摘 要：針對主飛行顯示儀" title="主飛行顯示儀">主飛行顯示儀對圖形處理和顯示的苛刻要求，采用基于儀器總線和擴展總線的高速陣列信號處理板的設計模式，提出了一種基于硬件加速的PFD圖形顯示設計方法。該方法實現了圖形分層" title="圖形分層">圖形分層雙緩存交替切換、圖形填充" title="圖形填充">圖形填充、圖形合成" title="圖形合成">圖形合成和多通道DMA像素引擎，提高了PFD圖形生成和顯示的實時性和可靠性。實踐證明，該設計顯著解決了PFD圖形顯示系統(tǒng)中的速度瓶頸。
關鍵詞：主飛行顯示儀 圖形分層 圖形填充 圖形合成 FPGA
主飛行顯示儀PFD(Primary Flight Display)包含了至關重要的安全飛行信息[1]，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，需要大量的各種運算，如圖形掃描變換、反走樣、圖形旋轉及其他的特殊算法操作[2]。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，怎樣實時生成并準確顯示逼真圖形畫面，是對嵌入式PFD設計者的一個極大的挑戰(zhàn)。而基于PC機的傳統(tǒng)圖形生成和圖形顯示方式，又過于復雜且存在安全隱患。鑒于這種情況，參考文獻[3-5]雖然提出了一些解決方法，但實際效果并不是很明顯。本文采用基于儀器總線和擴展總線的高速陣列信號處理板的設計模式，提出了一種基于硬件加速的PFD圖形顯示設計方法。該方法實現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圖形生成和顯示的實時性和可靠性。文中以Quartus Ⅱ5.0 和Modelsim_Altera 5.6e為開發(fā)、仿真和綜合的平臺，在Altera公司的Cyclone Ⅱ系列FPGA" title="FPGA">FPGA上成功下載并運行。
1 整體設計方案
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，顯示畫面需要根據飛機參數的變化實時更新，要求在地平線上填充藍色背景（藍色表示天空），而在地平線下填充綠色（綠色表示大地）。隨著飛機姿態(tài)的變化，地平線將在邊界線內改變大小及方向，畫面上的藍色和綠色區(qū)域將重新分配，這種天地區(qū)域的動態(tài)重新填充是個非常費時的工作。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同旋轉。可見，姿態(tài)指引畫面是電子主飛行儀中最為耗時的畫面之一[4]。而全羅盤畫面則側重于字符、線段的繪制和旋轉變換，反走樣運算任務十分繁重。在導航地圖畫面生成和處理中，數據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，本文設計了大規(guī)模陣列處理機模型，其主飛行儀表顯示系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示。該設計采用共享外部總線和分布式并行處理相結合的系統(tǒng)結構。每個處理板通過儀器背板總線互相連接，提供了共享外部總線的結構；而相鄰板之間也有一套擴展總線，提供了局部共享總線的結構。這樣，板間既可通過背板總線直接交換數據，也可以通過擴展總線以DMA方式進行數據傳輸。另外，每個板內，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間數據交換的大型緩沖區(qū)。從圖形或圖像處理算法實現上考慮，這種結構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的設計
針對每塊板的不同處理功能，對FPGA進行了不同的算法設計。以板0#為例作一介紹。圖2為FPGA的各種接口與系統(tǒng)其他部分的關系。
2.1 總線接口設計
系統(tǒng)有兩套總線：儀器總線和擴展總線。儀器總線仿VXI總線設計，采用雙排歐式插座設計，模擬信號和數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：飛行傳感器調理信號和系統(tǒng)模擬電源。數字部分采用基于多板分布式并行處理機制的共享式總線結構，主要包括：24位地址總線、16位數據總線、模塊功能選擇與控制總線、以及時鐘和觸發(fā)信號等；擴展總線采用基于板間流水線處理機制的鏈式結構，主要包括：20位地址總線、8位數據總線和控制總線。總線接口中，讀寫控制、地址譯碼、中斷及DMA控制、時鐘和握手信號均由FPGA實現。限于篇幅，具體設計細節(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換器Cross-MUX、讀寫控制器和地址發(fā)生器組成。系統(tǒng)上電復位時，首先將變化頻繁、數據量小的前景與變化緩慢或不變、數據量大的背景圖形分開存儲于高速SRAM中，每3片SRAM組成全彩色(R、G、B)圖形幀存(這樣的圖形幀存共有3組)。其中，SRAM3為背景幀存，SRAM1和SRAM2為前景幀存。將前景幀存設計為雙緩存輪流切換方式，當其中一組寫入生成圖形數據時，另一組則正被讀出數據到圖形合成模塊，圖形生成與顯示并行進行。
2.3 圖形合成模塊
圖形合成模塊支持一層到四層的圖形合成，通過設置合適的圖形開始點和結束點（包括豎直和水平）來完成控制。公式(1)、(2)、(3)分別給出了其控制模型。式中，Plx為當前l(fā)x層像素的灰度值，介于0~255之間；x為層
2.4 像素引擎模塊
像素引擎模塊產生像素時鐘輸入信號CLK、行同步信號/Hsync、場同步信號/Vsync、數據使能信號/DE、掃描方向選擇信號DPSR和R、G、B數據控制信號，控制LCD屏顯示全彩色圖形或圖像。
2.5 圖形填充模塊
圖形填充算法[6]的效率高低，直接影響到圖形顯示系統(tǒng)的加速程度。設計高效的填充算法猶為重要。本系統(tǒng)設計了一種基于形態(tài)學膨脹算子的多種子填充算法。膨脹算子具有天然并行運算能力，易于FPGA硬件實現，并且改進算法后，填充速度大幅度提高。圖形填充模塊由結構元素生成器、膨脹處理器和位置計數器組成。
2.5.1 結構元素生成器
形態(tài)學圖形膨脹算法，是用結構元素對圖形某鄰域窗口進行的處理[7]。本設計采用的是3×3的方形結構元素，每次需要讀取9個數據。為此，在FPGA內部定義了寄存器和FIFO，將相關的圖形灰度數據進行存儲，以使其在一個時鐘周期內，以流水線的方式形成填充所需要的一個結構元素窗口。流水線的方式，加快了數據處理速度。結構元素窗口形成模塊框圖如圖3所示。圖中，w22為結構元素原點，如圖4所示。
2.5.2 膨脹處理器
參考文獻[8]中膨脹處理器的設計方法是：從3×3窗口讀取的數據w11、w12、w33…w33中，挑出數值最大的元素并把它輸出，采用兩兩比較排序算法，共需要12級比較。由于多級比較器的傳輸遲滯，最大工作頻率受到限制。本系統(tǒng)中將多種子呈多條水平線分布，種子值為1，待填充區(qū)域為0，結構元素的w22在滑動時，只與0或1比較，比較結果若為1，則直接實現8鄰域填充。這一方法簡化了比較過程，提高了系統(tǒng)帶寬和處理速度。在填充區(qū)域為320×480像素時，其最大工作頻率可以達到80.12MHz(而參考文獻[8]在填充區(qū)域為120×120像素時，其最大工作頻率為62.751MHz），加速效果比較明顯。
2.5.3 位置計數器
位置計數器根據行、列位置標志來確定滑動窗口(結構元素)在圖形數據陣列中的位置。圖形邊界根據位置計數器的值查表得到，邊界判斷比較迅速。
圖形填充模塊的狀態(tài)遷移圖如圖5所示。本設計根據需要設定了六個狀態(tài)：Idle、ReadFIFO、Comp、WriteRAM、Boundary、Bd_P。這六個狀態(tài)根據窗口位置是否有種子而進行轉換，從而完成圖形填充。
以上描述中，結構元素與種子比較、像素點的填充、邊界判斷等內容可有多種表達算法，特別是種子預置、邊界判斷和邊界填充，有待進一步研究。
3 仿真及實驗結果
圖6是仿真和實驗結果。圖6(a)是圖形分層雙緩存交替切換、圖形填充、圖形合成和多通道DMA像素引擎的時序仿真圖；圖6(b)是實驗結果圖。對800×600的屏，刷新率可達47.6Hz，即21ms/幀；對320×480的區(qū)域，填充一次約花費2.86ms。
本文提出的基于儀器總線和擴展總線的高速陣列信號處理板的整體設計模式，具有較強的圖形處理和數據吞吐能力?；谟布铀俚腜FD圖形顯示設計，提高了PFD圖形生成和顯示的實時性及可靠性，也顯著提高了圖形質量，使顯示畫面更加逼真。經設計和部分調試表明：該方案具有較好的工程實用性和易擴展性。
參考文獻
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[5] ZHU Yaodong Dong，ZHANG Huanchun，JING Yazhi．A new design method of combined graphics display system in
aircraft cockpit[J]．Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2002.
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