基于FPGA的机载视频显示系统的低功耗设计

摘 要： 机载视频显示系统需要完成对视频信号的实时低功耗处理，采用Xilinx公司新推出的Kintex 7系列FPGA作为核心处理器，并搭载高倍读/写速率的DDR3，实现了对PAL及DVI视频信号的编解码、旋转缩放等处理，系统电路设计模块化，具有较强的灵活性和扩展性。在此设计了一种基于FPGA的低功耗显示系统的硬件架构，测试结果显示，与上一อ代以Virtex 5 FPGA为核心的视频显示系统相比，其功耗降低了约9 W。

关键词： 低功耗； FPGA； 机载视频显示； 实时处理

为了使飞行员能够更加准确全面地获取飞行过程中所需的各种信息，机载显示系统需要显示的信息越来越多[1]。显示系统作为飞机与飞行员之间交互的重要桥梁，将各种飞行参数以生动具体的视觉形式显示在显示器上，飞行员通过读取这些信息，从而做出及时反应。这就要求系统具有非常高的处理速度，导致采用的视频处理算法复杂，因此加重了系统的功耗负担。国内外采用的主流方案功耗较大，无法保证系统长时间稳定工作。因此，研究低功耗的机载视频显示系统具有较好的实际意义。

1 显示系统总体架构

本文提出的低功耗显示系统是基于FPGA的硬件设计架构[2]。该系统通过PCI?e总线接收上层CPU发送的指令，主要完成外部视频采集、视频及字符图形的处理、视频发送等操作。视频处理主要包括视频缩放、旋转及图形叠加等处理。为了尽可能地降低整个系统的功耗，核心处理器FPGA及外围视频编解码器均选择带有低功耗配置的芯片。采用Xilinx公司最新推出的Kintex 7系列FPGA作为核心处理器，该FPGA采用28 nm工艺制造，与相似密度40 nm器件相比，功耗降低一半，利用其丰富的逻辑资源和IP核资源[3]并配合以相应的外围辅助电路模块，构建出一个灵活、可重构的机载视频显示系统。硬件部分主要还包括视频编/解码模块、DDR3视频缓存模块、FLASH存储模块。FPGA视频接口主要有：DE（Data Enable，显示数据有效信号）、HS（Horizontal Synchronization，行同步信号）、VS（Vertical Synchronization，场同步信号）、CLK（ล像素时钟）和像素数据线。将视频数据和控制信号连接到Kintex 7的管脚，通过FPGA处理后再通过编码器输出到显示屏上，系统总体架构如图1所示。

2 低功耗视频采集与缓存模块

2.1 视频采集模块

视频采集电路是显示系统的核心电路，通过航空插件接收上层CPU发送的视频数据♂，将获取的数据经解码后传送给FPGA，完成相应的处理。

系统采用ADV7180[4]作为PAL视频解码芯片。该芯片是ADI公司生产的一款通用性很强的视频解码芯片，能将兼容国际标准NTSC或PAL的模拟视频信号转换成符合ITU?RBT.656格式的16 b数字视频数据。ADV7180芯片是一个功耗极低的视频解码器，供电电压为1.8 V，典型功耗约为0.3 W，休眠状态功耗仅为15 μW，因此是低功耗视频采集卐电路的理想选择。该芯片主要性能如下：

（2） 具有低功耗模式配置管脚，可以根据上层CPU控制指令将芯片置休眠状态；

2.2 视频缓存模块

3 电源模块设计

显示系统硬件平台中用到的芯片类型及种类较多，不同芯片所需的供电电压、电流等电源特性各不相同。系统外部提供一个5 V/10 A的总电源输入，根据所使用到的不同电源类型，在满足供电能力和电源质量的前提下，尽可能地减少电压转换次数，降低系统功耗。

此外，为了保证FPGA在上电时的电流达到最小，必须确保FPGA满足一定的上电顺序。本设计选用的电源芯片均带有软启动功能，能较好地ต满足上电要求，且输出电压精度和输出电流裕量均满足系统需求。

4 实物图与性能结果分析

系统测试阶段，将显示系统各种视频输入/输出、通信接口、调试信号以及电源等，通过航空插件引至调试平台的各类标准连接器上，这样可以方便地完成对系统的各类指标测试以及功能测试。图4为机载视频显示系统及调试平台实物图。

5 结 语

低功耗视频显示系统作为机载航电系统中的重要组成部分，以最新的低功耗Kintex 7 FPGA为核心，外围搭载了低功耗DDR3及编解码芯片，设计了一个转换效率较高的电源网络，严格控制了显示系统的功耗。本文提出的一种基于FPGA的硬件架构，具有简单灵活、可靠有效的优势，解决了降低功耗和较大数据量的视频数据缓存问题。系统工作稳定，显示效果良好，具有较高的应用价值和实际意义。

参考文献

[2] 尤力.机载视频处理及图形生成系统硬件平台设计与实现[D].南京：南京航空航天大学，2012.