基于TAWS系統(tǒng)的視頻顯示、音頻處理實(shí)現(xiàn)

楊珍 陳少林

摘要 TAWS即地形提示和警告系統(tǒng)，利用目視和音響告警形式的地形提示來(lái)防止受控撞地。本文就通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)視頻顯示功能、音頻處理功能進(jìn)行探討。利用乒乓緩存技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的高速緩存，視頻顯示圖像部分能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)RGB格式的視頻圖像，音頻數(shù)據(jù)通過(guò)ram緩存，能夠通過(guò)揚(yáng)聲器輸出wav格式的聲音信息。

【關(guān)鍵詞】TAWS FPGA 視頻 音頻

TAWS是一種增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)（EGPWS），近地告警系統(tǒng)（GPWS）不是一個(gè)全時(shí)段的告警系統(tǒng)，它只在無(wú)線(xiàn)電高度低于2450英寸時(shí)起作用。GPWS根據(jù)飛行的不同階段，定義了多種告警模式，告警計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)了各種告警模式相對(duì)應(yīng)的極限數(shù)據(jù)。告警計(jì)算機(jī)將其他系統(tǒng)輸送來(lái)的飛機(jī)實(shí)際狀態(tài)的數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)的極限數(shù)據(jù)相比較，若實(shí)際狀態(tài)超越了某一告警模式的極限，表明飛機(jī)可能有撞地危險(xiǎn)，系統(tǒng)就輸出相應(yīng)的音響和目視控制信號(hào)，加給駕駛艙中的警告喇叭，使之發(fā)出與模式相關(guān)的語(yǔ)音，并加給相應(yīng)的指示燈，使相應(yīng)的指示燈亮，有時(shí)還在發(fā)動(dòng)機(jī)指示和機(jī)組警告系統(tǒng)的顯示器上顯示出有關(guān)信息，以此來(lái)幫助飛行員迅速調(diào)整飛機(jī)狀態(tài)以避免可控飛行撞地（CFIT）事故的發(fā)生。

1 視頻顯示技術(shù)介紹

視頻技術(shù)分為模擬視頻和數(shù)字視頻，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)中的存儲(chǔ)格式主要有RGB和YUV，本項(xiàng)目中選用的是RGB格式，每個(gè)像素點(diǎn)都是通過(guò)3個(gè)獨(dú)立原色的數(shù)值來(lái)確定的，每個(gè)獨(dú)立原色均用8bit表示，即顏色8bit量化就是24位真彩色。

2 音頻技術(shù)介紹

目前主要的音頻文件存儲(chǔ)格式有：cda格式、wav格式、mp3/mp3pro格式、wma格式、ra格式等。

本文中使用的是wav格式的文件，44.1Khz的采樣頻率，16位量化位數(shù)，文件是16進(jìn)制文件，采用的是小段存放格式（高地址存儲(chǔ)高位、低地址存儲(chǔ)低位）按字節(jié)存儲(chǔ)。

3 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

TAWS系統(tǒng)關(guān)于音頻、視頻方面的硬件設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)思路是這樣的：CPU根據(jù)地形情況飛行高度等信息分析出所需要顯示的地形信息和聲音告警信息，通過(guò)總線(xiàn)方式傳輸至FPGA，F(xiàn)PGA將信息存儲(chǔ)分發(fā)，通過(guò)語(yǔ)音芯片傳輸至耳機(jī)播出聲音，將視頻信息按照LVDS接口的顯示器特性輸出。

FPGA是xilinx公司7系列的產(chǎn)品A7200t，語(yǔ)音芯片是PCM1681，支持5khz-200khz的聲音傳輸頻率，視頻顯示器選用友達(dá)面板，型號(hào)G065VNO1V2，6.5英寸，像素點(diǎn)640*480，工作頻率60hz。

4 視頻顯示邏輯實(shí)現(xiàn)

LVDS接口的顯示屏有以下幾種形式：D6L（單6位LVDS）、D8L（單8位LVDS）、S6L（雙6位LVDS）、S6L（雙6位LVDS）。

本項(xiàng)目中選用的顯示屏可同時(shí)支持6bit與8bit傳輸，本文選用的是6bit的傳輸格式。如圖1所示。

其中，HS：行同步信號(hào)，表示一行數(shù)據(jù)的開(kāi)始。

VS：幀同步信號(hào)，表示一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，LCD控制器在一個(gè)完整幀顯示完成后立即插入一個(gè)VS信號(hào)，開(kāi)始新一幀的顯示，VS信號(hào)出現(xiàn)的頻率表示一秒鐘內(nèi)能顯示多少幀圖像，稱(chēng)為“顯示器的頻率”。

DE：數(shù)據(jù)使能信號(hào)。

LVDS CLK：像素時(shí)鐘信號(hào)，表示正在傳輸一個(gè)像素的數(shù)據(jù)。

傳輸過(guò)程中要滿(mǎn)足行數(shù)據(jù)有效時(shí)間及休眠時(shí)間、列數(shù)據(jù)的有效時(shí)間及休眠時(shí)間，以及數(shù)據(jù)刷新率等條件進(jìn)行傳輸才能驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示出圖像。

在顯示過(guò)程中為了避免斷屏或者閃屏的情況出現(xiàn)，要求視頻數(shù)據(jù)一直保持有規(guī)律的、不間斷的有效傳輸，因此利用FPGA中雙口RAM進(jìn)行乒乓緩存來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的高速傳輸。乒乓緩存器控制兩個(gè)RAM的讀寫(xiě)操作，在RAM1接收視頻圖像數(shù)據(jù)時(shí)，RAM2用于視頻圖像數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)新的一幀圖像采集完成之后兩塊RAM互換角色。乒乓操作的最大特點(diǎn)就是將經(jīng)過(guò)緩存的數(shù)據(jù)流無(wú)時(shí)間停頓的傳送到輸出端，因此非常適合對(duì)時(shí)序不連續(xù)的像素進(jìn)行無(wú)縫緩沖處理。

5 音頻處理實(shí)現(xiàn)

本文中選用的傳輸芯片為PCM1681，配合運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音的輸出。PCM1681通信支持spi和iiC兩種通信模式，可在硬件板上通過(guò)固定引腳配置來(lái)實(shí)現(xiàn)方式選擇。本文中選擇SPI模式。

MD為配置數(shù)據(jù)，一組數(shù)據(jù)由16bit，高8位是所配置的地址，低8位是配置數(shù)據(jù);MS信號(hào)為配置模式寫(xiě)使能，低有效;MC為配置模式寫(xiě)時(shí)鐘。通過(guò)配置可實(shí)現(xiàn)各個(gè)通道的幅度值調(diào)制，可進(jìn)行采樣過(guò)密控制、靜噪控等功能。

設(shè)置LRCK、BCK、SCK等系 統(tǒng)頻率，音頻數(shù)據(jù)傳輸頻率是44.1Khz，所以flrck=44.1 Khz，選用的是16位數(shù)據(jù)格式，fbck=32*fs=1.4112 Mhz，系統(tǒng)采樣時(shí)鐘fsck=512*fs=22.5792 MhZ。

該器件的復(fù)位信號(hào)必須達(dá)到65536*fs的時(shí)間，芯片內(nèi)部的電壓才能上升到正常值，才能支持正常工作。

聲音文件是由CPU總線(xiàn)方式傳輸，由PCM1681輸出，考慮到兩者的數(shù)據(jù)處理速率不一致，需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)在FPGA中進(jìn)行緩存，完成異步數(shù)據(jù)流的處理。

6 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在ISE14.7的編譯環(huán)境下，由外部CPU下發(fā)指令，設(shè)置顯示紅、黃、藍(lán)、深紅、綠、白六種顏色的條形顯示圖案。面板顯示情況如圖2所示。

在顯示界面中，沒(méi)有出現(xiàn)閃屏、斷行、顏色不對(duì)齊等情況發(fā)生，說(shuō)明數(shù)據(jù)能夠按照顯示屏的特性穩(wěn)定的傳輸。

系統(tǒng)外接耳機(jī)之后，能夠清晰的聽(tīng)到聲音，沒(méi)有聲音重疊、聲音音速不正常、聲音斷續(xù)的現(xiàn)象發(fā)生。

7 小結(jié)

本文完成了基于LVDS接口的視頻顯示，能夠?qū)⒙曇粑募D(zhuǎn)換為聲音信息。TAWS做為飛機(jī)安全保障系統(tǒng)，要及時(shí)發(fā)出告警信息，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、實(shí)時(shí)處理能力，選用的存儲(chǔ)空間滿(mǎn)足視頻、音頻數(shù)據(jù)的緩存，從而避免兩幀文件進(jìn)行累加。

參考文獻(xiàn)

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