基于cPCI總線的遙測(cè)前端處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在航空、航天等軍工試驗(yàn)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在航空飛行試驗(yàn)中.遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為各類試飛測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理提供了手段和平臺(tái)，是試飛員、試飛指揮員及試飛工程師協(xié)同完成新機(jī)試飛必不可少的重要設(shè)施，是確保現(xiàn)代飛機(jī)試飛安全、提高試飛效率、縮短試飛周期、實(shí)現(xiàn)綜合試飛的重要手段。

遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的核心設(shè)備——遙測(cè)前端處理器，技術(shù)上經(jīng)歷了從分立式、智能式到嵌入式的快速發(fā)展。我國(guó)遙測(cè)前端處理器的研發(fā)經(jīng)歷了從引進(jìn)、合作研制到完全自行研制的歷程。

遙測(cè)前端處理器是一套嵌入式實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，承擔(dān)著遙測(cè)PCM數(shù)據(jù)的同步、分路、工程單位轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)分配等實(shí)時(shí)處理任務(wù)。它和遙測(cè)系統(tǒng)管理服務(wù)器、工作站等設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接和系統(tǒng)集成，組成當(dāng)前流行的基于C/S結(jié)構(gòu)的遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)?？梢哉f(shuō)，遙測(cè)前端處理器的技術(shù)水平代表了遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的技術(shù)水平。

1 系統(tǒng)功能和主要技術(shù)指標(biāo)

遙測(cè)前端處理器的功能簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是把來(lái)自遙測(cè)接收設(shè)備送來(lái)的多路串行PCM(Pulse Code Modulation)數(shù)據(jù)流進(jìn)行同步、分路、合并、存儲(chǔ)，并對(duì)轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行工程單位轉(zhuǎn)換、導(dǎo)出參數(shù)計(jì)算等實(shí)時(shí)處理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送給顯示工作站。再通過(guò)遙測(cè)記錄數(shù)據(jù)重放，為用戶提供同實(shí)時(shí)方式一樣的處理功能和更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析功能。

遙測(cè)前端處理器主要技術(shù)指標(biāo)為：

(1)可同時(shí)完成2路PCM數(shù)據(jù)流的同步和分路，每路PCM速率不大于20Mbps。

(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理速率：20Mbps。

(3)數(shù)據(jù)傳輸：交換式以太網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)帶寬1000Mbps、廣播方式和“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”方式。

(4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：滿足在最大速率下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不丟失，磁盤容量滿足不小于4小時(shí)的記錄時(shí)間。

(5)D/A輸出：12位、16路模擬信號(hào)輸出。

2 系統(tǒng)組成和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二十世紀(jì)90年代，因受當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)限制，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)嵌入式遙測(cè)前端處理器都采用了基于VME總線的計(jì)算機(jī)平臺(tái)和雙總線、多CPU、百兆以太網(wǎng)接口的體系結(jié)構(gòu)，其技術(shù)復(fù)雜、成本高、軟件開發(fā)難度大、系統(tǒng)研制周期長(zhǎng)。

當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得CPU速度和總線速率已不再是新一代嵌入式遙測(cè)前端處理器的瓶頸，基于單CPU、單總線和千兆以太網(wǎng)接口的體系結(jié)構(gòu)成為新一代嵌入式遙測(cè)前端處理器的主流設(shè)計(jì)。板卡化后的遙測(cè)前端設(shè)備，如碼同步器、分路器、時(shí)碼發(fā)生器等作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)插件板，嵌人到工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，其組成已簡(jiǎn)化為：19英寸計(jì)算機(jī)箱、CPU板、多功能PCM分路器板、時(shí)碼板、D/A板和存儲(chǔ)設(shè)備，其典型結(jié)構(gòu)與組成見圖1所示。新一代嵌入式遙測(cè)前端處理器體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，性能和可靠性提高，成本降低，研制周期縮短，更容易集成為基于C/S結(jié)構(gòu)的多數(shù)據(jù)流遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 總線平臺(tái)和OEM板卡的選擇

計(jì)算機(jī)總線平臺(tái)是嵌入式遙測(cè)前端處理器的關(guān)鍵，當(dāng)前國(guó)外嵌入式遙測(cè)前端處理器均選用了目前流行的Compact PCI計(jì)算機(jī)總線平臺(tái)。該平臺(tái)吸收了PC機(jī)商用技術(shù)的最新成果，數(shù)據(jù)傳輸速率滿足新一代嵌入式遙測(cè)前端處理器實(shí)時(shí)處理多條PCM數(shù)據(jù)流時(shí)的傳輸要求，環(huán)境條件、可靠性等都滿足運(yùn)輸類飛機(jī)機(jī)載、地面活動(dòng)車載等環(huán)境使用要求。

遙測(cè)前端處理器中的其他硬件，除PCM分路器板外，均選用了OEM產(chǎn)品。機(jī)箱選用12槽Compact PCI機(jī)箱(包括電源組件和磁盤);根據(jù)處理要求，本設(shè)計(jì)的CPU板選用了美國(guó)SBS公司的C7系列，CPU PⅢ1GHz，RAM 1GB，2個(gè)1000Mb以太網(wǎng)口，1個(gè)SCSI口。時(shí)碼板選用了美國(guó)DATUM公司帶GPS授時(shí)的BC637;D/A板選用了美國(guó)NI公司的 N16713系列，每板8通道.每通道lMSps，D/A分辨率為12位。

考慮到單片式全數(shù)字碼同步器在國(guó)外已有使用，因此在多功能雙PCM分路器板設(shè)計(jì)時(shí)已預(yù)留了單片碼同步器的芯片位置。本設(shè)計(jì)碼同步器選用外置式碼同步器。

3.2 多功能雙PCM分路器板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

PCM 分路器板是嵌入式遙測(cè)前端處理器的關(guān)鍵插件，國(guó)外也有不少單板、單PCM分路的OEM產(chǎn)品。但高端產(chǎn)品的購(gòu)置受到西方國(guó)家諸多限制，因此，選取了自行設(shè)計(jì)的技術(shù)途經(jīng)，研制成功了基于Compact PCI總線的多功能雙路。PCM分路器板，其技術(shù)水平達(dá)到當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平。

3.2.1 PCM分路器板的硬件邏輯設(shè)計(jì)

多功能雙PCM分路器的原理框圖如圖2所示，由雙PCM分路器(包括幀同步檢測(cè)、幀/子幀同步策略及相應(yīng)的時(shí)序控制邏輯等)、PCM模擬器、語(yǔ)音采集等功能模塊組成。主要功能均由大規(guī)模集成電路CPLD可編程邏輯芯片實(shí)現(xiàn)。

CPLD選用了Latfice公司的ISP 4512V系統(tǒng)在線可編程器件。由于ISP便于現(xiàn)場(chǎng)更改，降低了研發(fā)成本，縮短了系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間。

在眾多通用的PCI接口芯片中，選用了目前業(yè)界設(shè)計(jì)選用的主流芯片：PLX公司的PLX9054。PLX9054是一種功能強(qiáng)、使用靈活并符合 PCIV2.2規(guī)范的32位、33MHz的。PCI總線接口控制器，它可以作為PCI總線的主控設(shè)備去控制總線，也可以作為目標(biāo)設(shè)備去響應(yīng)總線。 PIX9054提供了PCI總線、EWROM、IDCAL總線3個(gè)接口，作為一種“橋”芯片，在PCI總線和LOCAL總線之間有3種直接的數(shù)據(jù)傳輸模式。本設(shè)計(jì)選用了DMA數(shù)據(jù)傳輸模式。PLX9054以其強(qiáng)大的功能和簡(jiǎn)單的用戶接口，為PCI總線接口的開發(fā)提供了一種簡(jiǎn)潔的方法，設(shè)計(jì)者只需設(shè)計(jì)本地總線接口控制電路，即可實(shí)現(xiàn)與PCI總線的高速數(shù)據(jù)傳輸。

3.2.2 幀、子幀同步及同步策略的實(shí)現(xiàn)

PCM 數(shù)據(jù)一個(gè)參數(shù)是以一個(gè)字或多個(gè)字的方式表達(dá)的，每個(gè)字由若干碼元組成，而在一個(gè)PCM采集系統(tǒng)中，所有測(cè)試參數(shù)組成一個(gè)參數(shù)群，該參數(shù)群稱為幀/子幀結(jié)構(gòu)。怎樣才能準(zhǔn)確地區(qū)分每個(gè)字的起始位置.正確地恢復(fù)采集參數(shù)的并行數(shù)據(jù)，也就是獲取幀/子幀以及表示各參數(shù)的數(shù)據(jù)字的起始時(shí)刻相一致的脈沖序列，其過(guò)程即稱為幀/子幀同步。幀，子幀同步信號(hào)的作用在于在一串信號(hào)群中，給出一個(gè)起始時(shí)間標(biāo)志，以便對(duì)每個(gè)參數(shù)字進(jìn)行正確地分路，其特點(diǎn)是：它本身的信息量不大，但對(duì)傳輸?shù)目煽啃砸蠛芨?。幀同步檢測(cè)器是PCM分路器板的關(guān)鍵部分，其他工作都是在幀同步檢測(cè)器完成正確的檢測(cè)后進(jìn)行的，因此，幀同步檢測(cè)器起著至關(guān)重要的作用。其框圖如圖3所示。