趙慶嵐,陳志勇,魯 飛,趙 巖,范文超,郝強國
(1.駐太原地區(qū)第二軍代室,太原 030006;2.北方自動控制技術(shù)研究所,太原 030006;3.陸裝項目管理中心,太原 030009)
目前DP 多屏顯示已經(jīng)廣泛應(yīng)用,為了滿足武器裝備信息化的發(fā)展需求,本文將該技術(shù)應(yīng)用到嵌入式操作系統(tǒng),將“一個鍵盤統(tǒng)一操作,多屏共享顯示”的通用模式優(yōu)化應(yīng)用到火控系統(tǒng),實現(xiàn)了多個鍵盤單獨操作、多屏獨立顯示、一個軟件統(tǒng)一管理的功能。在硬件上使用了共用處理器、DP 多屏顯示的新技術(shù),其采用界面顯示資源與顯示處理資源分離的模式,通過高性能圖形圖像處理能力和高清視頻接口進行高清圖像顯示;軟件上通過底層設(shè)置,實現(xiàn)單屏獨立顯示及多屏顯示管理。DP 技術(shù)的使用,使得火控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)得到了簡化,減少信息處理環(huán)境,提高系統(tǒng)可靠性,降低了成本。
DP(Display Port)接口,是一種圖像顯示接口,由視頻電子標準協(xié)會推出可免費使用的高清數(shù)字顯示接口標準,不僅可以支持全高清顯示分辨率(1 920×1 080),還能支持4 K 分辨率(3 840×2 160)以及最新的8 K 分辨率(7 680×4 320)[1]。DP 能夠在傳輸視頻信號的同時加入對高清音頻信號傳輸?shù)闹С?,視頻信號路徑中每個顏色通道可以有6 到16 位,由1、2 或者4 路差分對進行數(shù)據(jù)傳輸,并通過一個雙向的、半雙工的輔助通道攜帶了視頻數(shù)據(jù)鏈路需要的設(shè)備管理和設(shè)備控制數(shù)據(jù),最大支持10.8 Gb/s 的傳輸帶寬。DP 接口能夠取代傳統(tǒng)的VGA、DVI 和FPD-Link(LVDS)顯示接口,并可以與傳統(tǒng)接口(HDMI)向后兼容。
DP 信號傳輸原理為:DP 顯示接口包含了1 個熱插拔信號、1 到4 對DP 信息傳輸線(DP0+、DP0-、DP1+、DP1-,DP2+、DP2-、DP3+、DP3-)和1 對協(xié)議傳輸線(AUX+、AUX-,半雙工、雙向信號線)[2]。DP接口分為Source 端和Sink 端,Source 端為信息的發(fā)起,Sink 端為信息的顯示。DP 接口信號傳輸原理如圖1 所示。
圖1 DP 接口信號傳輸原理
火控系統(tǒng)主要通過操控終端的人機交互實現(xiàn)武器平臺瞄準與發(fā)射,火控系統(tǒng)一般配置2~3 臺操控終端。常規(guī)設(shè)計中,操控終端通過B/S 或C/S 模式,與火控系統(tǒng)綜合處理計算機之間構(gòu)成服務(wù)器與客戶端的信息處理交互,每個操控終端都是獨立的單體,具有自己的核心處理器,構(gòu)建基本的信息處理系統(tǒng)。
DP 接口的應(yīng)用,使得常規(guī)設(shè)計發(fā)生了變化,將原先獨立的操控終端變成了無處理器的操控終端[3],將原先獨立的操控終端的核心處理器功能集成到綜合處理單元,即采用界面顯示資源與顯示處理資源分離的模式設(shè)計。某型火控系統(tǒng)通過綜合處理單元中擴展3 路獨立的DP 接口與3 個操控終端連接,形成1 個主機帶3 個顯示器的信息處理與應(yīng)用模式。在設(shè)計時3 個操控顯示臺(以下簡稱顯示臺)內(nèi)部的顯示屏、顯示接口板型號和硬件設(shè)計完全相同,武器裝備控制箱通過3 個DP 顯示接口連接操控顯示臺1(操控員)、操控顯示臺2(維護員)和炮長顯示臺(炮長),顯示信息通過DP 接口傳輸給3 個操控顯示臺,用于炮長、操控員和維護員之間的信息共享,DP 接口。3 個顯示屏能進行視頻交互,通過設(shè)置,每個屏既可以同時顯示不同內(nèi)容,獨自與控制箱交互信息,又可以顯示其他兩個屏的內(nèi)容。
控制箱為DP 接口的Source 端,顯示臺為Sink端。通過DP 接口數(shù)據(jù)傳輸速度、顯示器分辨率、傳輸距離(使用電纜)的初步設(shè)置,武器裝備控制箱開機后,查詢到熱插拔信號為高,通過AUX 線與顯示臺之間進行協(xié)議的溝通,確定顯示分辨率、傳輸速率、傳輸LAN 數(shù)量、信號的擺幅、信號預增強值等,DP LAN 按照AUX 的溝通結(jié)果進行信息傳輸??刂葡渑c操控顯示臺之間的DP 接口傳輸原理如圖2 所示。
圖2 某型火控系統(tǒng)DP 信號原理
2.2.1 應(yīng)用軟件部署設(shè)計
為了實現(xiàn)界面顯示資源與顯示處理資源分離的設(shè)計,任務(wù)服務(wù)模塊軟件集成了傳統(tǒng)火控系統(tǒng)的3 個終端軟件,任務(wù)服務(wù)框架軟件和3 個終端軟件同時運行在任務(wù)服務(wù)模塊,各操控終端捕獲對應(yīng)操作員的按鍵操作,將按鍵串口信號發(fā)送給任務(wù)服務(wù)模塊中的各終端軟件進行處理,各終端軟件進行按鍵響應(yīng)和頁面切換[4]。相比火控系統(tǒng)傳統(tǒng)方案,新的設(shè)計如下:1)去掉3 個終端的CPU 板,避免了傳統(tǒng)模式下計算機資源的空置浪費,極大地優(yōu)化系統(tǒng)組成,降低系統(tǒng)成本;2)將終端軟件和任務(wù)服務(wù)框架軟件之間的數(shù)據(jù)交互,由之前的外部網(wǎng)絡(luò)通信變成了一個主板內(nèi)進程間通信,降低了總線傳輸數(shù)據(jù)量,提升了數(shù)據(jù)傳輸可靠性,增加了網(wǎng)絡(luò)交換模塊的接口余量,為后續(xù)系統(tǒng)擴充提供了靈活性。
2.2.2 Linux 操作系統(tǒng)設(shè)計
圖3 火控系統(tǒng)軟件運行示意圖
通用Windows 操作系統(tǒng)的DP 使用,具有各顯示屏開機過程由于初始化順序致使各屏的顯示內(nèi)容不固定的特點。這種特點使得火控系統(tǒng)“一主機多顯示”的運行過程中,出現(xiàn)某個屏開啟/關(guān)閉、線纜插拔引起的跳屏、閃屏等現(xiàn)象。針對火控系統(tǒng)的實際應(yīng)用場景,本文對Linux 操作系統(tǒng)進行適配定制,主要包括以下設(shè)計:1)各顯示臺(DP 接口)進行固定內(nèi)容推送顯示。推送顯示與各顯示臺的開機順序、各DP 口的初始化順序無關(guān)。2)操作系統(tǒng)不再對外圍接口的狀態(tài)進行判定,避免了運行過程一個屏開啟/關(guān)閉、線纜插拔導致的跳屏、閃屏等問題。做到“DP 口+顯示器+軟件+串口”強綁定。
DP 接口的參數(shù)設(shè)置選擇范圍較寬,如何選擇也是保證多屏顯示的重點。在工程實踐測試中發(fā)現(xiàn),顯示臺偶爾會出現(xiàn)顯示屏沒有顯示信息的現(xiàn)象,例如:大約200 次的開關(guān)機測試中,會有1 個顯示臺出現(xiàn)顯示故障,重新開關(guān)武器裝備控制箱,現(xiàn)象不能消失,重新開關(guān)出現(xiàn)故障的顯示臺顯示信息正常。經(jīng)過反復試驗,出現(xiàn)故障的概率相同。
針對該現(xiàn)象,查看武器裝備控制箱任務(wù)服務(wù)模塊的日志文件的記錄,可以看到有如下記錄:
[drm:intel_dp_check_link_status]*ERROR* Failed to get link status
[drm:drm_dp_dpcd_access]too many retries,giving up
由日志記錄可以看到武器裝備控制箱的任務(wù)服務(wù)模塊查詢到顯示臺的熱插拔信號,試圖通過AUX通道與顯示臺進行通信以獲取DP LINK 的狀態(tài),但武器裝備控制箱的AUX 通道與顯示臺的AUX 通道通信故障,放棄讀取顯示臺的DP LINK 信息。
同時,在顯示臺端對AUX+和AUX-兩個信號進行了示波器監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障時,AUX+ 和AUX-信號為1 M 的方波,關(guān)閉武器裝備控制箱方波依然存在,重新給武器裝備控制箱上電,顯示臺仍然不能顯示。關(guān)閉顯示臺方波消失,AUX+ 和AUX-恢復正常狀態(tài),重新給顯示臺上電,顯示臺恢復正常顯示。初步確定顯示臺故障導致顯示異常。AUX 工作正常時波形如圖4 所示。
圖4 AUX 工作正常的波形
圖5 AUX 工作不正常的波形
采用專用測試工具DPA400(AUX 通道檢測儀)對AUX 通道的通信數(shù)據(jù)進行跟蹤測試,發(fā)生故障時,錯誤代碼如下:
由DP 協(xié)議中關(guān)于AUX 通道的論述中可以看到,AUX 通道為雙向、半雙工通信信號,Source(武器裝備控制箱)和Sink(顯示臺)分別控制總線,Source(武器裝備控制箱)和Sink(顯示臺)端必須不停地切換TALK 狀態(tài)和LISTEN 狀態(tài)來保證雙向通信可以正常進行。從AUX 專用測試儀DPA400 捕獲的數(shù)據(jù)分析,Sink(顯示臺)的AUX 通道在響應(yīng)了Source(武器裝備控制箱)的問答后,沒有回到正確的LISTEN 模式,導致Source(武器裝備控制箱)端無法發(fā)出下一個命令。分析確認顯示臺DP 到LVDS 的轉(zhuǎn)換芯片CH7511 中的固件存在缺陷。
重復多次對AUX 通信進行測量,每次開機到主界面顯示完成存儲為一個文件,連續(xù)進行30 次,存儲30 個文件,針對通信數(shù)據(jù)進行仔細查對,每份文件中的AUX 通道通信數(shù)據(jù)都有錯誤,且發(fā)生錯誤的位置并不固定,如下所示:
文件DPA-Debian-V4.1-L2-B-R-LRAM-1-201705011410:
文件 DPA-Debian-V4.1-L2-B-R-LRAM-3-201705011410:
文件DPA-Linux-V3.0-L1-B-R-LRAM-179-201705011410:
從文件數(shù)據(jù)分析,AUX 通道的通信不穩(wěn)定。
針對DP 協(xié)議中對AUX 通道的傳輸協(xié)議進行分析,AUX 通道信號線是半雙工、雙向信號線,通信速率為1 M。武器裝備控制箱作為AUX 的主設(shè)備,操控顯示臺作為AUX 的從設(shè)備,主設(shè)備發(fā)起傳輸請求,從設(shè)備應(yīng)答傳輸[5]。主設(shè)備AUX 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖6 所示。
圖6 主設(shè)備AUX 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換
主設(shè)備(武器裝備控制箱)上電處于S0 狀態(tài),復位完成后轉(zhuǎn)入S1 狀態(tài),檢測到HPD 后轉(zhuǎn)入S2 狀態(tài),發(fā)起傳輸請求,此時為“TALK MODE”;命令發(fā)送完成后轉(zhuǎn)入S3 狀態(tài),進入”LISTEN MODE”;命令接收完成轉(zhuǎn)入S2 狀態(tài),可以開始下一次的命令傳輸。從設(shè)備AUX 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如下頁圖7 所示。
從設(shè)備(操控顯示臺)上電復位處于D0 狀態(tài),復位完成后轉(zhuǎn)入D1 狀態(tài),進入”LISTEN MODE”,等待主機命令;收到主機命令完成后轉(zhuǎn)入D2 狀態(tài),進入”TALK MODE”,準備應(yīng)答主機命令;命令應(yīng)答完成后轉(zhuǎn)入D1 狀態(tài),進入”LISTEN MODE”,開始下一次的傳輸。
從專用測試設(shè)備DPA400 對AUX 通道的測量數(shù)據(jù)分析,從設(shè)備沒有正確的轉(zhuǎn)入”LISTEN MODE”,導致主設(shè)備無法開始下一次的AUX 傳輸,AUX 通信失敗,主機無法知道DP LINK 狀態(tài),可以看到日志文件中顯示,F(xiàn)ailed to get link status 即BIOS 或操作系統(tǒng)對DP 接口的初始化失敗,導致顯控臺無法顯示。
圖7 從設(shè)備AUX 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換
芯片CH7511 的固件實現(xiàn)AUX 狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能。通過以上的分析,可以確定CH7511 固件AUX 通道的狀態(tài)轉(zhuǎn)換存在缺陷,會導致概率性顯示故障的發(fā)生。通過試驗驗證,進行開關(guān)機800 次的AUX 通信數(shù)據(jù)測試(每次開關(guān)機存儲為一個文件),詳細核對800 份文件,記錄顯示測試及測試結(jié)果。最終將CH7511 固件參數(shù)設(shè)置如下:DP 協(xié)議由默認的eDP模式確定為DP 模式,設(shè)置通道連接速率為1.62 G,通道數(shù)量為單通道,時鐘輸入選擇晶體模式;確定液晶屏的LVDS 信號為單通道模式,選擇色深為18 bit,分辨率為1 024×768。
本文將DP 技術(shù)應(yīng)用到嵌入式載體,將“一個鍵盤統(tǒng)一操作,多屏共享顯示”的通用模式優(yōu)化應(yīng)用到火控系統(tǒng),實現(xiàn)了共用處理器、多屏顯示的新技術(shù)。在硬件上使用了界面顯示資源與顯示處理資源分離的模式,通過DP 高清視頻接口進行3 路高清圖像顯示;軟件上通過Linux 操作系統(tǒng)的適配設(shè)計以及CH7511 固件參數(shù)設(shè)置,有效地解決了火控系統(tǒng)多屏顯示傳輸偶爾不顯示的現(xiàn)象,實現(xiàn)了多屏顯示功能。本文的設(shè)計,節(jié)約了硬件成本,排除了顯示的隱患,提高了DP 應(yīng)用的可靠性。