基于FPGA的机载视频图形显示系统架构设计与优化

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关键字：机载显示系统   FPGA   DDR3   吞吐量   BRAM资源占用  
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