机载显示

机载显示（精选三篇）

机载显示 篇1

显示模块作为人机交互的界面,承载着大量信息传递的功能。随着液晶显示技术的发展,液晶显示模块以其显色性好,轻薄、低功耗等优势,逐渐成为主流显示器件[1],不仅在工业、商业以及家庭领域内得到广泛应用,在军工领域内也逐步得到普及。早期替代进口CRT[2](Cathode Ray Tube,阴极射线管)显示模块的机载液晶显示模块都是直下式底背光方式,虽然比CRT显示器在色彩还原、亮度、寿命等有了很大的提升,但是为了保证模块亮度均匀性,背光板到光学膜组之间至少有10mm左右的距离,也就是我们通常所说的灯腔高度。现在整机生产厂家对显示模块厚度和重量要求越来越高,侧背光方式以其良好的均匀性和超薄的特性逐渐被接受采纳。双面侧背光相对于单面侧背光来说,可以更有效地提高LED(Lighting Emitting Diode,发光二极管)的可靠性。

1 液晶屏组件的加固设计

机载液晶显示模块结构加固的核心是液晶屏的加固及刚性化处理。液晶屏是由前玻璃基板和后玻璃基板通过封接边框连接成封闭空间,在封闭空间内充满液晶材料实现显示功能[3]。普通液晶屏的封接边框材料相对廉价,膨胀系数不能很好地与液晶屏两片玻璃相匹配。在恶劣的机载环境条件下,封接边框,特别是封接边框的封口处容易出现裂缝。空气会沿着裂缝处挤进充满液晶的封闭空间,这样液晶就会被挤出,在缺少液晶的区域,液晶屏工作时将出现黑色斑块,导致液晶屏失效。针对液晶屏封接边框封口处受应力液晶泄漏问题,我们采用进口封接边框材料,对液晶屏进行二次封接,如图1所示。

二次封接的胶膨胀系数相对原屏封接胶更接近玻璃的膨胀系数。另外二次封接胶的温度性能指标为-70℃～+150℃,远比普通封接胶的-30℃～+85℃温度范围宽,反复的温度循环试验表明二次封接胶与液晶屏玻璃的粘接强度也远高于原屏封接胶。在热应力条件下,不容易产生由膨胀程度不同而造成的机械应力,或在热应力下破裂。经过二次封接工艺改进的液晶屏可以承受-55℃～+85℃的温度冲击。

液晶屏的前后玻璃基板都很薄,如果没有特殊加固,对显示方向的振动非常敏感,在机载环境下,振动频率范围一般为10～2000Hz,振动带来的液晶盒厚变化会影响显示图像的质量。系统固有频率为:

f0为系统固有频率,k为刚度,即单位变形所需的作用力大小,单位为N/m;m为质量,单位为Kg。

按照单自由度强迫振动理论,把液晶屏看作一个小系统,当机载环境激振频率f小于系统固有频率f0的0.75倍时,系统相对振动强度增大较小;当机载环境激振频率f介于系统固有频率f0的0.75倍至倍之间时,系统相对振动强度成倍放大甚至超过5倍;当机载环境激振频率f大于系统固有频率f0的倍时,系统相对振动强度才会减小。因此,结构减振设计的关键是减小系统固有频率f0。我们在液晶屏四周用减振材料隔离,减小支撑刚性;液晶屏前后复合一定厚度的玻璃,提高液晶屏组件的抗弯曲能力,降低整个系统的固有频率。液晶屏抗振结构如图2所示。

可以从二级减振理论来分析,在刚性壳体和液晶屏之间用具有阻尼作用的减振隔离材料进行隔离,形成阻尼减振系统,设计一定的减振空间,因此刚性较小,固有频率较低,这可以作为第一级减振。在液晶屏前后两面用加固玻璃通过透明柔性粘接层固定成一体,也就是我们通常所说的“三明治”结构,这样作为第二级减振。第二级减振空间小,液晶屏安装环境刚性提高的同时增大了固有频率,使其远高于第一级振动系统的固有频率,这样第一、二两级系统就不会形成共振,液晶屏受到的振动应力也会相应减小[4]。

2 背光模组的设计

液晶屏本身不发光,它的亮度、均匀性等光学指标都依赖于后部的背光模组。一般背光模组的光学功能,除了发光源外,还包含导光、反射、匀光(扩散)、集光、光回收等功能[5]。为了满足产品的高亮度要求,提高背光模组的发光效率,同时满足背光的均匀性要求,我们设计了双侧LED背光模组,包括双侧LED背光源、反射片、导光板、扩散片、棱镜片、偏光增量片等。图3是双面侧背光背光模组的结构示意图。

LED背光源发出的光线从导光板入光面进入导光板内部,大部分光线在导光板内部以全反射传输。导光板下侧与反射片接触面设计一些凹凸网点,当全反射光线射到凹凸网点时,反射光会往各个角度散射,破坏全反射条件,使光线从导光板正面射出。从导光板四周及下侧折射出来的光经过反射片又重新反射回导光板,提高了光源利用效率。导光板正面射出的光线经过扩散片后,由点光源变为亮度均匀的面光源,防止在液晶屏前端看到LED的影子。棱镜片是一种集光装置,主要利用全反射和折射,将从扩散片出来的光,集中在一定角度里出射,从而提高该视角范围内的亮度,但视角会相对变窄。通常使用两张棱镜片,上下两张棱镜片采用正交方式排列,分别处理水平及垂直方向的集光需求。偏光增亮片不像棱镜片那样通过集光来提高亮度,而是不改变光的分布,将各个方向上的出光量都提高。偏光增亮片将无法通过液晶屏下偏光片的光反射回背光系统重新消偏振后再次被它过滤,从而使能够通过液晶屏下偏光片的出光量增加。

导光板是背光模组中的重要部件,我们选用的是亚克力材料,它具有较低的表面粗糙度和良好的光学特性。通过设计优化导光板的网点参数可以提高导光板性能。

网点参数设计主要利用软件进行模拟,使用LightTools软件进行导光板的设计,以几何光学为基础,根据网点的不同类型设置恰当的光学参数,模拟出接近实际的光学效果,通过优化导光板的网点结构参数,可以得到较好的导光效果。

网点参数是大小或密度变化的二维或三维网点,通过显示网点的密度变化,可以提高背光的均匀性,同时为为避免产生莫尔条纹,每个区域网点的密度是不一样。通过软件计算和模拟可以得到在一个区域内变化网点的数量,得到想要该缓慢而平滑的。

生成网点后,利用激光机在亚克力板表面刻蚀线槽,制作样品,测量其光效、均匀性等指标,进而调整激光机参数,优化控制网点的大小、深度及分布,使得最终制作的导光板达到较理想的光效和均匀性,图4为双面LED侧背光和导光板系统结构示意图。

3 控制电路设计

液晶显示模块的控制电路设计主要包括背光控制设计和低温加热设计,控制电路原理图见图5。

背光组件透过液晶屏的亮度I与LED的单管数量N、单管亮度i、背光模组透过率T1及液晶屏的透过率T2都成正比,即:

I=N×i×s×T1×T2/(W×L)

其中,s为LED电流降额系数,背光模组透过率T1,液晶屏的透过率T2可以检测到,W×L为液晶屏长宽尺寸。实际设计中通过简化推导亮度与LED排布的关系,结合经验和实测数据确定LED的排布。单面侧背光由于面积的限制,往往LED管数目是一定的,这样为了达到要求的亮度,就需要提高LED管的电流,电流越大,光效就越低,管子的发热量就越高,极大地降低了LED管的可靠性,为此我们可以通过双面侧背光方式增加LED管的数目,适当降低LED管的电流,提高可靠性。此外,双面侧背光是分两路控制的,当其中一路出现故障时,另一路还可以正常工作,亮度虽然降为原来的一半,但不影响显示质量。

背光控制是采用恒流方式的,与恒压方式相比较,它电路转换率更高,电路上的发热量更少,另一个比较明显的优势是在高低温情况下,可以消除因温度变化导致LED压降变化的影响,保持背光亮度的稳定[6]。背光亮度调节是通过脉宽调制的方式来实现的。微处理器通过通讯接口来调节背光信号的电流占空比来调节背光亮度,有效地实现亮度的自动调节。为了延长背光源的使用寿命,通过背光温度传感探测背光的温度值,当温度高于一定数值时,启动限亮程序,自动降低背光亮度,保证背光源在高温环境下能够稳定可靠的工作。

机载液晶显示模块都有低温工作的要求,为了实现低温工作,设计了针对液晶屏的加热温控电路,使液晶屏的温度处于正常的工作范围,保证开机后可在几分钟以内图像清晰,画面流畅,动态图像没有拖影[7]。温控电路的设计包括嵌入式微型传感器的可靠性,传感量长距离传输的抗干扰能力,脉宽调制加热功率,系统故障时加热电路的自动关闭等。低温加热采用脉宽调制的方法来控制,处理器多次采集被加热物体的温度传感量,利用函数进行修正后,计算出被加热物体的准确温度,微处理器根据此温度确定输出占空比,对加热功率进行调节。

4 热设计和电磁兼容设计

元器件在高温环境中使用寿命和可靠性都会降低,轻则导致产品性能变差,重则造成产品功能发生永久性失效。液晶显示模块的热设计[8]以结构散热为主,设计中主要考虑高温元器件与壳体间的热传导散热。对于双面侧背光液晶显示模块,高温工作状态下的热设计主要包括LED背光源和驱动电路上大功率芯片器件的散热设计。采用铝基板做LED背光源的PCB (Printed Circuit Board,印刷电路板)材料,使LED管的热量集中到铝基板上,铝基板再通过低热阻高导热率材料与散热板连接,散热板与外部壳体之间用导热脂或导热垫连接,将热量尽可能多地传导到外部机壳上。对于驱动电路上大功率芯片器件,可以单独做散热片,用导热材料粘接,或者将芯片器件布置在接近散热板一侧,散热板设计一定高度的凸台,通过导热材料连接,将热量传导到散热板上。图6是设计初期工作温度60℃时的热仿真模型,液晶显示模块上温度较高的区域出现在含有背光板的两侧以及电路板上大功率芯片处,最终产品的实测值与该仿真模型基本接近。

EMC[9](Electromagnetic compatibility,电磁兼容性)设计的目的是使液晶显示模块既能抑制各部干扰,使其在机载环境中能够正常工作,同时又能减少模块本身对飞机上其它电子设备的电磁干扰。为了满足EMC条件,需要考虑整个液晶显示模块的总体方案、PCB板的布局及走线、元器件选择以及壳体设计等等。对于机载液晶显示模块具体实施EMC设计方案时,主要应从其对电磁场的屏蔽作用来进行考虑。屏蔽主要是针对电磁场的辐射发射和辐射敏感度而言,同时也要考虑到高压静电放电。低频段(25Hz～100KHz)主要是来自磁场的辐射能量,而电场的辐射频率范围就很宽,为10KHz～20GHz。所以设计时要确保显示模块的整个外壳(含显示窗口)能成为一个良好的电磁屏蔽体,无狭逢、不产生电磁泄漏,并且能有效保护好模块内的元器件不受高压静电放电实验的破坏。

液晶显示模块除了液晶屏窗口可以泄露电磁波外,其余部分均是可以屏蔽电磁波的铝合金材料,因此液晶屏窗口是电磁波泄露的主要窗口,也是容易受外部电磁波干扰的主要窗口。窗口电磁屏蔽层技术主要有3种:采用ITO (Indium Tin Oxidize,氧化铟锡)透明导电玻璃作显示窗口屏蔽材料;采用导电金属网作显示窗口屏蔽材;采用EMC多功能玻璃作显示窗口屏蔽材料。在双面侧背光液晶显示模块中,我们采用EMC多功能玻璃作为显示窗口屏蔽材料。EMC多功能玻璃是一种比较理想的液晶显示模块显示窗口电磁屏蔽材料,可以克服导电金属网对显示图象的摩尔条纹干涉现象,同时采用多层镀膜工艺技术,将表面减反功能膜与电磁兼容屏蔽膜在同一块玻璃上制作,与单一ITO玻璃相比可以大大降低反射率,用于改善显示屏在强阳光下的可读性。

5 结束语

基于以上技术的应用,我们设计研发了一款5寸双面侧背光机载液晶显示模块,如图7所示。该模块厚度薄,亮度高,工作温度范围宽,满足机载振动和电磁兼容的要求,已经小批量供货给客户单位。

机载液晶显示模块所涉及的技术远不止上述这些,诸如光学性能,防盐雾、防霉菌、防湿热,壳体材料的选择等等,都需要花大量的时间进一步深入研究。而且原有技术也在不断地更新,新的技术也陆续与机载液晶显示模块相结合,如触摸屏技术、声控技术,这些工作许多研究者正在开展中。

参考文献

[1]曹允,王勇,范彬,王勇渤.加固液晶显示器关键技术[J].光电子技术,201l(02):73-77,

[2]高鸿锦,董友梅.液晶与平板显示技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2008:5-6.

[3]刘午平,刘建清.液晶显示屏应用与维修代换[M].北京:人民邮电出版社.2008:2-18.

[4]吴金华,余雷.军用TFT—LCD结构加固问题研究[J].光电子技术,2002(02):102-105.

[5]马群刚.TFT-LCD原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2011:354-361.

[6]陈光,张兵.MC34844/A恒流驱动芯片在LED背光驱动上的应用[J].光电子技术,2012(03):200-205.

[7]顾适夷.加固机载TFT-LCD的温控技术研究[J].应用光学,2007(03):269-274.

[8]夏显忠,陶光勇,夏利锋.基于CFD的FLOTHFRM在机载液晶显示器热分析的应用[J].电子机械工程,2007(03):7-10.

机载显示器的三防设计 篇2

摘 要：环境因素影响着机载显示器的稳定性和可靠性，因此环境因素是机载显示器在使用、运输和存储中考虑的重要因素。针对机载显示器在三防方面存在的问题及面临的诸多失效形式，从结构设计技术、工艺防护技术及电路板组合件的防护技术等方面进行分析，对提高机载显示器三防能力进行研究。

关键词：三防；结构；工艺

中图分类号： TP2 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）11-148-2

0 引言

机载显示器对各类环境条件反应敏感，尤其是潮湿、盐雾、霉菌。目前，在机载显示器的使用和三防试验过程中暴露出各式各样的问题，其中很多产品无法顺利通过GJB150或GJB150A《军用装备实验室试验方法》要求的三防试验，出现材料腐蚀、镀层腐蚀以及产品部分性能失效的现象。据相关部门统计，在我国南海海域环境条件下，军用电子设备的故障中80%与海洋环境因素有关。可见，航空产品的环境适应性极大地影响着我国的经济效益和军事效益。

1 结构设计的三防措施

三防技术已不单纯是一项工艺技术，而是一个综合性的概念，涉及到电路、结构、工艺和质量管理等诸多方面。可以说，机载显示器的三防性能是设计和制造出来的，要提高三防能力，必须从产品设计方案阶段开始就注入三防设计的概念。三防设计概念的注入，可以保证产品从零部件到整机都具有环境适应性。三防工艺可以弥补设计过程中在三防方面的不足或难以避免的问题，提高产品抵抗环境变化的能力。

1.1 材料的选择及防护

和其它航空产品一样，材料选择是机载显示器三防设计过程的第一步，也是最关键的一步。在结构设计过程中，在满足强度要求的情况下，应尽可能选用耐腐蚀性好的金属材料和不长霉菌又耐老化的非金属材料。同时考虑到经济因素，机载显示器的金属材料优先选用防锈铝（5A06）和不锈钢（1Cr18Ni9Ti）。例图，碳钢零件在没有镀层的情况下三防性能特别差，不适合用于航空产品。近年来，机载显示器正朝着轻型化方向发展，在今后的设计中，产品中许多零部件都将采用工程塑料等非金属材料制成，更要注重材料的三防问题。

在正确、合理地选用材料的同时，还应通过对材料辅以适当的工艺防护措施以提高材料耐环境变化的能力，如通过涂覆镀层（金属层或非金属层）。选用材料时，还应了解材料的相容性问题，掌握材料的腐蚀机理，防止不同材料彼此接触、相互影响而引起腐蚀、老化或失效。因此，根据材料的相容性合理选择镀层也是非常重要的一步。例如不锈钢螺钉与铝合金壳体在湿热试验过程中发生电化学腐蚀，产生氧化铝，因此不锈钢材料一定要经过钝化或电抛光处理。

设计中应尽量选用同一种金属材料，或者选用电位相近的材料，因为两种材料的电位差越大，腐蚀越严重。镀层损伤后也会发生腐蚀。

1.2 结构设计

在实际设计工作中，结构设计和材料选择同等重要，多数三防问题都能通过合理的结构设计来避免。在结构设计中应注意以下几个方面。

1.2.1 要避免积水

产品的结构及外形应尽可能简单，减少孔、槽设计，在有可能留存湿气或形成积水的空间一定要注意排气、排水问题。若无法合理设计排气排水措施，一定要注意电路板的安装方向和导线束的防护。如图1所示，导光板上的导线束通过液晶屏下方与壳体之间的间隙插合到电路板上，湿热试验过程中液晶屏下方与壳体之间容易积水，导致导线束与电路板之间的接插件发生短路，产品部分功能丧失。为避免此类问题发生，在产品设计初期就应当注意导线束位置，可以选择通过从液晶屏侧面或上方与壳体之间的间隙插合到电路板，同时电路板上的接插件相应的调整位置。

1.2.2 要避免缝隙腐蚀

尽量避免铆接、螺纹连接等形式，优先选用钣金结构或一体式结构形式，减少零件和接缝数量，同时在缝隙处加以密封处理（加密封橡胶条）。一体式结构设计同时也便于装配和维修。

1.2.3 异种金属接触时应在两种金属之间放置绝缘衬垫

异种金属尤其是电位差较大的异种金属接触时，应在其中一种金属上镀涂允许与另外一种金属相接触的金属镀层，或者在两种金属之间放置绝缘衬垫，但此时应考虑兼顾电磁兼容性要求。

1.2.4 尽可能避免引起应力集中的结构形式

尽可能避免引起应力集中的结构形式，防止产生应力腐蚀而导致裂开。对于由于应力集中而需要经常维护或更换的零组件，应在设计时保证易于维修和更换。

1.3 工艺设计

除了从材料选择和结构设计方面采取措施，还应从工艺方面采取适当防护措施，进一步提高机载显示器的三防能力。工艺方面进行三防设计通常是指零组件表面的化学覆层或金属、非金属覆层。防锈铝通常采取化学氧化或阳极氧化处理来达到防护的目的。化学氧化膜除了有较强的耐腐蚀性和吸附能力外，还能导电。阳极氧化膜具有多孔性和绝缘性。不锈钢通常采用钝化处理。三防漆的种类很多，性能各异，漆的选用应根据其性能、适用范围以及产品的外观要求和实际使用环境而定。机载显示器的外壳通常采用丙烯酸漆，电路板组合件通常采用聚氨脂漆，这两种漆具有突出的三防性能，且附着力强，耐热性高。

为提高镀层的工艺性，在零件设计过程中，在不影响零件强度和使用功能的前提下，要有足够的圆角过渡，避免尖角结构设计。

1.4 生产过程中的质量控制

在生产过程中由于工艺方法和操作的不合理会对产品的三防性能产生较大的影响，因此在生产过程中要严格按照相关工艺文件的要求执行或操作，同时注意以下几个问题：

①生产过程中采用的加工工艺不能降低材料本身的三防性能。

②加工过程中零件表面不应有超出规定的划伤、腐蚀或残留有腐蚀物等有害物质，零组件在搬运过程中要适当采取防护措施。

③加工、装配后的零组件需要进行清洁，去除多余物。

④严格控制工艺方法的实施过程。例如，机载显示器外壳喷涂的黑色三防漆要在零组件化学氧化后24h内喷漆。

2 电路板的三防技术措施

各电路板组合件是机载显示器的核心组件，其三防主要是采取喷涂三防漆（聚氨酯绝缘清漆）的方式，不仅可以提高三防能力，还可以增强元器件抗振、抗冲击的能力。电路板喷涂三防漆会增加分布电容，会影响精密电路原有的参数和特性，此类问题必须在设计阶段考虑。对于机载显示器的电路设计，经过试验验证，三防漆的影响可忽略。

由于机载显示器调试工作量大，周期长，目前，为避免调试工作中更换元器件对三防漆的影响，喷涂三防漆的工序在产品调试完成后进行，造成电路板组合件喷漆前受污染严重，清洗很难彻底，影响漆层喷涂质量。同时，由于部分结构安装件的遮挡，使个别元器件的焊点处无法得到充分的漆层保护，导致湿热试验中电路板组件发生短路现象。在今后的设计和工艺实施过程中，要尽量避免这些不足，提高电路板组合件的可靠性。

3 结束语

机载大屏幕显示器高速通信系统设计 篇3

MPC8548E是美国飞思卡尔公司推出的第三代Power PC处理器, 具有PCIE和Rapid IO两种高速串行总线接口[5]。其中PCIE总线接口主要用于挂接高速通信模块, 随着计算机和应用系统接口速率的提升, PCIE越来越明显地体现出其在高速数据采集和传输系统中应用的优越性[6]。接口支持x1、x4、x8等模式, 通信带宽分别可达2.5 Gb/s、10 Gb/s、20 Gb/s。Rapid IO总线接口主要用于背板总线的高速数据通信, 在工业领域有着广泛的应用。接口支持x1和x4模式, 通信带宽分别可达3.125 Gb/s和12.5 Gb/s。

本文提出一种基于MPC8548E的机载显示器通信系统, 使用MPC8548E内部集成的PCIE和Rapid IO总线接口, 分别通过相应的交换机进行多端口扩展, 实现显示器外部数据高速通信和内部模块间高速组网互联, 可以满足大屏幕一体化显示器高实时性通信的需求。

1 系统设计

机载显示器通信系统是一种实时嵌入式系统, 需要快速响应外界的突发事件, 且响应时间是确定的、可预测的[7]。所以系统设计上核心处理器选用高性能高可靠性的MPC8548E, 操作系统选用高可靠性、高实时性的Vx Works6.6。

通信系统核心处理器工作主频为1.333 GHz, 外接DDR2SDRAM内存为512 MB。PCIE控制器通过交换机扩展成2路x4接口, 连接外部高速通信模块, 作为通信系统的航空总线接口;Rapid IO控制器通过交换机扩展成3路x4端口, 作为连接显示器内部其他模块的背板总线接口。系统设计采用1路RS232串口及1路千兆以太网作为软件调试接口, 采用8 MB NOR Flash存储系统固件软件及Vx Works操作系统软件、256 MB NAND Flash存储通信应用软件。NOR Flash和NAND Flash通过FPGA连接到MPC8548E。通信系统结构框图如图1所示。

2 硬件扩展接口设计

2.1 PCIE总线扩展

MPC8548E共有8路Ser Des (串联/解串器) 接口, 为PCIE控制器与Rapid IO控制器复用[5]。Ser Des[3:0]设计用作PCIE总线的扩展接口, 与交换机PES12T3G2的上行端口相连, 扩展出2路下行PCIE总线接口。PES12T3G2是美国IDT公司的一款PCIE交换机芯片, 具有1路x4上行端口和2路下行x4端口, 支持Gen2[8]。该交换机属于透明桥类型的设备, 上行/下行端口不可更改, 上行端口固定在Port0, 两路下行端口固定在Port2和Port4。MPC8548E兼容PCIE 1.0a协议, 默认速率为2.5 Gb/s;PES12T3G2兼容PCIE 2.0协议, 默认速率为5 Gb/s。在初始配置上, MPC8548E与PES12T3G2无法建立连接, 所以PES12T3G2设计上需要使用外部EEPROM。PES12T3G2与EEPROM通过SMBus连接, PES12T3G2上电复位后, 通过SMBus加载EEPROM中的数据进行初始化。如果处理器PCIE的默认速率与PES12T3G2相同, 则PES12T3G2的初始化可以通过PCIE总线命令进行, 硬件设计上减少EEPROM的使用。本设计的PCIE总线的扩展接口示意如图2所示。

MPC8548E与交换机PES12T3G2的连接为x4模式, 理论上通信系统与其他加载设备通信总速度可达10 Gb/s, 有效数据载荷接近8 Gb/s。

2.2 Rapid IO总线扩展

采用交换机TSI578扩展Rapid IO总线的接口, 实现显示器内部单元模块的组网。TSI578是美国IDT公司的第三代Rapid IO交换机芯片, 共有16路Rapid IO端口, 可配置成x1模式或x4模式, x1模式可配置16个Rapid IO端口, x4模式可配置8个Rapid IO端口, 端口速率最大支持3.125 Gb/s[9]。TSI578的各个端口的功能相同, 硬件设计配置8个x4模式的端口, 其中Port0与Ser Des[7:4]相连, Port4、Port8、Port12作为连接显示器内部其他单元模块的接口。MPC8548E兼容Rapid IO1.2协议, TSI578兼容Rapid IO1.3协议, 均支持1.25 Gb/s、2.5 Gb/s、3.125 Gb/s速率, 且速率可以通过硬件管脚配置, 软件完成所有TSI578的初始化, 无需额外EEPROM支持。本设计的Rapid IO总线的扩展接口示意如图3所示。

配置硬件管脚, 将不使用的TSI578端口关闭, 以降低通信系统功耗。硬件配置MPC8548E与交换机TSI578的速率为3.125 Gb/s, 理论上通信系统与显示器内部单元模块通信总速度可达12.5 Gb/s, 有效数据载荷接近10 Gb/s。在显示器内部数据传递可以满足实时性要求的情况下, 可以降低通信速率, 进一步降低功耗。

3 软件设计

通信系统的软件包括固件软件、Vx Works操作系统软件、PCIE驱动软件、Rapid IO驱动软件和应用软件。固件软件和Vx Works操作系统软件保证了通信系统的快速启动和实时、可靠的通信;PCIE驱动软件和Rapid IO驱动软件提供了通信系统外部/内部通信的能力;应用软件与实际的应用需求相关。本文仅讨论PCIE驱动软件和Rapid IO驱动软件相关的设计。

3.1 PCIE驱动软件

PCIE驱动软件包括两部分:一部分是交换机PES12-T3G2的初始化;另一部分是Vx Works PCIE总线初始化。

前面提到了, 交换机PES12T3G2的初始化通过读取EEPROM中的数据完成, 即加载相应数据完成功能寄存器的初始化。经过分析, PES12T3G2的EEPROM烧片文件主要由寄存器偏移地址及相应配置值组成, 偏移地址使用2 B, 配置值使用4 B, 偏移地址后紧跟着对应寄存器的配置值, 烧片文件的结尾包含2 B的校验。

上行端口Port0的偏移基址为0x0, 寄存器空间大小0x1000;下行端口Port2的偏移基址为0x2000, 寄存器空间大小0x1000;下行端口Port4的偏移基址为0x4000, 寄存器空间大小为0x1000。交换机控制类的寄存器位于上行端口寄存器空间中, 其他寄存器上行端口与下行端口类似。本驱动软件需要分别配置3个端口的寄存器PCICMD, 偏移地址0x04, 值为0x0007, 打开I/O访问使能、内存访问使能、总线仲裁使能和INTx中断使能;配置寄存器PCIELCTL2, 偏移地址0x70, 值为0x0001, 设置链接速率为2.5 Gb/s。另外配置上行端口交换机控制寄存器SWCTL, 偏移地址0x404, 值为0x00002008, 解除交换机的寄存器锁定。最后加上数据校验, 形成烧片数据文件, 烧片数据文件通过烧录机固化到EEPROM中。

除了交换机PES12T3G2自身的初始化之外, VxWorks操作系统还需要初始化PCIE总线域, PCIE扩展接口才可用。分配Vx Works PCIE总线域空间, 包括了两个下行端口总的PCIE空间, 驱动软件设置基址0x80000000, 大小为256 MB, 类型为Mem IO, 通过修改BSP完成;根据Vx Works对PCIE总线的枚举策略, 包含两个PCIE设备的总线枚举结果如表1所示。

由表1可以看出, Vx Works中的PCIE总线数达到4级, 超过了BSP中预设的限定值3, 修改此限定值为10。

3.2 Rapid IO驱动软件

Rapid IO驱动软件主要实现Rapid IO主端网络枚举、主从端及从端间的数据通信, 提供应用软件API接口。

Rapid IO网络枚举采用基于端口升序的深度优先算法, 发现Rapid IO网络中的端口个数与各端口之间的连接关系, 分配每个端口一个唯一的ID, 配置交换机TSI578的路由表。网络枚举过程中, 主端对从端或交换机的访问通过Mantenance包完成, 以跳数来区分从端或交换机。一旦发现从端设备, 则锁定从端设备, 分配ID, 并更新主端与从端链路中的所有TSI578路由表信息。在交换机TSI578所有端口都枚举之后, 根据从端设备数量, 配置主端/从端相应的Outbound Window、Inbound Window寄存器, 实现各主从端、各从端之间的Nwirte、Nread访问功能。最后配置数据通信中断Doorbell。Rapid IO网路枚举流程如图4所示。

需要注意的是, 作为Rapid IO从端, 使用的数据存储映射空间应不在Vx Works操作系统管理的存储空间之内, 否则有可能引起操作系统异常。

4 测试验证

4.1 PCIE总线扩展验证

通信系统PCIE总线扩展接口连接2块高速航空总线模块, 分别与上位机的2块高速航空总线模块进行通信和测试验证, 如图5所示。

2块高速航空总线模块为x4模式, 工作速率为10 Gb/s, 在PCIE总线域中的总线号分别是2和3, 其初始化、发送、接收及中断响应功能测试正常。分别在2块高速航空总线模块的发送和接收函数中添加时间测量模块, 以某型显示器接收的典型数据块大小为例, 分别测试PCIE总线数据写入和读取时间, 测试结果如表2所示。

从测试结果可以看出, 实际数据的传输速度与理论PCIE总线的传输速度有较大的差距, 原因在于高速航空总线模块的传输速率低于PCIE总线, 不能完全发挥PCIE总线性能。

4.2 Rapid IO总线扩展验证

4块通信系统模块通过交换机TSI578组网互联, 对Rapid IO总线接口进行测试验证, 如图6所示。

通信系统1为Rapid IO网络主端, ID为0, 其余端口为从端。主从端及各从端之间的Nwrite和Nread访问功能测试正常, 主从端Doorbell中断响应正常。在x4模式, 工作速率为12.5 Gb/s, 主端映射窗口为4 MB的条件下, 以某型显示器内部传递的典型数据块大小为例, 测试主端与3个从端之间的数据访问时间, 测试结果如表3所示。

从测试结果可以看出, Nwrite速率在350 MB/s左右, Nread速率在200 MB/s左右。在实际使用过程中, 显示器内部数据传递主要使用Nwrite, 显示器内部数据传递效率高于显示器外部数据接收效率。

本文针对机载显示器实时通信受制于低速总线的问题, 采用交换机PES12T3G2和TSI578设计了基于MPC8548E的机载显示器通信系统。通过扩展, 显示器外部可以连接两路高速航空总线模块, 内部可以将各模块互联, 实现了机载显示器的高速、实时通信。经过测试发现, 显示器可以在规定周期内完成4 MB数据块的航空总线数据交互和显示器内部数据传递。实际上, 高速航空总线模块并不能完全发挥通信系统的高速通信性能, 机载显示器通信系统完全可以满足当前航电通信需求。随着航电系统技术以及大屏幕一体化显示器的快速发展, 本通信系统有着广阔的应用空间。

参考文献

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