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基于FPGA的机载视频显示系统的低功耗设计-电气论文基于FPGA的机载视频显示系统的低功耗设计袁春辉,周建江,董琎琎(南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏南京210016)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Kintex7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,与上一代以Virtex5FPGA为核心的视频显示系统相比,其功耗降低了约9W关键词低功耗;FPGA;机载视频显示;实时处理中图分类号TN
911.73-34;TP274文献标识码A文章编号1004-373X
(2015)12-0089-03收稿日期2014-12-15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Kin-tex7系列FPGA作为核心处理器,该FPGA采用28nm工艺制造,与相似密度40nm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(DataEnable,显示数据有效信号)、HS(HorizontalSynchronization,行同步信号)、VS(VerticalSynchronization,场同步信号)、CLK(像素时钟)和像素数据线将视频数据和控制信号连接到Kintex7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16b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
1.8V,典型功耗约为
0.3W,休眠状态功耗仅为15μW,因此是低功耗视频采集电路的理想选择该芯片主要性能如下
(1)支持I2C总线接口,可以FPGA对其进行内部寄存器配置;
(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;
(3)内部具有精确的10位ADC可以提供专业品质的视频性能图2为ADV7180解码设计电路DVI解码芯片采用TI公司的TFP401A
[5],该芯片最高支持到1080P和WUXGA分辨率,输出像素时钟最高到165MHz芯片支持DVI标准规范,支持24b/PIXEL真彩内核电压为
1.8V,外围接口电压为
3.3V,典型功耗为
1.2W,休眠状态功耗仅为115mW图3为TFP401A解码设计电路,其中输入的RX
[20]+/-和RXC+/-为经过串/并转换编码的4路TMDS信号,输出的信号主要有偶像素信号QE
[230],像素时钟ODCK、像素有效DE、行/场同步(HSYN/VSYN)和同步检测SCDT等芯片通过检测DE信号的状态变化来确定链路的激活状态解码器的同步检测指示信号端(SCDT)可以直接和其输出驱动器电源控制端(PDO)相接,这样就可让芯片自动根据TMDS链路的激活情况来管理输出驱动器的电源供给图3为TFP401A解码设计电路
2.2视频缓存模块系统需要对输入的视频进行叠加字符及帧速率转换等处理,因此需要对输入的视频数据进行缓存选用Micron公司的DDR3SDRAM芯片MT41J64M16作为缓存
[6],相比上一代DDR2,在同等读/写速率下功耗降低了30%该芯片的供电电压为
1.5V,存储容量为128MB,读/写速率为800Mb/s,而需要处理的一帧最高分辨率视频占据约32Mb存储空间,对应系统最高传输帧速率为1600Mb×16b/32b=800f/s,完全满足系统最高60f/s的需求,符合系统实时性要求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5V/10A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,降低系统功耗电源分为
3.3V,
1.5V,
1.2V,
1.0V,
0.75V,系统的主供电电源为5V选用Linear公司的专供FPGA和DSP芯片供电的LTM4616给FPGA提供
1.0V的内核电压和
3.3V的外设供电电压,LTM4616是一个具有双路电压输出,单路最大可以提供8A电流的开关电源芯片输入电压范围为
2.7~
5.5V,输出电压范围为
0.6~5V,DC输出端在-40~125℃之间的最大输出误差仅为±
1.75%,并且具有过流/过热保护单元,稳定性较高在5V输入、
1.0V输出、单路8A输出的测试环境下,电源转换效率高达85%,具有较低的功率损耗,同时其双路输出特性可以减少PCB版面,降低成本选用TPS51116提供
1.5V和
0.75V电压输出TPS51116电源芯片是TI公司的一款存储器电源管理芯片,它提供了DDR3存储器的完整电源解决方案,内部集成了DDR3存储器所需的3条电源轨对于系统处理器所需的锁相环等对于电源纹波系数要求较高的模块,采用LDO(LowDropout,低压差)线性稳压电源进行供电选用2片TI公司的LDO电源芯片TPS74401给FPGA的高速串行Bank供电为了降低LDO输入/输出电压差,减少功率损失,LDO输入电压选择DDR3供电电压
1.5V,分别输出
1.2V和
1.0V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经测量,在DVI视频输入,DVI视频输出的情况下,本视频显示系统的总功耗不超过18W,与上一代以Virtex5FPGA为核心的显示系统功耗27W相比,极大的降低了功耗,满足了系统对功耗的限制,为低功耗视频处理技术提供了很好的解决方案图5为经过缩放及字符叠加后的DVI视频输出效果图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Kintex7FPGA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作者简介袁春辉(1990—),男,江苏南通人,硕士研究生研究方向为机载显示技术、嵌入式开发参考文献
[1]张东红,程岳,王海鹏,等.机载低功耗视频处理模块的设计与实现[J].电子技术,2014
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[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,
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[5]TexasInstruments.TFP401Adatasheet(SLDS120B)[M].USA TexasInstruments,
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