DP 接口多屏顯示在火控系統(tǒng)中的應(yīng)用

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）

0 引言

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。

1 DP 接口原理

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

2 火控系統(tǒng)DP 設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

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 軟件設(shè)計

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。

3 DP 多屏顯示傳輸設(shè)計

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。

3.1 AUX 信號分析

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。

3.2 AUX 狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析

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。

3.3 DP 參數(shù)的設(shè)計

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。

4 結(jié)論

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。