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。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：低功耗；FPGA；机载视频显示；实时处理

中图分类号：TN911.73-34；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-tex 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（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1 080 P和WUXGA分辨率，输出像素时钟最高到165 MHz。芯片支持DVI标准规范，支持24 b/PIXEL真彩。内核电压为1.8 V，外围接口电压为3.3 V，典型功耗为1.2 W，休眠状态功耗仅为115 mW。图3 为TFP401A 解码设计电路，其中输入的RX[2：0]+/-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[23：0]，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DDR3 SDRAM 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1.5 V，存储容量为128 MB，读/写速率为800 Mb/s，而需要处理的一帧最高分辨率视频占据约32 Mb存储空间，对应系统最高传输帧速率为1 600 Mb×16 b/32 b=800 f/s，完全满足系统最高60 f/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。

电源分为3.3 V，1.5 V，1.2 V，1.0 V，0.75 V，系统的主供电电源为5 V。选用Linear 公司的专供FPGA 和DSP芯片供电的LTM4616给FPGA提供1.0 V的内核电压和3.3 V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8 A 电流的开关电源芯片。输入电压范围为2.7~5.5 V，输出电压范围为0.6~5 V，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5 V输入、1.0 V输出、单路8 A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1.5 V 和0.75 V 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（Low Dropout，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1.5 V，分别输出1.2 V和1.0 V。

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18 W，与上一代以Virtex 5 FPGA为核心的显示系统功耗27 W 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。

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。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
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（8）：52-55.

[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.

[3] Xilinx Inc. Kintex-7 family overview（DS182 v2.4）[M]. USA：Xilinx Inc，2012.

[4] Analog Devices. ADV7180 datasheet [M]. USA：Analog Devices，2012.

[5] Texas Instruments. TFP401A datasheet（SLDS120B）[M]. USA：Texas Instruments，2003.

[6] Micron Technology Inc. MT41J128M16 datasheet [M]. USA：Micron Technology，2013.