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基于FPGA的机载显示系统架构设计与优化
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porereading
发表于 2014-12-10 22:35
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基于FPGA的机载显示系统架构设计与优化
电子技术
,
数据流
,
成本
,
接口
随着航空电子技术的不断发展,现代机载视频图形显示系统对于实时性等性能的要求日益提高。常见的系统架构主要分为三种:
(1)基于GSP+VRAM+ASIC的架构,优点是图形ASIC能够有效提高图形显示质量和速度,缺点是国内复杂ASIC设计成本极高以及工艺还不成熟。
(2)基于DSP+FPGA的架构,优点是,充分发挥DSP对算法分析处理和FPGA对数据流并行执行的独特优势,提高图形处理的性能;缺点是,上层CPU端将OpenGL绘图函数封装后发给DSP,DSP拆分后再调用FPGA,系统的集成度不高,接口设计复杂。
(3)基于FPGA的SOPC架构,优点是,集成度非常高;缺点是逻辑与CPU整合到一起,不利于开发。
经过对比,机载视频图形显示系统的架构设计具有优化空间,值得进一步的深入研究,从而设计出实时性更高的方案。
本文设计一种基于FPGA的图形生成与视频处理系统,能够实现2D图形和字符的绘制,构成各种飞行参数画面,同时叠加外景视频图像。在保证显示质量的同时,对其进行优化,进一步提高实时性、减少内部BRAM的使用、降低DDR3的吞吐量。
1总体架构设计
本系统总体设计方案如图1所示。以Xilinx的Kintex-7 FPGA为核心,构建出一个实时性高的机载视频图形显示系统。上层CPU接收来自飞控、导航等系统的图形和视频控制命令,对数据进行格式化和预处理后,通过PCIe接口传送给FPGA.本文主要是进行FPGA内部逻辑模块的设计和优化。
图1机载显示系统总体设计框图
2机载显示系统架构设计
机载显示系统设计主要包括2D绘图、视频处理和叠加输出。2D绘图功能包括直线、圆、字符等的快速生成。视频处理功能包括输入视频选择、视频缩放、旋转、翻转等处理。叠加输出功能,将视频作为背景与图形叠加,送到两路DVI输出,一路经过预畸变校正后输出到平显上,另一路直接输出来进行地面记录。
为了满足上述功能,FPGA逻辑设计的整体流程图如图2所示。
图2 FPGA逻辑设计的整体流程图
2.1实时性分析
视频处理既要实现单纯的外视频处理,同时能够实现叠加后视频处理。以旋转处理为例,若在单纯外视频旋转处理后,与图形叠加,再进行叠加后旋转处理,延迟非常大。因此为了提高实时性,考虑将图形整体和外视频分别进行旋转处理后,再相互叠加。整个流程中,帧速率提升模块延迟最大。
2.1.1帧速率提升算法
帧速率提升指在原有的图像帧之间插值出新的图像帧。常见的帧速率提升算法主要包括帧复制法、帧平均法和运动补偿法。综合考虑显示效果和实时性要求,最终选择帧复制法。帧复制法易于实现、计算量低。其表达式为:
此处输入PAL视频帧速率为25帧/秒,输出DVI视频帧速率为60帧/秒,即在0.2s内将5帧图像插值到12帧。如图3所示,DDR3中开辟5帧存储空间用于存放25Hz的原始图像,在0.2内输入5帧原始图像,输出12帧图像。延迟为PAL的1.5~2.6帧,最大延迟为。
图3帧速率提升示意图
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