機載大屏幕顯示器的余度設計

賀堃

（太原航空儀表有限公司，山西 太原030006）

1 機載顯示器發展現狀

機載顯示器是飛行員與機載各系統之間進行人機交互的重要接口。飛行員通過機載顯示器完成各種任務操作。隨著飛機作戰需求的不斷提升，機載顯示器的應用需求也發生了極大的變化。在現代化作戰環境中顯示器將面臨更為復雜的應用環境，產品需要具備多任務、高度信息化、高度智能化的工作能力。傳統的分立式機載顯示器設計布局，畫面設計方式已不能滿足實際應用要求。為了解決上述問題，在新一代的機載顯示器設計中，大屏幕液晶顯示器得到了越來越多的應用。與傳統顯示器相比，大屏幕顯示器具有有效顯示面積大，顯示信息豐富，操作使用靈活，作戰任務適應性強等優點。能夠有效增強飛行員對任務中的態勢感知，還能有效減少飛行員在信息獲取和管理上耗費的時間。

2 余度設計技術

大屏幕液晶顯示器在具有傳統顯示器無可比擬的優勢的同時也要特別注意產品可靠性和安全性方面的設計。由于顯示器將座艙內很多傳統顯示器儀表整合在一起，如果大屏顯示器失效，飛行的絕大部分任務將無法完成，飛機的飛行安全也面臨巨大的考驗。為了提高大屏顯示器的可靠性，在產品設計過程中要考慮使用余度技術，余度技術是提高產品可靠性安全性的主要手段，它通過增加余度資源來保證單一故障不會對產品正常工作造成影響。余度設計要根據任務可靠性和安全性定量指標確定系統及部件的余度設計方案以及余度管理方案，余度設計的目的是以最小的余度和復雜性來滿足產品的可靠性和安全性要求。

3 機載大屏幕顯示器的余度設計

3.1 總體余度設計

某型大屏幕顯示器需要完成對各類外部數據總線的解析和處理，數據處理完成后自出生成顯示畫面并送至液晶顯示屏進行畫面顯示。產品在開展總體設計時在滿足產品功能的前提下考慮進行余度設計。總體余度設計架構如圖1。產品由液晶顯示模塊、視頻處理模塊、綜合數據處理模塊、總線數據處理模塊和數據分配模塊幾部分組成。為了提高產品的可靠性，對重要程度較高的綜合數據處理模塊和總線數據處理模塊采用余度設計。兩組模塊采用熱備份工作方式，模塊都處于正常工作狀態，當主模塊出現故障時，備用模塊可以立刻替代主工作模塊，保證產品工作正常，主備兩組功能模塊分別采用獨立的電源系統供電。主備工作模塊的狀態監控和選擇切換由視頻顯示處理模塊完成。顯示處理模塊將選擇后的視頻信號發送到液晶顯示模塊進行顯示。大屏幕液晶顯示屏采用左右半屏獨立驅動的工作模式進行顯示。正常情況下，左右半屏根據預定功能分別顯示各類顯示信息。當半屏顯示出現故障時，系統能夠手動或自動對顯示畫面進行重構，保證任務完成和安全飛行所必須的信息能夠正常顯示，產品狀態也由正常工作狀態自動切換到降級工作狀態，當故障狀態恢復后，產品狀態也能自動恢復到正常工作狀態。

圖1 大屏顯示器總體余度設計框圖

3.2 硬件余度設計

3.2.1 電源系統的余度設計

圖2 電源系統原理框圖

產品內部的余度功能模塊采用獨立的電源系統進行供電，當某路電源系統故障時，由其供電的功能電路將喪失全部功能。因此有必要對電源系統采用余度設計。當某個供電電源工作出現故障時，另一個供電電源將為整個功能電路供電。兩路供電模塊相互作為對方的熱備份，從而提升了供電系統以及產品的可靠性。余度電源系統主要由LTC4359 和MOS 管組成。LTC4359 是Linear 公司研制生產的一款具備電源管理功能的理想二極管控制器，它驅動外部連接的N 溝道MOSFET 來控制輸入供電線路的通斷。芯片具有防止反向電壓輸入功能。如果輸入電源出現失效或短路故障，LTC4359 可快速關斷，防止電流倒灌。當用于高電流大功率應用場合，LTC4359 可有效降低功率損耗、熱耗散和電壓降。電源系統原理框圖見圖2。正常情況下，電源5V_IN1 和5V_IN2 兩路電源都輸出5V 供電電壓，5V_IN1 通過控制使能控制電路使能第一路供電輸出，禁止第二路5V_IN2 輸出，5V_OUT1的輸入電源為5V_IN1；當5V_IN1 失效時，第一路電源輸出關閉，第二路電源自動開啟，5V_OUT1 輸出電源由5V_IN2 提供。

3.2.2 視頻顯示處理模塊的余度設計

視頻顯示處理模塊主要功能是對外部輸入的兩路視頻信號進行監控和選通并發送至液晶顯示模塊進行顯示。視頻處理電路通過FPGA 芯片進行搭建，FPGA 通過解析外部輸入視頻的行、場和使能控制信號來判斷視頻信號的有無。模塊默認輸出主處理模塊輸出的視頻信號，當主模塊出現故障，視頻信號異常時，FPGA 邏輯自動將視頻輸入切換至余度模塊輸出通道。如果兩個通道的視頻均出現異常，視頻顯示處理模塊將自動生成備份顯示畫面把故障信息實時反饋給飛行員。為了提高產品可靠性，視頻處理模塊的FPGA 處理電路采用非相似余度設計。即設計兩套由不同芯片電路，不同處理邏輯構建的具有相同預定功能的主備FPGA 電路。主備電路之間通過離散量互相傳遞狀態信號，通過預設表決邏輯自動控制電路的切換。余度電路采用熱備份方式進行工作，有效保證了產品穩定工作。

3.2.3 液晶顯示模塊的余度設計

液晶顯示模塊是整個產品的顯示終端，如果模塊出現故障畫面無法顯示，產品將失去全部功能。為了避免這種情況的出現，在液晶顯示模塊的設計中對重要功能電路開展了余度設計。將大屏幕液晶顯示屏物理上分為左右半屏，兩個半屏采用獨立T-CON 板進行驅動，從而保證當一個顯示區域出現故障時，可以將全部或者部分重要信息轉移至另外一個顯示區域進行顯示。液晶顯示模塊的背光燈板由多顆LED 燈珠通過串、并聯的方式構成背光照明電源，燈板出現故障，產品畫面也將無法顯示。產品的背光控制采用了余度設計，兩組獨立的LED 控制電路通過采用隔行控制的方式分別對間隔布局的LED 燈串進行驅動。當其中一路控制電路出現故障時，產品顯示畫面會出現顯示顏色不均勻的現象，但產品整體顯示功能的實現不會受到影響。液晶顯示模塊的另外一個重要功能是液晶屏加熱功能，加熱功能可以保證在低溫工作環境下產品的畫面顯示效果不會影響飛行員對顯示信息的判讀。加熱功能的實現是通過控制MOS 管控制加熱電源的輸出來實現的。如果加熱控制失效，產品在常溫或者高溫環境下仍處于加熱狀態，液晶屏會清亮化，顯示出現異常，長時間后液晶顯示屏會出現不可逆的損壞。在加熱控制電路的設計上也采用了余度設計。產品加熱電路設計原理如圖3 所示。加熱控制信號由PWM_HEAT_O 和HEAT_CTL_O 通過與門來生成。只有當兩個控制信號都有效時，三極管D2 和MOS 管D1 才能導通，后端加熱電路才能正常為液晶顯示屏進行加熱（如圖3）。

圖3 加熱電路原理圖

在正常情況下，只通過PWM_HEAT_O 一個加熱控制信號就可以實現加熱電路的控制。該信號通過調節PWM工作頻率來控制加熱電源的工作頻率。為了避免該控制信號失效導致加熱功能失控，又設計了HEAT_CTL_O 信號作為應急控制開關，該信號在正常情況下處于常高有效狀態，產品加熱功能的實現僅通過PWM_HEAT_O 控制信號完成。如果CPU 監控到加熱電路工作處理異常，會將HEAT_CTL_O 信號置低，加熱控制端被置為無效，加熱電路被強制關閉。通過采取上述余度措施，液晶顯示模塊的可靠性得到了顯著的提升。

3.3 軟件設計

產品余度功能的實現一部分是通過硬件電路自動完成，但大部分余度功能的實現需要通過軟件設計來完成。產品軟件設計主要完成兩方面的工作：

3.3.1 設備狀態的監控。產品軟件需要周期監控各功能模塊的工作情況，根據預置的判斷條件判定功能模塊是否處于健康狀態，并根據監控結果生成故障信息的記錄和告警。軟件狀態監控形成的結果是軟件執行控制動作的直接依據。

3.3.2 控制邏輯的決斷和實施。產品軟件根據故障信息進行控制邏輯的決斷，實現“故障工作”、“故障安全”、“故障規避”或“故障降級”等不同情形下的軟件運行控制。

4 結論

針對大屏幕液晶顯示器的產品特點和應用需求，在產品設計過程中對影響產品功能實現的關鍵重要功能采取了余度設計技術。余度設計方法的使用可以保證顯示器在部分功能失效的情況下，仍可以在全工作狀態或者降級工作狀態下實現預定功能，從而有效提高了機載大屏幕顯示器的可靠性，本文討論的余度技術還可用于其他機載成品的研制。