一种新型飞机电子水平状态仪的设计

冯斐　付强　郑永梅　汪小飞

摘要：文章通过分析新型飞机电子水平状态仪，重新设计了以新型帧存结构为基础的EHSI图形与系统，新的设计方案以双缓冲交替切换与自动消隐为重点，将生成EHSI罗盘画面的时间大幅缩短，同时运用单帧双扫显与电影遮光板等技术原理，将系统视频带宽提升至一倍以上。

关键词：飞机仪表；图形显示；电子水平状态仪；帧存结构；EHSI 文献标识码：A

中图分类号：V271 文章编号：1009-2374（2016）01-0013-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.007

现代飞机显示正朝着综合化与玻璃化的方向发展，传统的机械式水平状态仪逐渐被时代所淘汰，取而代之的则是新型的电子水平状态仪，即EHSI。电子水平状态仪主要采用的是液晶显示器，液晶显示器比传统显示器具有更高的对比度与清晰度。但是由于液晶显示器的图显系统对水平状态仪处理器要求特别高，图显系统在成像的过程中需要经过大量的运算，因此在国内并没有被大规模投入使用。EHSI需要根据飞机实时参数的变化而同步显示全罗盘画面，这一过程实际上是在用新的位置动画替换掉老的位置动画，动画变化之间需要进行大量的精确记录与计算，才能保证EHSI所显示动画位置的准确性。所以，EHSI的设计难点在于提升动画生成的速度与效率，同时还要保证图显的美观与稳定。

1 电子水平状态仪简介

1.1 图形处理器

图形处理器可以使用SHARC系列DSP中的ADSP21060处理器，40MIPS的处理能力与巅峰120MFLOPS的运算能力保证了EHSI图形处理与外部数据交换的速度。DMA通信口和超级哈佛总线结构使它的指令运算能够在单周期内完成。同时配备有4Mbit的ADSP-21060以及可访问的片外储存，能够保证多个处理器结构之间的联结。

1.2 KDM710显示模块

KDM710液晶显示模块采用了5×5英寸、600×600分辨率的彩色液晶模块，同时配上24位RGB数字输入。如图1所示，8位RGB数字信号有3个，同时与时序信号相组合，就能保证图形稳定显示在液晶显示屏上。电子显示器的可维护与可靠性都随着电子工业的发展而逐步提升，显示器自身功耗与发热量等问题也得到了有效的解决，并且从外观亮度、可视角度等方面都有了很大的提升。

1.3 帧存

本系统采用两组帧存的设计，以SRAM为基础，512K×8位的SRAM容量加上10ns读写速度，3片SRAM就能产生一组全彩的帧存。同时本系统运用的是双缓冲轮流切换控制法，DSP所写的像素会由FP-GA帧存控制器转到另一个帧存，然后传入液晶显示屏。

1.4 控制器

在此系统中，ADSP21060没有专门使用控制器和外部储存，所以需要为其设计控制电路。视频控制器可以产生相对应的数据使能信号，帧存控制器则负责单帧双扫以及自动消隐等功能。

1.5 主机接口设计

在电子水平状态仪系统中，图形显示主要依靠双口RAM进行与主机并行通讯工作，从中得出操作指令与显示信息。双口RAM可以选择IDT70V24芯片，组成多线位数储存器，设计上十分灵活。

2 电子水平状态仪设计关键技术

2.1 视频控制器

彩色液晶显示屏所产生的时序参数通过视频控制器产生同步信号，当KDM710开始逐行进行同步时，计数器自动开始下一行的扫描；当KDM710产生在场同步信号时，计数器自动复位开始另一轮扫描。DCLK像素时钟通过系统时钟DSP，经FPGA芯片，由DLL数字锁相延迟环二分频得到。当像素时钟运行时序生成器时，通过行同步信号控制场产生行同步信号与行消隐信号。设计时，为避免产生不必要的问题，应该通过微分电路来使行同步信号产生使能信号，使能信号以一个时钟周期为宽度。当使能信号工作时，时序生成器随即同步运行，与此同时将产生场同步信号与场消隐信号。行消隐信号与场消隐信号相遇之后便成为了数据使能信号，使能信号为高时，就将图像传送给KDM710模块。SRAM经过一定时间的延迟，就能够将像素数据传送至总线，以供KDM710读入数据。

2.2 自消隐帧存控制器

2.2.1 硬件自动消隐。全罗盘画面并不是一个静止不动的图像，而是一个实时运动的动画，它通过软件的处理用新位置的图像替代旧位置的图像，然后将图形相似的二者绘制在略微不同的位置上。因此为了保证被替换的老图形位置准确性，需要建立一个庞大的数据储存表来记录老图形的位置数据，DSP在这个过程中会消耗大量的时间。然而假设DSP在向一个帧存写图形数据之时，通过硬件方法将这个帧存消隐掉，那么DSP运算的速度将会大大提高，给DSP节省了组织数据与消隐老图形的时间，如此一来，电子水平状态仪产生罗盘动画的速度，会大大加快。自动消隐帧存控制器并不适合所有的飞行仪表，当EHSI显示的图形是数据较少，又需要实时追踪的画面，比如全罗盘画面时，其背景数据远大于图形数据，因此帧存消隐功能才能帮助DSP节省消隐老图形的时间。相对的，如果飞行仪表需要显示大量填充的图形画面，比如数字地图，继续使用消隐帧存控制器是完全没有效果的。这一类型的图像需要对各个区域进行不同的填色，如果硬件将前一次所显示的完整图形消除掉，那么下一次显示所需要进行的读取与运算工作将会更加复杂，无疑给DSP增加了额外的负担。加速大量填充画面运行显示需要软件的支持，仅仅从硬件设计上研究是不科学的。

2.2.2 自消隐帧存控制器。

图1 自消隐帧存控制器框架

如图1所示，自消隐帧存控制器框架图。FPGA首先对所有帧存进行高速消隐，然后当一个帧存切换至DSP一侧，就会开始写入数据。图中标出了DSP写入数据地址总线、FPGA读取数据地址总线和高速消隐总线，MUX提供各路总线之间切换工作，三路数据总线会经由三态门附挂在SRAM总线之上，三路总线切换由Sel与Clear信号来完成。作为负脉冲信号的Clear消隐信号，它有分隔Sel信号为两部分的功能，当Clear信号处于消隐区时，其性质为低电平，而当消隐工作结束时，便转换成高电平。DSP会根据Clear信号的下降与上升来进行工作，Clear下降时DSP进行图形处理，Clear上升时，DSP进行图形传输。

图2 帧存控制时序图

如图2所示，MUX会根据一定逻辑运算来进行选择。假设S0=1，帧存此时会选择FPGA作为目标；S0=0，S1=0，帧存所选择的目标就会变成DSP总线；而S0=0，S1=1这种情况下，帧存就会选择FPGA消隐总线。

2.2.3 单帧双扫。人类的双眼只有在场频大于40Hz/s的状态下才不会使大脑觉得画面在闪烁，所以一般50Hz/s是专业图形显示系统中所保证的场频。单帧双扫技术是借鉴了电影遮光板的某些原理，将其运用到设计中，在每一帧里画面会连续显示两次，随后才会进行下一帧图像的显示。通过这样的设计可以将视频的带宽增加一倍，硬件设计25Hz的频率通过单帧双扫技术可以获得50Hz的效果。

3 结语

新型飞机电子水平状态仪通过SRAM与FPGA设计模式，使EHSI在生成全罗盘画面耗时大大减少。EHSI点阵字符为16*16时，全罗盘画面生成速度会节省7毫秒，如果点阵字符扩大到24*24，节省的时间则更多。自动集中消隐技术的运用不但可以节省DSP运算时间，还能够简化DSP的数据处理工作，如此一来所节省下来的时间就可以用做其他工作。在FPGA器件方面，电路板的尺寸被大大削减了，提高了FPGA的灵活性，EHSI的适应能力也同时上升，只需要对FPGA做一些修改，就能使EHSI在不同型号的显示器上使用。同时双帧存和单帧双扫技术大大降低了图形闪烁的几率，提高了系统带宽与图像刷新率。本文所提出的设计方法与思路具有很强的适应性，只需要部分改动就能满足其他一些特定场合的需求。

参考文献

[1] 周涛，李璐.民用飞机电子飞行仪表仿真系统设计与实现[J].电子设计工程，2014，22（22）.

[2] 丁倩.计算机图形与图形图像处理技术的相互结合

[J].电子测试，2014，（11）.

[3] 任晗，和麟.基于动态航路的EFIS仿真系统设计[J].计算机仿真，2014，31（3）.

（责任编辑：周 琼）