机载大屏幕显示器的余度设计

贺堃

（太原航空仪表有限公司，山西 太原030006）

1 机载显示器发展现状

机载显示器是飞行员与机载各系统之间进行人机交互的重要接口。飞行员通过机载显示器完成各种任务操作。随着飞机作战需求的不断提升，机载显示器的应用需求也发生了极大的变化。在现代化作战环境中显示器将面临更为复杂的应用环境，产品需要具备多任务、高度信息化、高度智能化的工作能力。传统的分立式机载显示器设计布局，画面设计方式已不能满足实际应用要求。为了解决上述问题，在新一代的机载显示器设计中，大屏幕液晶显示器得到了越来越多的应用。与传统显示器相比，大屏幕显示器具有有效显示面积大，显示信息丰富，操作使用灵活，作战任务适应性强等优点。能够有效增强飞行员对任务中的态势感知，还能有效减少飞行员在信息获取和管理上耗费的时间。

2 余度设计技术

大屏幕液晶显示器在具有传统显示器无可比拟的优势的同时也要特别注意产品可靠性和安全性方面的设计。由于显示器将座舱内很多传统显示器仪表整合在一起，如果大屏显示器失效，飞行的绝大部分任务将无法完成，飞机的飞行安全也面临巨大的考验。为了提高大屏显示器的可靠性，在产品设计过程中要考虑使用余度技术，余度技术是提高产品可靠性安全性的主要手段，它通过增加余度资源来保证单一故障不会对产品正常工作造成影响。余度设计要根据任务可靠性和安全性定量指标确定系统及部件的余度设计方案以及余度管理方案，余度设计的目的是以最小的余度和复杂性来满足产品的可靠性和安全性要求。

3 机载大屏幕显示器的余度设计

3.1 总体余度设计

某型大屏幕显示器需要完成对各类外部数据总线的解析和处理，数据处理完成后自出生成显示画面并送至液晶显示屏进行画面显示。产品在开展总体设计时在满足产品功能的前提下考虑进行余度设计。总体余度设计架构如图1。产品由液晶显示模块、视频处理模块、综合数据处理模块、总线数据处理模块和数据分配模块几部分组成。为了提高产品的可靠性，对重要程度较高的综合数据处理模块和总线数据处理模块采用余度设计。两组模块采用热备份工作方式，模块都处于正常工作状态，当主模块出现故障时，备用模块可以立刻替代主工作模块，保证产品工作正常，主备两组功能模块分别采用独立的电源系统供电。主备工作模块的状态监控和选择切换由视频显示处理模块完成。显示处理模块将选择后的视频信号发送到液晶显示模块进行显示。大屏幕液晶显示屏采用左右半屏独立驱动的工作模式进行显示。正常情况下，左右半屏根据预定功能分别显示各类显示信息。当半屏显示出现故障时，系统能够手动或自动对显示画面进行重构，保证任务完成和安全飞行所必须的信息能够正常显示，产品状态也由正常工作状态自动切换到降级工作状态，当故障状态恢复后，产品状态也能自动恢复到正常工作状态。

图1 大屏显示器总体余度设计框图

3.2 硬件余度设计

3.2.1 电源系统的余度设计

图2 电源系统原理框图

产品内部的余度功能模块采用独立的电源系统进行供电，当某路电源系统故障时，由其供电的功能电路将丧失全部功能。因此有必要对电源系统采用余度设计。当某个供电电源工作出现故障时，另一个供电电源将为整个功能电路供电。两路供电模块相互作为对方的热备份，从而提升了供电系统以及产品的可靠性。余度电源系统主要由LTC4359 和MOS 管组成。LTC4359 是Linear 公司研制生产的一款具备电源管理功能的理想二极管控制器，它驱动外部连接的N 沟道MOSFET 来控制输入供电线路的通断。芯片具有防止反向电压输入功能。如果输入电源出现失效或短路故障，LTC4359 可快速关断，防止电流倒灌。当用于高电流大功率应用场合，LTC4359 可有效降低功率损耗、热耗散和电压降。电源系统原理框图见图2。正常情况下，电源5V_IN1 和5V_IN2 两路电源都输出5V 供电电压，5V_IN1 通过控制使能控制电路使能第一路供电输出，禁止第二路5V_IN2 输出，5V_OUT1的输入电源为5V_IN1；当5V_IN1 失效时，第一路电源输出关闭，第二路电源自动开启，5V_OUT1 输出电源由5V_IN2 提供。

3.2.2 视频显示处理模块的余度设计

视频显示处理模块主要功能是对外部输入的两路视频信号进行监控和选通并发送至液晶显示模块进行显示。视频处理电路通过FPGA 芯片进行搭建，FPGA 通过解析外部输入视频的行、场和使能控制信号来判断视频信号的有无。模块默认输出主处理模块输出的视频信号，当主模块出现故障，视频信号异常时，FPGA 逻辑自动将视频输入切换至余度模块输出通道。如果两个通道的视频均出现异常，视频显示处理模块将自动生成备份显示画面把故障信息实时反馈给飞行员。为了提高产品可靠性，视频处理模块的FPGA 处理电路采用非相似余度设计。即设计两套由不同芯片电路，不同处理逻辑构建的具有相同预定功能的主备FPGA 电路。主备电路之间通过离散量互相传递状态信号，通过预设表决逻辑自动控制电路的切换。余度电路采用热备份方式进行工作，有效保证了产品稳定工作。

3.2.3 液晶显示模块的余度设计

液晶显示模块是整个产品的显示终端，如果模块出现故障画面无法显示，产品将失去全部功能。为了避免这种情况的出现，在液晶显示模块的设计中对重要功能电路开展了余度设计。将大屏幕液晶显示屏物理上分为左右半屏，两个半屏采用独立T-CON 板进行驱动，从而保证当一个显示区域出现故障时，可以将全部或者部分重要信息转移至另外一个显示区域进行显示。液晶显示模块的背光灯板由多颗LED 灯珠通过串、并联的方式构成背光照明电源，灯板出现故障，产品画面也将无法显示。产品的背光控制采用了余度设计，两组独立的LED 控制电路通过采用隔行控制的方式分别对间隔布局的LED 灯串进行驱动。当其中一路控制电路出现故障时，产品显示画面会出现显示颜色不均匀的现象，但产品整体显示功能的实现不会受到影响。液晶显示模块的另外一个重要功能是液晶屏加热功能，加热功能可以保证在低温工作环境下产品的画面显示效果不会影响飞行员对显示信息的判读。加热功能的实现是通过控制MOS 管控制加热电源的输出来实现的。如果加热控制失效，产品在常温或者高温环境下仍处于加热状态，液晶屏会清亮化，显示出现异常，长时间后液晶显示屏会出现不可逆的损坏。在加热控制电路的设计上也采用了余度设计。产品加热电路设计原理如图3 所示。加热控制信号由PWM_HEAT_O 和HEAT_CTL_O 通过与门来生成。只有当两个控制信号都有效时，三极管D2 和MOS 管D1 才能导通，后端加热电路才能正常为液晶显示屏进行加热（如图3）。

图3 加热电路原理图

在正常情况下，只通过PWM_HEAT_O 一个加热控制信号就可以实现加热电路的控制。该信号通过调节PWM工作频率来控制加热电源的工作频率。为了避免该控制信号失效导致加热功能失控，又设计了HEAT_CTL_O 信号作为应急控制开关，该信号在正常情况下处于常高有效状态，产品加热功能的实现仅通过PWM_HEAT_O 控制信号完成。如果CPU 监控到加热电路工作处理异常，会将HEAT_CTL_O 信号置低，加热控制端被置为无效，加热电路被强制关闭。通过采取上述余度措施，液晶显示模块的可靠性得到了显著的提升。

3.3 软件设计

产品余度功能的实现一部分是通过硬件电路自动完成，但大部分余度功能的实现需要通过软件设计来完成。产品软件设计主要完成两方面的工作：

3.3.1 设备状态的监控。产品软件需要周期监控各功能模块的工作情况，根据预置的判断条件判定功能模块是否处于健康状态，并根据监控结果生成故障信息的记录和告警。软件状态监控形成的结果是软件执行控制动作的直接依据。

3.3.2 控制逻辑的决断和实施。产品软件根据故障信息进行控制逻辑的决断，实现“故障工作”、“故障安全”、“故障规避”或“故障降级”等不同情形下的软件运行控制。

4 结论

针对大屏幕液晶显示器的产品特点和应用需求，在产品设计过程中对影响产品功能实现的关键重要功能采取了余度设计技术。余度设计方法的使用可以保证显示器在部分功能失效的情况下，仍可以在全工作状态或者降级工作状态下实现预定功能，从而有效提高了机载大屏幕显示器的可靠性，本文讨论的余度技术还可用于其他机载成品的研制。