基于FPGA的機載顯示系統(tǒng)架構設計與優(yōu)化

　　隨著航空電子技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代機載視頻圖形顯示系統(tǒng)對于實時性等性能的要求日益提高。常見的系統(tǒng)架構主要分為三種：

　　(1)基于GSP+VRAM+ASIC的架構，優(yōu)點是圖形ASIC能夠有效提高圖形顯示質量和速度，缺點是國內復雜ASIC設計成本極高以及工藝還不成熟。

　　(2)基于DSP+FPGA的架構，優(yōu)點是，充分發(fā)揮DSP對算法分析處理和FPGA對數(shù)據流并行執(zhí)行的獨特優(yōu)勢，提高圖形處理的性能;缺點是，上層CPU端將OpenGL繪圖函數(shù)封裝后發(fā)給DSP，DSP拆分后再調用FPGA，系統(tǒng)的集成度不高，接口設計復雜。

　　(3)基于FPGA的SOPC架構，優(yōu)點是，集成度非常高;缺點是邏輯與CPU整合到一起，不利于開發(fā)。

　　經過對比，機載視頻圖形顯示系統(tǒng)的架構設計具有優(yōu)化空間，值得進一步的深入研究，從而設計出實時性更高的方案。

　　本文設計一種基于FPGA的圖形生成與視頻處理系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)2D圖形和字符的繪制，構成各種飛行參數(shù)畫面，同時疊加外景視頻圖像。在保證顯示質量的同時，對其進行優(yōu)化，進一步提高實時性、減少內部BRAM的使用、降低DDR3的吞吐量。

　　1 總體架構設計

　　本系統(tǒng)總體設計方案如圖 1所示。以Xilinx的Kintex-7 FPGA為核心，構建出一個實時性高的機載視頻圖形顯示系統(tǒng)。上層CPU接收來自飛控、導航等系統(tǒng)的圖形和視頻控制命令，對數(shù)據進行格式化和預處理后，通過PCIe接口傳送給FPGA。本文主要是進行FPGA內部邏輯模塊的設計和優(yōu)化。

　　圖1 機載顯示系統(tǒng)總體設計框圖

　　2 機載顯示系統(tǒng)架構設計

　　機載顯示系統(tǒng)設計主要包括2D繪圖、視頻處理和疊加輸出。2D繪圖功能包括直線、圓、字符等的快速生成。視頻處理功能包括輸入視頻選擇、視頻縮放、旋轉、翻轉等處理。疊加輸出功能，將視頻作為背景與圖形疊加，送到兩路DVI輸出，一路經過預畸變校正后輸出到平顯上，另一路直接輸出來進行地面記錄。

　　為了滿足上述功能，F(xiàn)PGA邏輯設計的整體流程圖如圖2所示。

　　圖2 FPGA邏輯設計的整體流程圖

　　2.1 實時性分析

　　視頻處理既要實現(xiàn)單純的外視頻處理，同時能夠實現(xiàn)疊加后視頻處理。以旋轉處理為例，若在單純外視頻旋轉處理后，與圖形疊加，再進行疊加后旋轉處理，延遲非常大。因此為了提高實時性，考慮將圖形整體和外視頻分別進行旋轉處理后，再相互疊加。整個流程中，幀速率提升模塊延遲最大。

　　2.1.1 幀速率提升算法

　　幀速率提升指在原有的圖像幀之間插值出新的圖像幀。常見的幀速率提升算法主要包括幀復制法、幀平均法和運動補償法。綜合考慮顯示效果和實時性要求，最終選擇幀復制法。幀復制法易于實現(xiàn)、計算量低。其表達式為：

　　此處輸入PAL視頻幀速率為25幀/秒，輸出DVI視頻幀速率為60幀/秒，即在0.2s內將5幀圖像插值到12幀。如圖3所示，DDR3中開辟5幀存儲空間用于存放25Hz的原始圖像，在0.2 內輸入5幀原始圖像，輸出12幀圖像。延遲為PAL的1.5~2.6幀，最大延遲為。

　　圖3 幀速率提升示意圖

　　2.2 BRAM資源占用

　　本文設計的機載顯示系統(tǒng)利用一片DDR3作為外部存儲器，所有圖形和視頻數(shù)據都需要緩存到DDR3中。為了解決數(shù)據存儲沖突，需要將數(shù)據先緩存到內部BRAM中。XC7k410T共有795個36Kb的BRAM。整個流程中，BRAM資源占用最大的是圖形整體旋轉和視頻旋轉模塊。

　　2.2.1 視頻旋轉算法

　　反向旋轉映射優(yōu)點是，旋轉后坐標反向旋轉，除了超出原始坐標范圍的，在旋轉前坐標中都能對應到浮點坐標，并可以用該坐標鄰域的像素點來唯一確定該坐標的像素值，不會出現(xiàn)“空洞”現(xiàn)象。

　　圖4 視頻旋轉算法示意圖

　　2.3 DDR3吞吐量分析

　　本系統(tǒng)處理的數(shù)據量大，F(xiàn)PGA內部的存儲資源無法滿足數(shù)據存儲要求，需要配置系統(tǒng)外部存儲器DDR3。從圖2可以看出，整個系統(tǒng)流程最多經過DDR3共9次，下面依次介紹每次讀寫DDR3的必要性和數(shù)據量。

　?、?圖形及字符生成模塊讀寫數(shù)據，由于圖形及字符生成時，沒有嚴格按照屏幕自上而下、自左而右的順序，所以每一幀圖形都需要存入到DDR3中，并等待一幀處理完再進行整體的其他處理。由于像素點操作會涉及到讀取背景值，所以是雙向的?？紤]吞吐量最大的情況，即圖形生成模塊對每幀圖形的一半像素點都進行一次讀寫操作，則圖形生成模塊讀寫數(shù)據量為

　?、?圖形縮放模塊讀數(shù)據及清屏操作，由于縮放模塊是對整個畫面的處理，所以需要從DDR3中讀取出來。而由于圖形及字符不是對每個像素點都進行操作的，所以取出后，需要進行清屏操作。則讀寫數(shù)據量為474.6。

　?、?圖形旋轉模塊寫數(shù)據，由于圖形處理速度和視頻處理速度不完全匹配，所以先將縮放及旋轉后的數(shù)據存儲到DDR3，等待視頻處理完后，再統(tǒng)一取出，寫數(shù)據量為237.3 MB/s。

　?、?圖形輸出讀數(shù)據，同時進行平移、翻轉、鏡像等坐標變換操作，寫數(shù)據量為237.3 MB/s。

　　⑤ PAL視頻輸入數(shù)據，為了實現(xiàn)去隔行和幀速率轉換，必須將數(shù)據存儲到DDR3中進行變換操作，讀寫數(shù)據量為

　　⑥ 視頻縮放模塊讀數(shù)據，從DDR3中取出進行縮放操作，讀數(shù)據量為