理器FPGA及外圍視頻編解碼器均選擇帶有低功耗配置的芯片。采用Xilinx公司最新推出的Kintex 7系列FPGA作為核心處理器，該FPGA采用28 nm工藝制造，與相似密度40 nm器件相比，功耗降低一半，利用其豐富的邏輯資源和IP核資源[3]并配合以相應(yīng)的外圍輔助電路模塊，構(gòu)建出一個(gè)靈活、可重構(gòu)的機(jī)載視頻顯示系統(tǒng)。硬件部分主要還包括視頻編/解碼模塊、DDR3視頻緩存模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊。FPGA視頻接口主要有：DE（Data Enable，顯示數(shù)據(jù)有效信號(hào)）、HS（Horizontal Synchronization，行同步信號(hào)）、VS（Vertical Synchronization，場同步信號(hào)）、CLK（像素時(shí)鐘）和像素?cái)?shù)據(jù)線。將視頻數(shù)據(jù)和控制信號(hào)連接到Kintex 7的管腳，通過FPGA處理后再通過編碼器輸出到顯示屏上，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。
2 低功耗視頻采集與緩存模塊
2.1 視頻采集模塊
視頻采集電路是顯示系統(tǒng)的核心電路，通過航空插件接收上層CPU發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)，將獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)解碼后傳送給FPGA，完成相應(yīng)的處理。
系統(tǒng)采用ADV7180[4]作為PAL視頻解碼芯片。該芯片是ADI公司生產(chǎn)的一款通用性很強(qiáng)的視頻解碼芯片，能將兼容國際標(biāo)準(zhǔn)NTSC或PAL的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合ITU?RBT.656格式的16 b數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。ADV7180芯片是一個(gè)功耗極低的視頻解碼器，供電電壓為1.8 V，典型功耗約為0.3 W，休眠狀態(tài)功耗僅為15 μW，因此是低功耗視頻采集電路的理想選擇。該芯片主要性能如下：
�。�2） 具有低功耗模式配置管腳，可以根據(jù)上層CPU控制指令將芯片置休眠狀態(tài)；
2.2 視頻緩存模塊
3 電源模塊設(shè)計(jì)
顯示系統(tǒng)硬件平臺(tái)中用到的芯片類型及種類較多，不同芯片所需的供電電壓、電流等電源特性各不相同。系統(tǒng)外部提供一個(gè)5 V/10 A的總電源輸入，根據(jù)所使用到的不同電源類型，在滿足供電能力和電源質(zhì)量的前提下，盡可能地減少電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)，降低系統(tǒng)功耗。
此外，為了保證FPGA在上電時(shí)的電流達(dá)到最小，必須確保FPGA滿足一定的上電順序。本設(shè)計(jì)選用的電源芯片均帶有軟啟動(dòng)功能，能較好地滿足上電要求，且輸出電壓精度和輸出電流裕量均滿足系統(tǒng)需求。
4 實(shí)物圖與性能結(jié)果分析
系統(tǒng)測試階段，將顯示系統(tǒng)各種視頻輸入/輸出、通信接口、調(diào)試信號(hào)以及電源等，通過航空插件引至調(diào)試平臺(tái)的各類標(biāo)準(zhǔn)連接器上，這樣可以方便地完成對(duì)系統(tǒng)的各類指標(biāo)測試以及功能測試。圖4為機(jī)載視頻顯示系統(tǒng)及調(diào)試平臺(tái)實(shí)物圖。
5 結(jié) 語
低功耗視頻顯示系統(tǒng)作為機(jī)載航電系統(tǒng)中的重要組成部分，以最新的低功耗Kintex 7 FPGA為核心，外圍搭載了低功耗DDR3及編解碼芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)換效率較高的電源網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)格控制了顯示系統(tǒng)的功耗。本文提出的一種基于FPGA的硬件架構(gòu)，具有簡單靈活、可靠有效的優(yōu)勢，解決了降低功耗和較大數(shù)據(jù)量的視頻數(shù)據(jù)緩存問題。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，顯示效果良好，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。
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