DP 接口多屏显示在火控系统中的应用

赵庆岚，陈志勇，鲁 飞，赵 岩，范文超，郝强国

（1.驻太原地区第二军代室，太原 030006；2.北方自动控制技术研究所，太原 030006；3.陆装项目管理中心，太原 030009）

0 引言

目前DP 多屏显示已经广泛应用，为了满足武器装备信息化的发展需求，本文将该技术应用到嵌入式操作系统，将“一个键盘统一操作，多屏共享显示”的通用模式优化应用到火控系统，实现了多个键盘单独操作、多屏独立显示、一个软件统一管理的功能。在硬件上使用了共用处理器、DP 多屏显示的新技术，其采用界面显示资源与显示处理资源分离的模式，通过高性能图形图像处理能力和高清视频接口进行高清图像显示；软件上通过底层设置，实现单屏独立显示及多屏显示管理。DP 技术的使用，使得火控系统的硬件结构得到了简化，减少信息处理环境，提高系统可靠性，降低了成本。

1 DP 接口原理

DP（Display Port）接口，是一种图像显示接口，由视频电子标准协会推出可免费使用的高清数字显示接口标准，不仅可以支持全高清显示分辨率（1 920×1 080），还能支持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 能够在传输视频信号的同时加入对高清音频信号传输的支持，视频信号路径中每个颜色通道可以有6 到16 位，由1、2 或者4 路差分对进行数据传输，并通过一个双向的、半双工的辅助通道携带了视频数据链路需要的设备管理和设备控制数据，最大支持10.8 Gb/s 的传输带宽。DP 接口能够取代传统的VGA、DVI 和FPD-Link（LVDS）显示接口，并可以与传统接口（HDMI）向后兼容。

DP 信号传输原理为：DP 显示接口包含了1 个热插拔信号、1 到4 对DP 信息传输线（DP0+、DP0-、DP1+、DP1-，DP2+、DP2-、DP3+、DP3-）和1 对协议传输线（AUX+、AUX-，半双工、双向信号线）［2］。DP接口分为Source 端和Sink 端，Source 端为信息的发起，Sink 端为信息的显示。DP 接口信号传输原理如图1 所示。

图1 DP 接口信号传输原理

2 火控系统DP 设计

2.1 硬件设计

火控系统主要通过操控终端的人机交互实现武器平台瞄准与发射，火控系统一般配置2～3 台操控终端。常规设计中，操控终端通过B/S 或C/S 模式，与火控系统综合处理计算机之间构成服务器与客户端的信息处理交互，每个操控终端都是独立的单体，具有自己的核心处理器，构建基本的信息处理系统。

DP 接口的应用，使得常规设计发生了变化，将原先独立的操控终端变成了无处理器的操控终端［3］，将原先独立的操控终端的核心处理器功能集成到综合处理单元，即采用界面显示资源与显示处理资源分离的模式设计。某型火控系统通过综合处理单元中扩展3 路独立的DP 接口与3 个操控终端连接，形成1 个主机带3 个显示器的信息处理与应用模式。在设计时3 个操控显示台（以下简称显示台）内部的显示屏、显示接口板型号和硬件设计完全相同，武器装备控制箱通过3 个DP 显示接口连接操控显示台1（操控员）、操控显示台2（维护员）和炮长显示台（炮长），显示信息通过DP 接口传输给3 个操控显示台，用于炮长、操控员和维护员之间的信息共享，DP 接口。3 个显示屏能进行视频交互，通过设置，每个屏既可以同时显示不同内容，独自与控制箱交互信息，又可以显示其他两个屏的内容。

控制箱为DP 接口的Source 端，显示台为Sink端。通过DP 接口数据传输速度、显示器分辨率、传输距离（使用电缆）的初步设置，武器装备控制箱开机后，查询到热插拔信号为高，通过AUX 线与显示台之间进行协议的沟通，确定显示分辨率、传输速率、传输LAN 数量、信号的摆幅、信号预增强值等，DP LAN 按照AUX 的沟通结果进行信息传输。控制箱与操控显示台之间的DP 接口传输原理如图2 所示。

图2 某型火控系统DP 信号原理

2.2 软件设计

2.2.1 应用软件部署设计

为了实现界面显示资源与显示处理资源分离的设计，任务服务模块软件集成了传统火控系统的3 个终端软件，任务服务框架软件和3 个终端软件同时运行在任务服务模块，各操控终端捕获对应操作员的按键操作，将按键串口信号发送给任务服务模块中的各终端软件进行处理，各终端软件进行按键响应和页面切换［4］。相比火控系统传统方案，新的设计如下：1）去掉3 个终端的CPU 板，避免了传统模式下计算机资源的空置浪费，极大地优化系统组成，降低系统成本；2）将终端软件和任务服务框架软件之间的数据交互，由之前的外部网络通信变成了一个主板内进程间通信，降低了总线传输数据量，提升了数据传输可靠性，增加了网络交换模块的接口余量，为后续系统扩充提供了灵活性。

2.2.2 Linux 操作系统设计

图3 火控系统软件运行示意图

通用Windows 操作系统的DP 使用，具有各显示屏开机过程由于初始化顺序致使各屏的显示内容不固定的特点。这种特点使得火控系统“一主机多显示”的运行过程中，出现某个屏开启/关闭、线缆插拔引起的跳屏、闪屏等现象。针对火控系统的实际应用场景，本文对Linux 操作系统进行适配定制，主要包括以下设计：1）各显示台（DP 接口）进行固定内容推送显示。推送显示与各显示台的开机顺序、各DP 口的初始化顺序无关。2）操作系统不再对外围接口的状态进行判定，避免了运行过程一个屏开启/关闭、线缆插拔导致的跳屏、闪屏等问题。做到“DP 口+显示器+软件+串口”强绑定。

3 DP 多屏显示传输设计

DP 接口的参数设置选择范围较宽，如何选择也是保证多屏显示的重点。在工程实践测试中发现，显示台偶尔会出现显示屏没有显示信息的现象，例如：大约200 次的开关机测试中，会有1 个显示台出现显示故障，重新开关武器装备控制箱，现象不能消失，重新开关出现故障的显示台显示信息正常。经过反复试验，出现故障的概率相同。

3.1 AUX 信号分析

针对该现象，查看武器装备控制箱任务服务模块的日志文件的记录，可以看到有如下记录：

［drm：intel_dp_check_link_status］*ERROR* Failed to get link status

［drm：drm_dp_dpcd_access］too many retries，giving up

由日志记录可以看到武器装备控制箱的任务服务模块查询到显示台的热插拔信号，试图通过AUX通道与显示台进行通信以获取DP LINK 的状态，但武器装备控制箱的AUX 通道与显示台的AUX 通道通信故障，放弃读取显示台的DP LINK 信息。

同时，在显示台端对AUX+和AUX-两个信号进行了示波器监控，发现发生故障时，AUX+ 和AUX-信号为1 M 的方波，关闭武器装备控制箱方波依然存在，重新给武器装备控制箱上电，显示台仍然不能显示。关闭显示台方波消失，AUX+ 和AUX-恢复正常状态，重新给显示台上电，显示台恢复正常显示。初步确定显示台故障导致显示异常。AUX 工作正常时波形如图4 所示。

图4 AUX 工作正常的波形

图5 AUX 工作不正常的波形

采用专用测试工具DPA400（AUX 通道检测仪）对AUX 通道的通信数据进行跟踪测试，发生故障时，错误代码如下：

由DP 协议中关于AUX 通道的论述中可以看到，AUX 通道为双向、半双工通信信号，Source（武器装备控制箱）和Sink（显示台）分别控制总线，Source（武器装备控制箱）和Sink（显示台）端必须不停地切换TALK 状态和LISTEN 状态来保证双向通信可以正常进行。从AUX 专用测试仪DPA400 捕获的数据分析，Sink（显示台）的AUX 通道在响应了Source（武器装备控制箱）的问答后，没有回到正确的LISTEN 模式，导致Source（武器装备控制箱）端无法发出下一个命令。分析确认显示台DP 到LVDS 的转换芯片CH7511 中的固件存在缺陷。

重复多次对AUX 通信进行测量，每次开机到主界面显示完成存储为一个文件，连续进行30 次，存储30 个文件，针对通信数据进行仔细查对，每份文件中的AUX 通道通信数据都有错误，且发生错误的位置并不固定，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：

从文件数据分析，AUX 通道的通信不稳定。

3.2 AUX 状态转换分析

针对DP 协议中对AUX 通道的传输协议进行分析，AUX 通道信号线是半双工、双向信号线，通信速率为1 M。武器装备控制箱作为AUX 的主设备，操控显示台作为AUX 的从设备，主设备发起传输请求，从设备应答传输［5］。主设备AUX 的状态转换如图6 所示。

图6 主设备AUX 的状态转换

主设备（武器装备控制箱）上电处于S0 状态，复位完成后转入S1 状态，检测到HPD 后转入S2 状态，发起传输请求，此时为“TALK MODE”；命令发送完成后转入S3 状态，进入”LISTEN MODE”；命令接收完成转入S2 状态，可以开始下一次的命令传输。从设备AUX 的状态转换如下页图7 所示。

从设备（操控显示台）上电复位处于D0 状态，复位完成后转入D1 状态，进入”LISTEN MODE”，等待主机命令；收到主机命令完成后转入D2 状态，进入”TALK MODE”，准备应答主机命令；命令应答完成后转入D1 状态，进入”LISTEN MODE”，开始下一次的传输。

从专用测试设备DPA400 对AUX 通道的测量数据分析，从设备没有正确的转入”LISTEN MODE”，导致主设备无法开始下一次的AUX 传输，AUX 通信失败，主机无法知道DP LINK 状态，可以看到日志文件中显示，Failed to get link status 即BIOS 或操作系统对DP 接口的初始化失败，导致显控台无法显示。

3.3 DP 参数的设计

图7 从设备AUX 的状态转换

芯片CH7511 的固件实现AUX 状态转换功能。通过以上的分析，可以确定CH7511 固件AUX 通道的状态转换存在缺陷，会导致概率性显示故障的发生。通过试验验证，进行开关机800 次的AUX 通信数据测试（每次开关机存储为一个文件），详细核对800 份文件，记录显示测试及测试结果。最终将CH7511 固件参数设置如下：DP 协议由默认的eDP模式确定为DP 模式，设置通道连接速率为1.62 G，通道数量为单通道，时钟输入选择晶体模式；确定液晶屏的LVDS 信号为单通道模式，选择色深为18 bit，分辨率为1 024×768。

4 结论

本文将DP 技术应用到嵌入式载体，将“一个键盘统一操作，多屏共享显示”的通用模式优化应用到火控系统，实现了共用处理器、多屏显示的新技术。在硬件上使用了界面显示资源与显示处理资源分离的模式，通过DP 高清视频接口进行3 路高清图像显示；软件上通过Linux 操作系统的适配设计以及CH7511 固件参数设置，有效地解决了火控系统多屏显示传输偶尔不显示的现象，实现了多屏显示功能。本文的设计，节约了硬件成本，排除了显示的隐患，提高了DP 应用的可靠性。