CN114036015A - 一种基于fpga的高安全性图形生成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，包括FPGA芯片、图形绘制处理器、字符存储器、显存、图形监控处理器以及监控模板存储器；FPGA芯片包括总线接收缓冲区、同步握手模块、作图指令缓冲区、图形绘制模块、安全性监控设置模块、ECC校验模块、显示输出调整模块、显示输出CRC校验模块、监控数据提取模块以及监控数据对比模块。本发明能够有效监控航空等高安全等级领域图形生成的流程，保证绘制图形的正确性，提升显示系统安全性设计，避免画面显示错误信息对飞行员的误导，满足显示系统高安全性等级的目标。

Description

一种基于FPGA的高安全性图形生成装置
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，属于图形显示安全性设计领域。
背景技术
安全性是航空产品的重要特性，它影响飞机和乘客的生命安全，是飞机的固有属性。安全性设计工作是民用机载产品研制过程中必须开展的一项设计分析工作，贯穿了产品从概念设计到设计验证的各个阶段。
机载显示系统是飞机航电系统的重要组成部分，是飞行获取飞行姿态参数以及把控飞行控制的窗口，因此设计保证等级一般为最高级别(A级)，而图形生成装置又是机载显示系统的核心，所以对其进行安全性监控设计保证图形生成的正确性是非常具有必要的。
目前，在机载显示系统图形生成装置本身一般没有安全性监控措施，需要对其增加安全性监控电路以保证其生成图形的正确性，而这一思路会额外增加电路负担且会出现监控覆盖流程不全面的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，用于平视显示器显示画面安全性监控，保证HUD显示关键画面的正确性，满足如民机HUD高安全性等级的目标。
本发明的技术方案为：
所述一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，包括FPGA芯片、图形绘制处理器、字符存储器、显存、图形监控处理器以及监控模板存储器；
所述FPGA芯片包括总线接收缓冲区、同步握手模块、作图指令缓冲区、图形绘制模块、安全性监控设置模块、ECC校验模块、显示输出调整模块、显示输出CRC校验模块、监控数据提取模块以及监控数据对比模块；
所述总线接收缓冲区对图形绘制处理器发送至FPGA的绘图指令进行缓冲；所述绘图指令包括设置命令、图形命令以及握手同步命令；
所述同步握手模块根据总线接收缓冲区里面的握手同步命令完成与图形绘制处理器的握手，确保图形绘制处理器在发送一帧绘图指令后，FPGA将设置命令和图形命令加载至作图指令缓冲区，避免总线接收缓冲区数据写入与读出冲突造成的数据错误；
在安全性监控功能关闭的情况下，图形绘制模块直接从作图命令缓冲区中读取设置命令，完成图形参数设置后，依据图形命令完成图元绘制；
在安全性监控功能开启的情况下，设置命令经过安全性监控设置模块进行调整，包括：扩大图形绘制分辨率，以便在扩大区域绘制监控图形，并且增加监控图形绘制指令，以便在扩大区域的固定位置绘制监控图形；调整后的设置命令传递至图形绘制模块，完成图形参数设置后，依据图形命令完成图元绘制，并根据监控图形绘制指令绘制监控图形；
绘制完成后，绘制数据经过ECC校验模块写入显存中；ECC校验模块对所有写入和读出高速显存的数据进行ECC校验，保证显存中写入和读出数据的正确性；
显示输出调整模块根据设定的输出视频协议对从显存中读出的数据进行调整，且无论安全性监控功能是否开启，显示输出调整后的输出显示分辨率均采用原始图像分辨率；
在安全性监控功能关闭的情况下，显示输出CRC校验模块对显示输出调整模块输出的视频流进行整帧CRC校验，继而进行输出；
在安全性监控功能开启的情况下，除显示输出CRC校验模块对显示输出调整模块输出的视频流进行整帧CRC校验外，监控数据提取模块从所述扩大区域中提取绘制的监控图形，进而在监控数据对比模块中，将提取的监控图形与从监控模板存储器中读取的样板图元进行对比，得到图形绘制监控结果，并将图形绘制监控结果上报给图形监控处理器。
进一步的，所述图形绘制处理器与所述FPGA之间通过总线传输，包括PCI、PCIE、高速LINK口。
进一步的，所述设置命令包含图形分辨率、开窗、闭塞区、背景颜色、安全性监控功能开启关闭的参数设置命令。
进一步的，所述图形命令包含图元类型绘制指令以及图元绘制参数；所述图元类型包括点、线、圆形、三角形、圆弧、字符；所述图元绘制参数包括颜色、线宽。
进一步的，所述握手同步命令包含FPGA与图形绘制处理器的握手协议信息，以便进行整帧绘图指令的读取。
进一步的，图形绘制模块中，除字符绘制外，其余图元绘制是由FPGA算法实时绘制，字符绘制则是从字符存储器中读取需要绘制的字符进行绘制。
进一步的，显示输出调整模块中设定的输出视频协议包括VESA时序、LVDS、数字RGB时序或ARINC818。
进一步的，在安全性监控功能关闭的情况下，显示输出CRC校验模块对显示输出调整模块输出的视频流进行整帧CRC校验，并将整帧画面最后一个点的RGB 24位灰度值替换为CRC校验结果，继而进行输出。
进一步的，安全性监控功能开启与关闭的选择结果，采用明确的方式告知图形生成装置。
进一步的，奇偶帧中采用不同的监控图形，以保证对图像冻结情景的监控。
有益效果
本发明提出了一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，适用于高安全等级领域图形生成应用，保证图形生成与显示的正确性。该装置能够有效监控航空等高安全等级领域图形生成的流程，保证绘制图形的正确性，提升显示系统安全性设计，避免画面显示错误信息对飞行员的误导，满足显示系统高安全性等级的目标。
相比现有的航空显示系统中的图形生成装置，本发明具有优势如下：
1.监控完整性强，监控路径覆盖图形生成、传输、处理全流程；
2.集成度高，图形生成流程与监控流程一体化设计；
3.较低复杂度，易于硬件实现；
4.监控流程实时性好，低延迟。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：本发明装置实现的硬件组成图；
图2：本发明装置实现的FPGA内部原理框图；
图3：分辨率调整示意图；
图4：样板图形示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例涉及一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，该装置的实施能够有效监控航空显示系统中图形生成装置图形生成、传输的全流程，保证图形生成的正确性，提升安全性设计，避免显示错误信息对飞行员的误导，满足航空显示系统高安全性等级的目标。
如图1和图2所示，本实施例中基于FPGA的高安全性图形生成装置，FPGA芯片、图形绘制处理器、字符存储器、显存、图形监控处理器以及监控模板存储器；图形绘制处理器发送绘图指令至FPGA芯片，FPGA芯片按照接收到的绘图指令完成图形绘制。字符存储器存储字符图片，支持字符的绘制。显存缓存图形绘制的数据以保证数据按照显示流协议进行输出。图形监控处理器完成对绘图过程正确性的实时监控，以达到装置高安全性的目标。
所述FPGA芯片包括总线接收缓冲区、同步握手模块、作图指令缓冲区、图形绘制模块、安全性监控设置模块、ECC校验模块、显示输出调整模块、显示输出CRC校验模块、监控数据提取模块以及监控数据对比模块。
FPGA内部总线接收缓冲区对图形绘制处理器通过外部总线发送至FPGA的绘图指令进行缓冲；所述绘图指令包括设置命令、图形命令以及握手同步命令；设置命令包含图形分辨率、开窗、闭塞区、背景颜色、安全性监控功能开启关闭等参数设置；图形命令包含点、线、圆形、三角形、圆弧、字符等图元类型绘制指令以及颜色、线宽等图元绘制参数；握手同步指令包含图形生成装置与外部图形绘制处理器的握手协议信息，以便进行整帧绘图指令的读取。
图形绘制处理器与FPGA之间的总线一般包括PCI、PCIE、高速LINK口等。
FPGA内部同步握手模块根据总线接收缓冲区里面的握手同步命令完成与图形绘制处理器的握手，确保图形绘制处理器在发送一帧绘图指令后，FPGA将设置命令和图形命令加载至作图指令缓冲区，避免总线接收缓冲区数据写入与读出冲突造成的数据错误。
在安全性监控功能关闭的情况下，图形绘制模块直接从作图命令缓冲区中读取设置命令，完成图形分辨率、开窗、闭塞区、背景颜色等图形参数设置后，依据图形命令完成点、线、圆形、圆弧、三角形、字符等基本图元的绘制。
基本图元的绘制分为两种类型，点、线、圆形、圆弧、三角形的绘制是通过图形绘制算法进行实时的绘制。字符的绘制是以字库的形式完成，预先绘制好不同字号内容的字符存储在字库存储器中，绘制过程根据绘制命令读取不同的字符进行显示。
在安全性监控功能开启的情况下，设置命令经过安全性监控设置模块进行调整，包括：
扩大图形绘制分辨率，以便在扩大区域(未显示区域)绘制监控图形，如图3所示；
增加监控图形绘制指令，以便在扩大区域的固定位置绘制监控图形；据监控图形绘制指令在分辨率扩大区域所绘制的样板图形是确定且已知的，如图4所示，本实施例中的样板图形为三角形。
此外，监控图形的绘制形状在奇偶帧需要绘制不同形状以保证对图像“冻结”情景的监控。
调整后的设置命令传递至图形绘制模块，完成图形分辨率、开窗、闭塞区、背景颜色等图形参数设置后，依据图形命令完成点、线、圆形、圆弧、三角形、字符等基本图元的绘制，并根据监控图形绘制指令绘制监控图形。
绘制完成后，绘制数据经过ECC校验模块写入高速显存中；ECC校验模块对所有写入和读出高速显存的数据进行ECC校验，保证显存中写入和读出数据的正确性。这里在绘制数据写入高速显存时进行ECC编码，读出高速显存时进行ECC译码，一旦监控译码出现错误，则向图形监控处理器进行上报错误。
显示输出调整模块根据设定的输出视频协议对从显存中读出的数据进行调整，且无论安全性监控功能是否开启，显示输出调整后的输出显示分辨率均采用原始图像分辨率。显示输出调整模块调整的输出时序包括VESA时序、LVDS、数字RGB、ARINC818等时序。
在安全性监控功能关闭的情况下，显示输出CRC校验模块对显示输出调整模块输出的视频流进行整帧CRC校验，并将整帧画面最后一个点的RGB 24位灰度值替换为CRC校验结果，继而进行输出。
下面举例说明，整帧CRC校验的计算方法，如视频分辨率为1280*1024，则计算(1280*1024-1)个像素点的CRC值，并将最后一个点的像素值替换为(1280*1024-1)个像素点CRC值的计算结果，如下表所示。
Figure BDA0003292090180000061
在安全性监控功能开启的情况下，除显示输出CRC校验模块对显示输出调整模块输出的视频流进行整帧CRC校验外，监控数据提取模块从所述扩大区域中提取绘制的监控图形，进而在监控数据对比模块中，将提取的监控图形与从监控模板存储器中读取的样板图元进行对比，得到图形绘制监控结果，并将图形绘制监控结果上报给图形监控处理器。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，其特征在于：包括FPGA芯片、图形绘制处理器、字符存储器、显存、图形监控处理器以及监控模板存储器；
所述FPGA芯片包括总线接收缓冲区、同步握手模块、作图指令缓冲区、图形绘制模块、安全性监控设置模块、ECC校验模块、显示输出调整模块、显示输出CRC校验模块、监控数据提取模块以及监控数据对比模块；
所述总线接收缓冲区对图形绘制处理器发送至FPGA的绘图指令进行缓冲；所述绘图指令包括设置命令、图形命令以及握手同步命令；
所述同步握手模块根据总线接收缓冲区里面的握手同步命令完成与图形绘制处理器的握手，使图形绘制处理器在发送一帧绘图指令后，FPGA能够将设置命令和图形命令加载至作图指令缓冲区；
在安全性监控功能关闭的情况下，图形绘制模块直接从作图命令缓冲区中读取设置命令，完成图形参数设置后，依据图形命令完成图元绘制；
在安全性监控功能开启的情况下，设置命令经过安全性监控设置模块进行调整，包括：扩大图形绘制分辨率，并且增加监控图形绘制指令，实现在扩大区域的固定位置绘制监控图形；调整后的设置命令传递至图形绘制模块，完成图形参数设置后，依据图形命令完成图元绘制，并根据监控图形绘制指令绘制监控图形；
绘制完成后，绘制数据经过ECC校验模块写入显存中；
显示输出调整模块根据设定的输出视频协议对从显存中读出的数据进行调整，且无论安全性监控功能是否开启，显示输出调整后的输出显示分辨率均采用原始图像分辨率；
在安全性监控功能关闭的情况下，显示输出CRC校验模块对显示输出调整模块输出的视频流进行整帧CRC校验，继而进行输出；
在安全性监控功能开启的情况下，除显示输出CRC校验模块对显示输出调整模块输出的视频流进行整帧CRC校验外，监控数据提取模块从所述扩大区域中提取绘制的监控图形，进而在监控数据对比模块中，将提取的监控图形与从监控模板存储器中读取的样板图元进行对比，得到图形绘制监控结果，并将图形绘制监控结果上报给图形监控处理器。
2.根据权利要求1所述一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，其特征在于：所述图形绘制处理器与所述FPGA之间通过总线传输，包括PCI、PCIE、高速LINK口。
3.根据权利要求1所述一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，其特征在于：所述设置命令包含图形分辨率、开窗、闭塞区、背景颜色、安全性监控功能开启关闭的参数设置命令。
4.根据权利要求1所述一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，其特征在于：所述图形命令包含图元类型绘制指令以及图元绘制参数；所述图元类型包括点、线、圆形、三角形、圆弧、字符；所述图元绘制参数包括颜色、线宽。
5.根据权利要求1所述一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，其特征在于：所述握手同步命令包含FPGA与图形绘制处理器的握手协议信息，以便进行整帧绘图指令的读取。
6.根据权利要求1所述一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，其特征在于：图形绘制模块中，除字符绘制外，其余图元绘制是由FPGA算法实时绘制，字符绘制则是从字符存储器中读取需要绘制的字符进行绘制。
7.根据权利要求1所述一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，其特征在于：显示输出调整模块中设定的输出视频协议包括VESA时序、LVDS、数字RGB时序或ARINC818。
8.根据权利要求1所述一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，其特征在于：在安全性监控功能关闭的情况下，显示输出CRC校验模块对显示输出调整模块输出的视频流进行整帧CRC校验，并将整帧画面最后一个点的RGB 24位灰度值替换为CRC校验结果，继而进行输出。
9.根据权利要求1所述一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，其特征在于：安全性监控功能开启与关闭的选择结果，采用明确的方式告知图形生成装置。
10.根据权利要求1所述一种基于FPGA的高安全性图形生成装置，其特征在于：奇偶帧中采用不同的监控图形，以保证对图像冻结情景的监控。
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