摘 要：介紹飛行儀表字符圖形產(chǎn)生器的工作原理和實現(xiàn)方法，并提出了一種針對飛行儀表顯示圖形特點的新型幀存結(jié)構(gòu)，該幀存結(jié)構(gòu)具有雙緩沖和自動消隱等特點。文中討論了采用大規(guī)�？删幊踢壿嬈骷﨔PGA設(shè)計的視頻控制器和幀存控制器的方法。最后，重點介紹自動消隱幀存的原理和設(shè)計方法，該方法能大大加快飛行儀表顯示畫面的生成速度。<!--摘要CH(結(jié)束)←-->
<!--→關(guān)鍵CH(開始)--> 關(guān)鍵詞：飛行儀表；圖形顯示系統(tǒng)；字符產(chǎn)生器；數(shù)字信號處理器；現(xiàn)場可編程門陣列<!--關(guān)鍵CH(結(jié)束)←-->
引 言
現(xiàn)代飛機座艙顯示系統(tǒng)正在向綜合化方向發(fā)展，向飛行員傳遞的飛機參數(shù)越來越依賴于圖形顯示。由于液晶顯示器具有對比度高，在陽光下清晰可見及重量輕、視角大等特點，在國外已獲得普遍應(yīng)用［1］。目前，在國內(nèi)，液晶顯示器并沒有在飛機上得到真正的應(yīng)用，所用的幾乎都是陰極射線管（Cathode－ray tube，CRT）顯示器。作為顯示系統(tǒng)核心部件的字符圖形產(chǎn)生器，其性能如何，直接影響到整個系統(tǒng)的性能。國內(nèi)字符圖形產(chǎn)生器主要有兩種形式，一種圖形字符產(chǎn)生方法是用純硬件產(chǎn)生，字符圖形都用直線線段擬合產(chǎn)生，即簡單矢量產(chǎn)生器。其優(yōu)點是作圖速度快，但字符圖形不光滑，且無亮度補償，所以，整個畫面顯得非常粗糙；另一種是用圖形處理器產(chǎn)生圖形，優(yōu)點是圖形顯示美觀，可以用軟件補償消除毛刺，但作圖速度慢，實時性差，在顯示羅盤等畫面時出現(xiàn)跳躍感［2］。因此，研制高性能字符圖形產(chǎn)生器仍然是一個亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，需要從硬件與軟件兩方面考慮，設(shè)計出高性能的字符圖形產(chǎn)生器，既要做到圖形顯示清晰美觀穩(wěn)定，又要實時性強，無延時，無跳變。本文介紹現(xiàn)場可編程門陣列（Field programmable gate array，F(xiàn)PGA）在飛行儀表字符圖形產(chǎn)生器設(shè)計中的應(yīng)用：采用液晶顯示屏，用FPGA設(shè)計了一個視頻控制器，并針對飛行儀表所顯示畫面（如全羅盤畫面）的特點，提出了一種新型的顯示幀存結(jié)構(gòu)，設(shè)計了具有自動消隱功能的幀存控制器。文中詳細介紹了這兩種控制器的設(shè)計方法，該設(shè)計方法也可應(yīng)用于其它類似的民用場合，具有一定的實用參考價值。
1 字符圖形產(chǎn)生器
飛行儀表字符圖形產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。字符圖形產(chǎn)生器接收主機的顯示信息，經(jīng)處理后產(chǎn)生在顯示屏上所要顯示的各種字符和圖形［3］。圖1中，整個系統(tǒng)基于DSP＋FPGA結(jié)構(gòu)，由DSP（AD公司：ADSP21060）作為主圖形處理器，F(xiàn)PGA（Xilinx公司：XC2S100）實現(xiàn)所有的控制、譯碼等邏輯，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高。主機信息通過一塊雙口RAM（IDT公司：71V04）來傳送，DSP接收到雙口 RAM中的參數(shù)信息后，進行圖形處理（如掃描變換、反走樣等），產(chǎn)生所要顯示的像素信息，在幀頻所允許的時間內(nèi)，將顯示像素送入FPGA。FPGA實現(xiàn)視頻控制器和幀存控制器的功能。幀存采用雙緩沖輪流切換的方法，在DSP向其中一個幀存寫像素時，由FPGA構(gòu)成的幀存控制器將另一個幀存中的像素順序讀出送給AMLCD（Active matrix liquid crystal display）顯示，反之亦然。幀存中讀出的像素數(shù)據(jù)與視頻控制器產(chǎn)生的行場掃描時序相配合，在顯示屏上顯示正確穩(wěn)定的圖形。圖中的幀存采用ISSI公司的61LV5128高速異步靜態(tài)RAM，其讀寫時間為10 ns。AMLCD采用美國Korry公司的KDM710全彩色液晶顯示模塊，該模塊為1．27 cm×1．27 cm，600×600分辨率彩色液晶顯示模塊，24位數(shù)字RGB輸入。
2 視頻控制器設(shè)計
視頻控制器實現(xiàn)的功能是根據(jù)所要驅(qū)動的彩色液晶顯示屏的時序參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)行、場同步信號。KDM710顯示模塊的顯示接口類似于常見的VGA接口。不同的是它需要提供像素時鐘輸入，從圖1可以看出，視頻控制器需要提供四個控制信號：行同步信號HSYNC、場同步信號VSYNC、數(shù)據(jù)使能信號DATA－EN和像素時鐘信號DCLK。根據(jù)KDM710所提供的時間參數(shù)，確定所要實現(xiàn)的時序如圖2所示。圖中，像素時鐘（DCLK）周期為50 ns（頻率為20 MHz），在經(jīng)過630個像素時鐘后產(chǎn)生一個低電平的行同步信號HS，而在經(jīng)過612個行同步后，產(chǎn)生一個低電平有效的場同步信號VS。AMLCD輸入的 RGB像素值只在數(shù)據(jù)使能DATA－EN有效時才有效，也即在行、場消隱信號（HB，VB）電平為高時顯示，因此，行場消隱信號的高電平有效期間必須是嚴格的600像素和600行。一般為了防止每行的第一個像素丟失，行同步脈寬B要與行同步后肩C的寬度一致，圖中這兩個參數(shù)都取為20個像素時鐘［4］。
設(shè)計行場掃描時序，一般有兩種方式：查找表方式和編程邏輯方式。查找表方式主要由存儲芯片構(gòu)成，如SRAM，EPROM，PORM等芯片。使用時，先根據(jù)所要產(chǎn)生的時序在存儲單元寫入相應(yīng)的數(shù)值，查表時再從表內(nèi)讀出對應(yīng)存儲單元的數(shù)值，以形成掃描時序。用查找表法形成時序的方法存在硬設(shè)備體積大、計算煩瑣的缺點。隨著大規(guī)模邏輯芯片的出現(xiàn)，利用編程邏輯方法產(chǎn)生行場掃描時序是一個發(fā)展方向，這種方法具有電路簡單、功能強、修改方便和可靠性高等優(yōu)點［5］。圖3為視頻控制器的結(jié)構(gòu)框圖。在本設(shè)計中，點時鐘DCLK由圖形處理器DSP的系統(tǒng)時鐘40 MHz經(jīng)SpartanII芯片內(nèi)置的DLL（Delay－locked loop）數(shù)字延遲鎖相環(huán)二分頻得到。點時鐘驅(qū)動行時序生成器，產(chǎn)生行同步信號HS和行消隱信號HB，由行同步信號控制場同步信號的產(chǎn)生。設(shè)計中為避免產(chǎn)生毛刺，視頻控制器的設(shè)計采用同步設(shè)計方法，如圖3所示。行同步信號HS通過一個微分電路，產(chǎn)生一個點時鐘周期寬的場時序生成器使能信號，在使能信號有效時，場時序生成器開始計數(shù)，并產(chǎn)生場同步信號VS和場消隱信號VB。行消隱信號HB和場消隱信號VB相與后即為數(shù)據(jù)使能信號DATA－EN，該數(shù)據(jù)使能信號作為產(chǎn)生幀存地址計數(shù)器的計數(shù)使能，以保證在DATA－EN信號為高時，將像素送給AMLCD模塊顯示。在DCLK的上升沿，幀存地址計數(shù)器加1，幀存SRAM經(jīng)過一段延時后，像素數(shù)據(jù)出現(xiàn)在總
線上。在DCLK的下降沿AMLCD將數(shù)據(jù)讀入。
