基于DSP與FPGA的全姿態(tài)指引儀圖形顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)機(jī)載電子全姿態(tài)指引儀顯示圖形信息的特征及其變化特點(diǎn)，在系統(tǒng)初始化時(shí)將圖形內(nèi)容分為背景層、填充層和動(dòng)態(tài)字符層三層，運(yùn)算過(guò)程中只改變根據(jù)參數(shù)變化的填充層和字符層；將圖形運(yùn)算過(guò)程分為圖形輪廓生成和硬件區(qū)域填充，分別由DSP軟件標(biāo)記區(qū)域邊界，FPGA根據(jù)標(biāo)記硬件完成區(qū)域填充；同時(shí)圖形運(yùn)算處理算法在所設(shè)計(jì)的DSP+FPGA的硬件平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證，結(jié)果表明，這種圖形處理方法減輕了傳統(tǒng)處理方法中主處理器的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，很大程度上提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞：機(jī)栽圖形顯示系統(tǒng)；電子全姿態(tài)指引儀；圖形分層；輪廓生成；區(qū)域填充算法

O 引言
隨著現(xiàn)代航空電子技術(shù)飛速發(fā)展以及飛機(jī)性能的提高，使得機(jī)載圖形顯示系統(tǒng)所顯示的參數(shù)越來(lái)越多，同時(shí)也對(duì)畫(huà)面顯示質(zhì)量從人機(jī)工效學(xué)的角度提出了很高的要求。要保證圖形顯示的連續(xù)性，顯示系統(tǒng)必須以每秒50幀以上的頻率實(shí)時(shí)刷新。傳統(tǒng)的EADI圖形處理方法是采用軟件運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，速度較慢，占用大量的運(yùn)算時(shí)間，從而使系統(tǒng)很難在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成區(qū)域填充、字符與直線旋轉(zhuǎn)、反走樣運(yùn)算等較為耗時(shí)的運(yùn)算。本文設(shè)計(jì)了基于DSP與FPGA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了軟硬件填充的圖形處理方法，先由DSP軟件完成圖形輪廓生成，然后FPGA硬件圖形處理器根據(jù)圖形輪廓完成耗時(shí)的圖形填充，使系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性方面取得了很好的效果并使得系統(tǒng)運(yùn)算資源得到了合理的分配與利用。

1 全姿態(tài)指引儀的功能與原理
飛行儀表的綜合顯示系統(tǒng)主要包括全姿態(tài)指引儀、電子航道羅盤(pán)、導(dǎo)航儀和視景儀等模塊化儀表設(shè)備，其中電子全姿態(tài)指引儀的顯示信息包括姿態(tài)指引信息、高度信息、速度信息和工作狀態(tài)信息等。它的主要任務(wù)就是以動(dòng)態(tài)圖形和字符的形式實(shí)時(shí)的顯示飛行參數(shù)，以便飛行員準(zhǔn)確的獲取所需要的信息，并進(jìn)行及時(shí)安全的操縱。全姿態(tài)指引儀區(qū)域填充運(yùn)算主要針對(duì)內(nèi)部天地球區(qū)域，如圖1(a)所示。以中間分界線即地平線為界，上部藍(lán)色區(qū)域代表天空，下部褐色區(qū)域代表陸地，地平線位置和角度決定兩個(gè)區(qū)域的形狀，在每次畫(huà)面刷新時(shí)都要重新生成圖形，上面疊加的字符和線段也要跟隨地平線一起旋轉(zhuǎn)。地平線的位置和角度是由兩個(gè)飛行參數(shù)決定的：俯仰角和側(cè)滾角。如圖l(b)所示，俯仰角θ決定地平線離圖形中心的垂直距離h，側(cè)滾角α決定其傾斜角度。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電子全姿態(tài)指引儀對(duì)實(shí)時(shí)性提出了嚴(yán)格的要求，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要具有穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)。隨著DSP與FPGA技術(shù)發(fā)展，DSP+FPGA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在圖形圖像處理的應(yīng)用場(chǎng)合突顯出很強(qiáng)的優(yōu)越性，兩種器件分別適合復(fù)雜算法運(yùn)算和硬件并行運(yùn)算與控制。因而考慮將圖形運(yùn)算分步處理，將輪廓生成的工作交給DSP，而區(qū)域填充由FPGA硬件完成，這便是軟硬件填充方法。
工作時(shí)，輸入是多路傳感器信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入到FPGAl中按照特定的算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，存入雙口RAMl中。DSP又通過(guò)雙口RAMl讀取預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，按照設(shè)定好的算法生成需要顯示的圖形與字符的輪廓，接著通過(guò)雙口RAM2傳給FPGA2，在FPGA2中完成字符圖形填充、反走樣、顯示等功能。DSP連接一個(gè)容量較大的SDRAM為全局共享外部存儲(chǔ)器，而FPGA通過(guò)連接一組容量較小的雙口RAM為局部共享存儲(chǔ)器。

3 圖形信息分層處理與顯示技術(shù)
3．1 DSP畫(huà)面初始化圖形分層
圖形區(qū)域主要分為三種類型：一是背景區(qū)域，數(shù)據(jù)量大，但在圖形變化過(guò)程中不隨參數(shù)變化而改變；二是填充區(qū)域，數(shù)據(jù)量大，并且在圖形變化過(guò)程中隨著參數(shù)變化而不斷改變；三是動(dòng)態(tài)的字符與刻度信息，數(shù)據(jù)量小頻繁變化又不同于填充區(qū)域。根據(jù)圖形的特性，系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行畫(huà)面的初始化，將圖形分為背景層、填充層和動(dòng)態(tài)字符層，背景層包括不隨參數(shù)改變的背景、刻度和字符等，填充層即天地球
區(qū)域，動(dòng)態(tài)字符層包括動(dòng)態(tài)字符和直線區(qū)域。區(qū)域填充過(guò)程對(duì)動(dòng)態(tài)字符層的處理和背景層相同，因而將該層和背景層構(gòu)成的區(qū)域稱為非填充區(qū)域。圖形的分層靠圖形區(qū)域標(biāo)志位來(lái)區(qū)分，為0表示為非填充區(qū)域，為1表示為填充區(qū)域，區(qū)域標(biāo)志位后跟隨著該點(diǎn)顏色信息。在畫(huà)面初始化中將天地球輪廓上點(diǎn)的坐標(biāo)存為數(shù)組，以方便根據(jù)地平線的位置和角度來(lái)標(biāo)記天地球填充區(qū)域的邊界。在畫(huà)面初始化后的輪廓重新生成過(guò)程中，背景層便不再改動(dòng)，動(dòng)態(tài)字符層信息因數(shù)據(jù)量小可每次都將改變了的部分擦除和重寫(xiě)。DSP根據(jù)參數(shù)生成帶有填充區(qū)域邊界標(biāo)記信息的填充層與背景層和動(dòng)態(tài)字符層的疊加信息，就生成了一幅完整的圖形輪廓。圖2表示圖1(a)所示顯示畫(huà)面的分層結(jié)果，(a)、(b)和(c)分別為
背景層、填充層和動(dòng)態(tài)字符層。