機(jī)載大屏幕顯示器的余度設(shè)計(jì)

賀堃

（太原航空儀表有限公司，山西 太原030006）

1 機(jī)載顯示器發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)載顯示器是飛行員與機(jī)載各系統(tǒng)之間進(jìn)行人機(jī)交互的重要接口。飛行員通過機(jī)載顯示器完成各種任務(wù)操作。隨著飛機(jī)作戰(zhàn)需求的不斷提升，機(jī)載顯示器的應(yīng)用需求也發(fā)生了極大的變化。在現(xiàn)代化作戰(zhàn)環(huán)境中顯示器將面臨更為復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，產(chǎn)品需要具備多任務(wù)、高度信息化、高度智能化的工作能力。傳統(tǒng)的分立式機(jī)載顯示器設(shè)計(jì)布局，畫面設(shè)計(jì)方式已不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求。為了解決上述問題，在新一代的機(jī)載顯示器設(shè)計(jì)中，大屏幕液晶顯示器得到了越來越多的應(yīng)用。與傳統(tǒng)顯示器相比，大屏幕顯示器具有有效顯示面積大，顯示信息豐富，操作使用靈活，作戰(zhàn)任務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。能夠有效增強(qiáng)飛行員對(duì)任務(wù)中的態(tài)勢感知，還能有效減少飛行員在信息獲取和管理上耗費(fèi)的時(shí)間。

2 余度設(shè)計(jì)技術(shù)

大屏幕液晶顯示器在具有傳統(tǒng)顯示器無可比擬的優(yōu)勢的同時(shí)也要特別注意產(chǎn)品可靠性和安全性方面的設(shè)計(jì)。由于顯示器將座艙內(nèi)很多傳統(tǒng)顯示器儀表整合在一起，如果大屏顯示器失效，飛行的絕大部分任務(wù)將無法完成，飛機(jī)的飛行安全也面臨巨大的考驗(yàn)。為了提高大屏顯示器的可靠性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中要考慮使用余度技術(shù)，余度技術(shù)是提高產(chǎn)品可靠性安全性的主要手段，它通過增加余度資源來保證單一故障不會(huì)對(duì)產(chǎn)品正常工作造成影響。余度設(shè)計(jì)要根據(jù)任務(wù)可靠性和安全性定量指標(biāo)確定系統(tǒng)及部件的余度設(shè)計(jì)方案以及余度管理方案，余度設(shè)計(jì)的目的是以最小的余度和復(fù)雜性來滿足產(chǎn)品的可靠性和安全性要求。

3 機(jī)載大屏幕顯示器的余度設(shè)計(jì)

3.1 總體余度設(shè)計(jì)

某型大屏幕顯示器需要完成對(duì)各類外部數(shù)據(jù)總線的解析和處理，數(shù)據(jù)處理完成后自出生成顯示畫面并送至液晶顯示屏進(jìn)行畫面顯示。產(chǎn)品在開展總體設(shè)計(jì)時(shí)在滿足產(chǎn)品功能的前提下考慮進(jìn)行余度設(shè)計(jì)?？傮w余度設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1。產(chǎn)品由液晶顯示模塊、視頻處理模塊、綜合數(shù)據(jù)處理模塊、總線數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)分配模塊幾部分組成。為了提高產(chǎn)品的可靠性，對(duì)重要程度較高的綜合數(shù)據(jù)處理模塊和總線數(shù)據(jù)處理模塊采用余度設(shè)計(jì)。兩組模塊采用熱備份工作方式，模塊都處于正常工作狀態(tài)，當(dāng)主模塊出現(xiàn)故障時(shí)，備用模塊可以立刻替代主工作模塊，保證產(chǎn)品工作正常，主備兩組功能模塊分別采用獨(dú)立的電源系統(tǒng)供電。主備工作模塊的狀態(tài)監(jiān)控和選擇切換由視頻顯示處理模塊完成。顯示處理模塊將選擇后的視頻信號(hào)發(fā)送到液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。大屏幕液晶顯示屏采用左右半屏獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的工作模式進(jìn)行顯示。正常情況下，左右半屏根據(jù)預(yù)定功能分別顯示各類顯示信息。當(dāng)半屏顯示出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠手動(dòng)或自動(dòng)對(duì)顯示畫面進(jìn)行重構(gòu)，保證任務(wù)完成和安全飛行所必須的信息能夠正常顯示，產(chǎn)品狀態(tài)也由正常工作狀態(tài)自動(dòng)切換到降級(jí)工作狀態(tài)，當(dāng)故障狀態(tài)恢復(fù)后，產(chǎn)品狀態(tài)也能自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

圖1 大屏顯示器總體余度設(shè)計(jì)框圖

3.2 硬件余度設(shè)計(jì)

3.2.1 電源系統(tǒng)的余度設(shè)計(jì)

圖2 電源系統(tǒng)原理框圖

產(chǎn)品內(nèi)部的余度功能模塊采用獨(dú)立的電源系統(tǒng)進(jìn)行供電，當(dāng)某路電源系統(tǒng)故障時(shí)，由其供電的功能電路將喪失全部功能。因此有必要對(duì)電源系統(tǒng)采用余度設(shè)計(jì)。當(dāng)某個(gè)供電電源工作出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)供電電源將為整個(gè)功能電路供電。兩路供電模塊相互作為對(duì)方的熱備份，從而提升了供電系統(tǒng)以及產(chǎn)品的可靠性。余度電源系統(tǒng)主要由LTC4359 和MOS 管組成。LTC4359 是Linear 公司研制生產(chǎn)的一款具備電源管理功能的理想二極管控制器，它驅(qū)動(dòng)外部連接的N 溝道MOSFET 來控制輸入供電線路的通斷。芯片具有防止反向電壓輸入功能。如果輸入電源出現(xiàn)失效或短路故障，LTC4359 可快速關(guān)斷，防止電流倒灌。當(dāng)用于高電流大功率應(yīng)用場合，LTC4359 可有效降低功率損耗、熱耗散和電壓降。電源系統(tǒng)原理框圖見圖2。正常情況下，電源5V_IN1 和5V_IN2 兩路電源都輸出5V 供電電壓，5V_IN1 通過控制使能控制電路使能第一路供電輸出，禁止第二路5V_IN2 輸出，5V_OUT1的輸入電源為5V_IN1；當(dāng)5V_IN1 失效時(shí)，第一路電源輸出關(guān)閉，第二路電源自動(dòng)開啟，5V_OUT1 輸出電源由5V_IN2 提供。

3.2.2 視頻顯示處理模塊的余度設(shè)計(jì)

視頻顯示處理模塊主要功能是對(duì)外部輸入的兩路視頻信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控和選通并發(fā)送至液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。視頻處理電路通過FPGA 芯片進(jìn)行搭建，F(xiàn)PGA 通過解析外部輸入視頻的行、場和使能控制信號(hào)來判斷視頻信號(hào)的有無。模塊默認(rèn)輸出主處理模塊輸出的視頻信號(hào)，當(dāng)主模塊出現(xiàn)故障，視頻信號(hào)異常時(shí)，F(xiàn)PGA 邏輯自動(dòng)將視頻輸入切換至余度模塊輸出通道。如果兩個(gè)通道的視頻均出現(xiàn)異常，視頻顯示處理模塊將自動(dòng)生成備份顯示畫面把故障信息實(shí)時(shí)反饋給飛行員。為了提高產(chǎn)品可靠性，視頻處理模塊的FPGA 處理電路采用非相似余度設(shè)計(jì)。即設(shè)計(jì)兩套由不同芯片電路，不同處理邏輯構(gòu)建的具有相同預(yù)定功能的主備FPGA 電路。主備電路之間通過離散量互相傳遞狀態(tài)信號(hào)，通過預(yù)設(shè)表決邏輯自動(dòng)控制電路的切換。余度電路采用熱備份方式進(jìn)行工作，有效保證了產(chǎn)品穩(wěn)定工作。

3.2.3 液晶顯示模塊的余度設(shè)計(jì)

液晶顯示模塊是整個(gè)產(chǎn)品的顯示終端，如果模塊出現(xiàn)故障畫面無法顯示，產(chǎn)品將失去全部功能。為了避免這種情況的出現(xiàn)，在液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)中對(duì)重要功能電路開展了余度設(shè)計(jì)。將大屏幕液晶顯示屏物理上分為左右半屏，兩個(gè)半屏采用獨(dú)立T-CON 板進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而保證當(dāng)一個(gè)顯示區(qū)域出現(xiàn)故障時(shí)，可以將全部或者部分重要信息轉(zhuǎn)移至另外一個(gè)顯示區(qū)域進(jìn)行顯示。液晶顯示模塊的背光燈板由多顆LED 燈珠通過串、并聯(lián)的方式構(gòu)成背光照明電源，燈板出現(xiàn)故障，產(chǎn)品畫面也將無法顯示。產(chǎn)品的背光控制采用了余度設(shè)計(jì)，兩組獨(dú)立的LED 控制電路通過采用隔行控制的方式分別對(duì)間隔布局的LED 燈串進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)其中一路控制電路出現(xiàn)故障時(shí)，產(chǎn)品顯示畫面會(huì)出現(xiàn)顯示顏色不均勻的現(xiàn)象，但產(chǎn)品整體顯示功能的實(shí)現(xiàn)不會(huì)受到影響。液晶顯示模塊的另外一個(gè)重要功能是液晶屏加熱功能，加熱功能可以保證在低溫工作環(huán)境下產(chǎn)品的畫面顯示效果不會(huì)影響飛行員對(duì)顯示信息的判讀。加熱功能的實(shí)現(xiàn)是通過控制MOS 管控制加熱電源的輸出來實(shí)現(xiàn)的。如果加熱控制失效，產(chǎn)品在常溫或者高溫環(huán)境下仍處于加熱狀態(tài)，液晶屏?xí)辶粱?，顯示出現(xiàn)異常，長時(shí)間后液晶顯示屏?xí)霈F(xiàn)不可逆的損壞。在加熱控制電路的設(shè)計(jì)上也采用了余度設(shè)計(jì)。產(chǎn)品加熱電路設(shè)計(jì)原理如圖3 所示。加熱控制信號(hào)由PWM_HEAT_O 和HEAT_CTL_O 通過與門來生成。只有當(dāng)兩個(gè)控制信號(hào)都有效時(shí)，三極管D2 和MOS 管D1 才能導(dǎo)通，后端加熱電路才能正常為液晶顯示屏進(jìn)行加熱（如圖3）。

圖3 加熱電路原理圖

在正常情況下，只通過PWM_HEAT_O 一個(gè)加熱控制信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)加熱電路的控制。該信號(hào)通過調(diào)節(jié)PWM工作頻率來控制加熱電源的工作頻率。為了避免該控制信號(hào)失效導(dǎo)致加熱功能失控，又設(shè)計(jì)了HEAT_CTL_O 信號(hào)作為應(yīng)急控制開關(guān)，該信號(hào)在正常情況下處于常高有效狀態(tài)，產(chǎn)品加熱功能的實(shí)現(xiàn)僅通過PWM_HEAT_O 控制信號(hào)完成。如果CPU 監(jiān)控到加熱電路工作處理異常，會(huì)將HEAT_CTL_O 信號(hào)置低，加熱控制端被置為無效，加熱電路被強(qiáng)制關(guān)閉。通過采取上述余度措施，液晶顯示模塊的可靠性得到了顯著的提升。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

產(chǎn)品余度功能的實(shí)現(xiàn)一部分是通過硬件電路自動(dòng)完成，但大部分余度功能的實(shí)現(xiàn)需要通過軟件設(shè)計(jì)來完成。產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)主要完成兩方面的工作：

3.3.1 設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控。產(chǎn)品軟件需要周期監(jiān)控各功能模塊的工作情況，根據(jù)預(yù)置的判斷條件判定功能模塊是否處于健康狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)控結(jié)果生成故障信息的記錄和告警。軟件狀態(tài)監(jiān)控形成的結(jié)果是軟件執(zhí)行控制動(dòng)作的直接依據(jù)。

3.3.2 控制邏輯的決斷和實(shí)施。產(chǎn)品軟件根據(jù)故障信息進(jìn)行控制邏輯的決斷，實(shí)現(xiàn)“故障工作”、“故障安全”、“故障規(guī)避”或“故障降級(jí)”等不同情形下的軟件運(yùn)行控制。

4 結(jié)論

針對(duì)大屏幕液晶顯示器的產(chǎn)品特點(diǎn)和應(yīng)用需求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對(duì)影響產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵重要功能采取了余度設(shè)計(jì)技術(shù)。余度設(shè)計(jì)方法的使用可以保證顯示器在部分功能失效的情況下，仍可以在全工作狀態(tài)或者降級(jí)工作狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，從而有效提高了機(jī)載大屏幕顯示器的可靠性，本文討論的余度技術(shù)還可用于其他機(jī)載成品的研制。