抗恶劣环境高性能多通道显示系统设计与实现

邵国韦

(江苏自动化研究所，江苏连云港222061)

随着电子设备的高性能、人性化和可操作性的需求越来越高，抗恶劣环境设备的可视化、可操作性等需求也随之提高。传统的显示系统采用显示专用芯片实现多通道显示的功能，常见的多为双通道显示。但由于显示系统对显示界面的人性化及性能要求越来越高，对显示系统的通道数量、显示质量和操作性等都提出了更高的要求，工业通常采用的显示系统已经无法满足要求。

本文对多通道显示系统进行了设计和实现，主要通过AMD高性能多通道图形处理器实现多通道显示输出，每片图形处理器有2路显示通道输出，通过在CPCI总线上叠加图形处理器的数量，可以实现更多通道的显示输出。通过热设计、抗振设计及电磁环境防护设计等，使多通道显示系统能够适应多种恶劣环境，在高效散热、抗振和电磁防护方面非常先进，使用Windows XP操作系统平台，操作简易、显示形式多样、界面人性化。

1 总体架构

多通道显示系统主要侧重于抗恶劣环境的工程性应用，多应用于指挥测量车、前端测量系统及控制系统等，通过网络侦测系统内其他测量设备的数据，分类处理后分屏显示输出，为多个相关人员提供测试数据的文字和图形等全方位判断依据。多通道显示系统中内置2片AMD图形处理器显示芯片，实现了四通道显示输出，系统中CPCI单板加固计算机主模块通过CPCI总线控制总线上的2个图形处理功能模块和一个网络功能模块，网络功能模块提供1 000 Mbit/s的网络数据交互功能，2个图形处理功能模块通过VBIOS固件配置提供四路显示输出，总体架构原理框图如图1。

图1 总体架构原理框图

2 显示系统设计

2.1 设计原理及实现

多通道显示系统采用CPCI总线架构［1］全加固方式，其核心功能模块为高性能显示接口模块，该模块采用PCIe总线与PCI总线桥接芯片进行CPCI总线与PCIe总线之间的数据交换，桥接芯片通过PCIe总线实现与图形处理器芯片进行显示的通信和控制，每块图形处理器模块可实现2路DVI高性能显示的功能。通过主模块对单个或多个显示模块的控制和通信，实现多屏显示的功能，原理框图如图2所示，系统集成了2个高性能显示接口模块，每个显示接口模块集成了PEX8114桥接芯片，实现CPCI总线到PCIe总线的桥接，通过PCIe总线实现与AMD E4690显示核心的通信，通过硬件跳线电阻配置和VBIOS固件的配置，每个E4690实现2路独立的DVI接口显示通道。主模块通过对多个显示接口模块的硬件和软件配置，能够实现多个显示通道的灵活配置，实现复制、扩展等多种显示组合模式。

图2 图形处理器模块原理框图

PEX8114桥接芯片通过硬件引脚上下拉、E2PROM配置以及固件对寄存器配置等方式能够实现PEX8114芯片的前向和后向的透明桥连接［2］，能够实现PCIe总线和PCI总线的通信。本系统通过设置PEX8114为后向透明桥(Reverse Bridge)模式［3］，完成 MSI中断方式、64 bit/66 MHz PCI总线接口等配置［4］，支持CPCI总线的主模块对其进行控制和通信。

AMD E4690显示核心(代号为M96)为AMD生产的高性能显示芯片，核心/显存频率达600/700 MHz，流处理器数量320个，板载512 Mbyte GDDR3-RAM，显存位宽128 bit，支持ATI PowerPlay节能技术，在低功耗和高效散热方面非常先进。该芯片不仅显示性能优秀，且能够支持DirectX 10.1、OpenGL3.0、OpenCL1.0 等，具备高性能计算能力［4］。

通过多个高性能显示接口模块在显示系统中联合工作，在系统启动后通过加载驱动，每个模块均能够支持双路独立的显示通道，分辨率可达1 920×1 200以上，可实现多屏复制、扩展以及其他多种显示模式等功能。

2.2 系统抗恶劣环境设计

由于系统中高性能显示，模块采用的AMD E4690显示芯片的功耗非常大，单芯片峰值功耗达25 W以上，单位面积散热密度数值很高，按照传统的抗恶劣环境设计存在很大的风险，因此，要保证显示接口模块在恶劣环境下稳定工作，需要对其进行有效的散热。

通过分析，该模块上集成的E4690显示芯片通过采用全加固盖板，实现抗振、散热等设计。模块实现高效散热主要需要优化3个环节，包括采用导热垫实现高性能显示芯片到盖板的传导散热，通过盖板的横截面导热槽实现盖板到系统机箱的传导散热，通过机箱表面的散热鳍实现机箱到空气的传导散热［5］，抗恶劣环境计算机机箱的传导散热等效热阻布局如图3所示。

图3 传导散热等效热阻布局示意图

传统导热垫的热阻在6℃/W左右，而本系统采用的新型导热胶垫其热阻通过改进达到了3℃/W以内，有力的保证了在加固机箱中采用传导散热的方法降低显示模块芯片的热传导热阻。冷板选用导热性极好的铝合金热轧板，壁厚处做成肋片，这样在减轻重量同时又加大了与周围的空气热交换面积，冷板进行阳极氧化处理，以提高热辐射系数，增加散热效果。这样冷板装置因为温度梯度小、热分布均匀，可带走较大的集中热负荷。在忽略对流及辐射换热的情况下，发热芯片的热量依次通过导热胶垫、冷板、机箱壁导槽传导至机箱壁，然后通过机箱上的散热鳍将热量传递到空气中。模块的安装分为水平和垂直两种，当间隔一定且排列紧密时，垂直放置的叠放模块比相同条件下水平放置的叠放模块温升要小，故本系统中采用垂直放置模式，而垂直放置的模块之间的最佳间距，则可以通过式(1)得出，本系统常温条件下模块之间最佳间距为20.32 mm。

式中:CP为定压比热(J·(kg·℃)-1);ρ为平均空气密度(kg·m-3);g为重力加速度(m·s-2);β为气体膨胀系数(1·(℃)-1);ΔT为温差(印制板与工作环境温度之差，℃);μ为气体动力粘度(m2·s-1);λ为气体导热系数(m2·(℃)-1);LL为印制板高度(m)。

2.3 驱动

驱动使用AMD提供的官方驱动，能够自动识别和配置多个同类型显示图形处理芯片的有效工作，该多通道显示系统中使用了两片图形处理芯片，操作界面如图4所示，共有四路显示通道输出，可以通过操作，设置这四路显示通道输出的位置、顺序、显示属性、扩展属性、主适配器等所有功能特性，形式灵活多变，操作简易。

该系统采用模块化、标准化设计，系统中插入一块显示接口模块可以支持两路高分辨率显示通道的输出，当需要显示通道输出更多的应用情况下，可以通过配置更多显示接口模块，硬件通过模块化叠加，软件驱动保持不变的情况下，显示稳定可靠，且操作界面相同。

3 性能测试

对该系统的各方面性能进行了详细深入的测试，最为核心的是该系统输出的DVI信号质量。采用泰克示波器DSA71604B，对其进行了眼图测试［6］。通过眼图测试，能够检查DVI显示输出通道的物理层一致性，主要包括显示模块的视频输出源、DVI机箱走线通道以及DVI输出线缆等环节。显示接口模块输出的显示信号源的信号质量如图5所示，图中上下和中间的灰色背景为模板，其与实际DVI信号的命中数提供了与信号特点有关的详细信息。从图中可以看出显示输出的DVI信号眼图中高低电平有略微的冲突，即DVI信号的高电平和低电平在采样的10万个样本中有极小部分的信号电平不符合DVI标准的要求。信号的其他部分指标，如振荡电压、上下冲、时间/电压张度均能够完美符合DVI的国际标准要求。

通过测试可以判定该系统的显示输出信号相当完美，完全能够在抗恶劣环境中稳定可靠的工作。该系统的显示输出实例验证如图6，显示器选择了两款不同型号的显示器，均能自动识别，这四通道输出正常、清晰，无花屏、坏点、跳跃等，配置灵活，能够保存不同类型的配置形式，可以根据需要将数据分类显示在不同显示器上，每路显示输出均可独立设置、配置，分辨率可达1 920×1 600。

图5 眼图测试(截图)

图6 四通道输出实例(截图)

对该系统进行了具体的温度环境适应性测试、振动环境适应性测试和电磁环境适应性测试，温度环境包括在-40℃ ～+60℃的温度冲击环境下间歇工作测试、在-40℃低温环境下连续启动测试和在+60℃高温环境下连续工作测试，振动环境包括随机振动、连续颠振和冲击，电磁环境按照GJB151A《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》，设备均工作稳定。

4 小结

本文通过高性能多通道显示系统的设计，实现了一款能够在恶劣环境下稳定工作的高性能多通道显示系统，系统采用模块化、标准化和通用化的方式实现，高性能显示接口模块具备良好的可重用性。通过深入试验测试，该系统能够在-40℃～+60℃温度环境、振动环境和电磁环境条件下稳定工作，并已在多个工程项目中应用。对于该显示系统，可以将其CPCI总线架构改进为CPCI-E架构，能够更加有效地提高高性能加速运算的总线传输效率，摆脱总线瓶颈的束缚。

［1］PCIMG 2.0 R3.0 CompactPCI specification［EB/OL］.［2013-09-09］.http://wenku.baidu.com/link?url=hPtV4U8A8ldhTBfT_fkHWeWUEygnrMRnnVOisYDId3ezLFWZTwXYfkWBepiMNZam4cHdqTAwOGp0G C-tibR3TiEtq4hghptfARbJEztmWze.

［2］PEX8114AA PCI Express-to-PCI/PCI-X Bridge Data Book［EB/OL］.［2013-09-09］.http://www.plxtech.com.

［3］ATI Radeon E4690(M96-CSP512)Databook［EB/OL］.［2013-09-09］.http://www.amd.com.

［4］BUDRUK P，ANDERSON D，TOM S.PCI Express系统体系结构标准结构［M］.田玉敏，译.北京:电子工业出版社，2005.

［5］胡志勇.当今电子设备冷却技术的发展趋势［J］.电子机械工程，1999(1):2-5.

［6］黄海波.一种高速图像处理与控制系统的设计［J］.电视技术，2013，37(23):85-88.