基于FPGA的機載視頻顯示系統的低功耗設計

袁春輝等

摘 要： 機載視頻顯示系統需要完成對視頻信號的實時低功耗處理，采用Xilinx公司新推出的Kintex 7系列FPGA作為核心處理器，并搭載高倍讀/寫速率的DDR3，實現了對PAL及DVI視頻信號的編解碼、旋轉縮放等處理，系統電路設計模塊化，具有較強的靈活性和擴展性。在此設計了一種基于FPGA的低功耗顯示系統的硬件架構，測試結果顯示，與上一代以Virtex 5 FPGA為核心的視頻顯示系統相比，其功耗降低了約9 W。

關鍵詞： 低功耗； FPGA； 機載視頻顯示； 實時處理

中圖分類號： TN911.73?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0089?03

為了使飛行員能夠更加準確全面地獲取飛行過程中所需的各種信息，機載顯示系統需要顯示的信息越來越多[1]。顯示系統作為飛機與飛行員之間交互的重要橋梁，將各種飛行參數以生動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，從而做出及時反應。這就要求系統具有非常高的處理速度，導致采用的視頻處理算法復雜，因此加重了系統的功耗負擔。國內外采用的主流方案功耗較大，無法保證系統長時間穩定工作。因此，研究低功耗的機載視頻顯示系統具有較好的實際意義。

1 顯示系統總體架構

本文提出的低功耗顯示系統是基于FPGA的硬件設計架構[2]。該系統通過PCI?e總線接收上層CPU發送的指令，主要完成外部視頻采集、視頻及字符圖形的處理、視頻發送等操作。視頻處理主要包括視頻縮放、旋轉及圖形疊加等處理。為了盡可能地降低整個系統的功耗，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]并配合以相應的外圍輔助電路模塊，構建出一個靈活、可重構的機載視頻顯示系統。硬件部分主要還包括視頻編/解碼模塊、DDR3視頻緩存模塊、FLASH存儲模塊。FPGA視頻接口主要有：DE（Data Enable，顯示數據有效信號）、HS（Horizontal Synchronization，行同步信號）、VS（Vertical Synchronization，場同步信號）、CLK（像素時鐘）和像素數據線。將視頻數據和控制信號連接到Kintex 7的管腳，通過FPGA處理后再通過編碼器輸出到顯示屏上，系統總體架構如圖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的核心電路，通過航空插件接收上層CPU發送的視頻數據，將獲取的數據經解碼后傳送給FPGA，完成相應的處理。

系統采用ADV7180[4]作為PAL視頻解碼芯片。該芯片是ADI公司生產的一款通用性很強的視頻解碼芯片，能將兼容國際標準NTSC或PAL的模擬視頻信號轉換成符合ITU?RBT.656格式的16 b數字視頻數據。ADV7180芯片是一個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：

（1） 支持I2C總線接口，可以FPGA對其進行內部寄存器配置；

（2） 具有低功耗模式配置管腳，可以根據上層CPU控制指令將芯片置休眠狀態；

（3） 內部具有精確的10位ADC可以提供專業品質的視頻性能。圖2為ADV7180解碼設計電路。

DVI解碼芯片采用TI公司的TFP401A[5]，該芯片最高支持到1 080 P和WUXGA分辨率，輸出像素時鐘最高到165 MHz。芯片支持DVI標準規范，支持24 b/PIXEL真彩。內核電壓為1.8 V，外圍接口電壓為3.3 V，典型功耗為1.2 W，休眠狀態功耗僅為115 mW。圖3為TFP401A解碼設計電路，其中輸入的RX[2：0]+/-和RXC+/-為經過串/并轉換編碼的4路TMDS信號，輸出的信號主要有偶像素信號QE[23：0]，像素時鐘ODCK、像素有效DE、行/場同步（HSYN/VSYN）和同步檢測SCDT等。芯片通過檢測DE信號的狀態變化來確定鏈路的激活狀態。解碼器的同步檢測指示信號端（SCDT）可以直接和其輸出驅動器電源控制端（PDO）相接，這樣就可讓芯片自動根據TMDS鏈路的激活情況來管理輸出驅動器的電源供給。圖3為TFP401A解碼設計電路。

2.2 視頻緩存模塊

系統需要對輸入的視頻進行疊加字符及幀速率轉換等處理，因此需要對輸入的視頻數據進行緩存。選用Micron公司的DDR3 SDRAM芯片MT41J64M16作為緩存[6]，相比上一代DDR2，在同等讀/寫速率下功耗降低了30%。該芯片的供電電壓為1.5 V，存儲容量為128 MB，讀/寫速率為800 Mb/s，而需要處理的一幀最高分辨率視頻占據約32 Mb存儲空間，對應系統最高傳輸幀速率為1 600 Mb×16 b/32 b=800 f/s，完全滿足系統最高60 f/s的需求，符合系統實時性要求。

3 電源模塊設計

顯示系統硬件平臺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。系統外部提供一個5 V/10 A的總電源輸入，根據所使用到的不同電源類型，在滿足供電能力和電源質量的前提下，盡可能地減少電壓轉換次數，降低系統功耗。

電源分為3.3 V，1.5 V，1.2 V，1.0 V，0.75 V，系統的主供電電源為5 V。選用Linear公司的專供FPGA和DSP芯片供電的LTM4616給FPGA提供1.0 V的內核電壓和3.3 V的外設供電電壓，LTM4616是一個具有雙路電壓輸出，單路最大可以提供8 A電流的開關電源芯片。輸入電壓范圍為2.7～5.5 V，輸出電壓范圍為0.6～5 V，DC輸出端在-40～125 ℃之間的最大輸出誤差僅為±1.75%，并且具有過流/過熱保護單元，穩定性較高。在5 V輸入、1.0 V輸出、單路8 A輸出的測試環境下，電源轉換效率高達85%，具有較低的功率損耗，同時其雙路輸出特性可以減少PCB版面，降低成本。

選用TPS51116提供1.5 V和0.75 V電壓輸出。TPS51116電源芯片是TI公司的一款存儲器電源管理芯片，它提供了DDR3存儲器的完整電源解決方案，內部集成了DDR3存儲器所需的3條電源軌。

對于系統處理器所需的鎖相環等對于電源紋波系數要求較高的模塊，采用LDO（Low Dropout，低壓差）線性穩壓電源進行供電。選用2片TI公司的LDO電源芯片TPS74401給FPGA的高速串行Bank供電。為了降低LDO輸入/輸出電壓差，減少功率損失，LDO輸入電壓選擇DDR3供電電壓1.5 V，分別輸出1.2 V和1.0 V。

此外，為了保證FPGA在上電時的電流達到最小，必須確保FPGA滿足一定的上電順序。本設計選用的電源芯片均帶有軟啟動功能，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需求。

4 實物圖與性能結果分析

系統測試階段，將顯示系統各種視頻輸入/輸出、通信接口、調試信號以及電源等，通過航空插件引至調試平臺的各類標準連接器上，這樣可以方便地完成對系統的各類指標測試以及功能測試。圖4為機載視頻顯示系統及調試平臺實物圖。

經測量，在DVI視頻輸入，DVI視頻輸出的情況下，本視頻顯示系統的總功耗不超過18 W，與上一代以Virtex 5 FPGA為核心的顯示系統功耗27 W相比，極大的降低了功耗，滿足了系統對功耗的限制，為低功耗視頻處理技術提供了很好的解決方案。圖5為經過縮放及字符疊加后的DVI視頻輸出效果圖。

5 結 語

低功耗視頻顯示系統作為機載航電系統中的重要組成部分，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，設計了一個轉換效率較高的電源網絡，嚴格控制了顯示系統的功耗。本文提出的一種基于FPGA的硬件架構，具有簡單靈活、可靠有效的優勢，解決了降低功耗和較大數據量的視頻數據緩存問題。系統工作穩定，顯示效果良好，具有較高的應用價值和實際意義。

參考文獻

[1] 張東紅，程岳，王海鵬，等.機載低功耗視頻處理模塊的設計與實現[J].電子技術，2014（8）：52?55.

[2] 尤力.機載視頻處理及圖形生成系統硬件平臺設計與實現[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[3] Xilinx Inc. Kintex?7 family overview（DS182 v2.4）[M]. USA： Xilinx Inc， 2012.

[4] Analog Devices. ADV7180 datasheet [M]. USA： Analog Devices， 2012.

[5] Texas Instruments. TFP401A datasheet （SLDS120B） [M]. USA： Texas Instruments， 2003.

[6] Micron Technology Inc. MT41J128M16 datasheet [M]. USA： Micron Technology， 2013.