机载冗余图像处理系统的设计与实现

0 引言

DVI(数字视频接口)是当前数字显示领域研究和应用的热点，面向DVI输出的视频处理技术不仅解决了显示器高分辨率、高刷新率等问题，而且提高了稳定性和显示性能，并进一步降低了平板显示器的成本。因此，面向DVI输出的视频控制器的研究具有十分重要的现实意义。

根据DVI标准，一条TMDS通道可以达到165 MHz的工作频率和10 b接口，也就是可以提供1.65 Gb/s的带宽，这足以应付1 920x1 080@60 Hz(23寸LCD)的显示要求。另外，为了扩充兼容性，DVI还可以使用第二条TMDS通道，这样其带宽将会超过3 Gb/s。也正是由于其较高的带宽优势，目前DVI已经成为了IT业界最具前途的规范。

DVI具有支持高带宽数据传输和高清晰图像显示的优点。模拟视频的显示是通过数字到模拟到数字的转化实现的，而DVI接口无需进行这些转换，直接数字到数字，避免了信号转换而带来的图像质量损失，使图像的清晰度和细节表现力都得到了大大提高。基于以上优点，DVI接口被广泛应用于航空、航天等领域。

1 总体方案设计

1.1 总体方案原理框图

用户输入4路DVI信号，然后根据输入信号特性进行选择，将视频信号实时显示在液晶屏上。另外，将实时显示的图像回送给记录仪，此时记录仪实时记录当前的信息以及故障信息，确保在全任务阶段图像显示的正确性。根据设计要求，选择Altera公司生产的FPGA芯片EP2S30 F1020I4为主控芯片，配置芯片选用EPCS16SI16N。利用FPGA内部丰富的逻辑资源和强大的IP核，配以相应的外部电路，构建出一个灵活、简洁、可靠的机载视频图形处理系统的嵌入式硬件模块。其总体方案原理框图如图1所示。

1.2 DVI编解码设计

在很多设计中，设计人员为了方便，简化电路，可能不会增加均衡器，对输入信号不进行处理。从而在后期的产品试验过程中，很容易就会出现信号显示质量差，兼容性差的缺陷，导致整个产品重新设计或整改，延缓了产品交货进度。根据用户输入的视频特性，本文采用均衡器+DVI编、解码器的方式，对输入、输出信号进行转换处理。这样处理有如下优点：传输距离较长，信号干扰小;外围电路简单，设计灵活、可靠;系统速度快、灵活性强、功能可扩展，系统兼容性好。

在本系统中，选用TI公司生产的均衡器DS16EV5110，该器件具有功耗低、体积小、外围电路简单等特点。另外，DVI编解码芯片选用TI公司生产的芯片TFP401和TFP410，同样具有功耗低、体积小、外围电路简单等特点。该器件控制引脚直接连接至FPGA，可以很好控制这些器件的工作状态，以便减小功耗。并且，整个FPGA内部逻辑控制简单、可靠。

在硬件电路设计中，还需要考虑高频特性对信号的影响。整个系统显示的分辨率为1 600x1 200@60Hz，信号位为真彩色24 b，采用奇偶方式，参考时钟162 MHz，DVI编码时钟为10×162 MHz=1.62 GHz，其编码码元理论宽度仅为t=1/1.62 Hz=0.62 ns，则码元的最大变化时间应在0.62/4=0.16 ns之内。考虑数据传输的可靠性和稳定性，采用双像素传输，可以大大降低信号采样频率。此外，还要考虑到PCB布局地线的完整性和供电去耦特性。其编解码芯片混合信号的供电参考电路如图2所示。

2 SDRAM视频缓存设计

2.1 SDRAM选择依据

整个系统显示的分辨率为1 600x1 200@60 Hz，信号位为真彩色24 b，则一帧图像所需需要存储的容量C=1 600×1 200×24=46 080 000 b≈47 Mb;考虑到SDRAM乒乓操作和容量等问题，选用MICRO公司生产的容量为128M的MT48LC4M3282TG-6器件，速度等级6，时钟频率达到166 MHz。该器件具有32根数据线和12根地址线，还有一些控制线。通过在FPGA内部搭建逻辑控制单元，可以很好的控制SDRAM视频信号的翻转等操作。

2.2 FPGA内部原理逻辑框图

FPGA内部原理逻辑框图如图3所示。

2.2.1 FPGA内部逻辑功能介绍

(1)信号输入模块

这部分的主要功能是接收外部输入的视频信号，增强输入信号的驱动能力，为信号的后续处理做准备。其用Verilog语言实现的逻辑代码如下所示：

(2)数据流选择模块

根据需要选择两路输入视频信号中的一路进行输出。

(3)SDRAM乒乓操作和控制模块

由于SDRAM乒乓操作具有节省缓冲区空间、流水线式算法以及低速模块处理高速数据流的特点。因此，本设计采用乒乓操作SDRAM。

SDRAM作为整个图像处理系统的缓存，起着至关重要的作用。它将外部输入的图像按帧存入SDRAM中，然后按帧将图像数据送到外部继续处理。FPGA的控制逻辑所需要完成的功能有：接收来自外部的图像数据，并进行缓冲和数据重组，产生符合SDRAM控制器位宽的数据信号;产生对SDRAM的读、写命令和地址，并将它们寄存在FIFO中，随时供SDRAM控制器提龋因