基于磁盤陣列的全數(shù)字遙測記錄系統(tǒng)的設(shè)計

　　我國遙測記錄設(shè)備經(jīng)歷了倍密度磁帶機(jī)和旋轉(zhuǎn)頭磁帶機(jī)兩代產(chǎn)品，目前仍在使用。從記錄原理上說他們皆屬于模擬記錄設(shè)備，在長期使用當(dāng)中，已暴露出諸多缺陷：

　　(1)磁帶耗材依賴進(jìn)口，價格昂貴且記錄容量小、重復(fù)使用率低、數(shù)據(jù)保存時間短。

　　(2)磁頭和機(jī)械運(yùn)帶機(jī)構(gòu)屬精密加工器件，調(diào)校過程相當(dāng)復(fù)雜，長期使用磨損嚴(yán)重，記錄性能顯著惡化，給設(shè)備維護(hù)帶來極大不便。

　　隨著計算機(jī)硬盤制造技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)字存儲技術(shù)的問世及不斷應(yīng)用，采用大容量高速硬盤記錄模擬遙測信號的數(shù)字化記錄設(shè)備DRS(Digital Record System)[1]已經(jīng)出現(xiàn)，并成為遙測記錄設(shè)備的換代產(chǎn)品，但設(shè)計上存在不足：

　　(1)數(shù)字化程度低：記錄信號中心頻率只有2．1 MHz，不能對左右旋圓極化70 MHz檢前信號直接記錄，要依賴額外的模擬下變頻器作轉(zhuǎn)換處理，不適應(yīng)對全新的數(shù)字綜合基帶遙外測設(shè)備的記錄要求。

　　(2)擴(kuò)展性差：由于采用專用的數(shù)據(jù)傳輸通道，帶寬有限(16 b)且固定，故一旦要增加記錄信號的路數(shù)，只能靠增加硬件通道數(shù)來增加帶寬，相應(yīng)地要增加控制驅(qū)動記錄的板卡數(shù)量，并導(dǎo)致輸入輸

　　(3)單硬盤工作模式可靠性難以保證，一旦硬盤損壞，整個系統(tǒng)癱瘓，已記錄數(shù)據(jù)無法恢復(fù)。 (4)未能利用國際通行的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，不利于產(chǎn)品升級換代，從長遠(yuǎn)看難以形成新的業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

　　以上不足說明DRS在最初的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在根本性的缺陷，若想徹底克服，必須重新改進(jìn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡量采用當(dāng)前國內(nèi)外在數(shù)字存儲方面先進(jìn)、通行的技術(shù)，因此RAID(廉價冗余磁盤陣列)技術(shù)為我們提供了新的設(shè)計思路和理念。作者經(jīng)過深入研究論證和大量的前期試驗，終于設(shè)計并實現(xiàn)了以RAID陣列為核心的全數(shù)字遙測記錄系統(tǒng)RDRS。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　2．1整機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　RAID標(biāo)準(zhǔn)提供了數(shù)字存儲方面全方位的解決方案，其中RAID5采用具有分布式奇偶校驗的磁盤物理條帶(stripings)來跨越單個磁盤平均分配數(shù)據(jù)和冗余校驗信息[2]，在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，可獲得極高的數(shù)據(jù)吞吐率和磁盤利用率，尤其適合高速連續(xù)大塊數(shù)據(jù)的傳輸。綜合考慮遙測記錄的極高安全性、實時性、超大存儲空間和更多的記錄通道，陣列模組選用以5塊容量各為100 GB的SA TA硬盤組成RAlD5標(biāo)準(zhǔn)，用高性能的ARECA-1120 SA-TA RAID控制卡作驅(qū)動，RAID卡采用OEM產(chǎn)品，可減少硬件開發(fā)工作量。之所以未選用更高性能的SCSI硬盤作模組是由于SCSI硬盤數(shù)據(jù)接口過于寬大(50芯)，而SATA硬盤是目前市場上漸趨流行的串行ATA接口的新一代高性能硬盤，其外部數(shù)據(jù)傳輸率已達(dá)300 MB/s，接近SCSI硬盤(320 MB/s)，但其接口電纜只有8芯，布線十分方便靈活，非常適合組成陣列模組，可節(jié)省機(jī)箱空間，便于快速更換。整機(jī)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　他以64位擴(kuò)展的PCI總線作為硬件開發(fā)平臺，可提供528 Mb/s的高數(shù)據(jù)傳輸帶寬，而CPU仍采用高性能的32位P4(2．4 GHz)處理器，通過主橋?qū)崿F(xiàn)總線緩沖來直接映射到64位總線地址空間。硬件部分獨(dú)立開發(fā)了通用性和擴(kuò)展性非常強(qiáng)的基于PCI總線的中頻和視頻采集卡。軟件環(huán)境采用基于RT-Linux 3．1實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，在RedHat 8．0(內(nèi)核版本 Linux 2．4．18)系統(tǒng)平臺下開發(fā)，采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編制底層驅(qū)動及用戶應(yīng)用程序。在 Kylix開發(fā)環(huán)境下，用C++編寫X-Windows下的用戶界面程序。由于系統(tǒng)規(guī)定的錄放速度高達(dá)500 Mb/s，PCI視頻采集卡對系統(tǒng)中斷響應(yīng)時間的要求就非常高，為此專門選用了基于Linux的實時操作系統(tǒng)RT-Linux平臺，RT-Linux可在Linux內(nèi)核源代碼的基礎(chǔ)上通過修改部分系統(tǒng)程序代碼來改善Linux的實時性，修改后的Linux(即RT-Linux)能快速響應(yīng)硬件中斷(中斷響應(yīng)時間小于15 μs)[3]，滿足了系統(tǒng)的實時性要求，為高速采集而不丟數(shù)據(jù)提供保證。同時提供了一套標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，以實現(xiàn)RT-Linux進(jìn)程與普通Linux進(jìn)程間的數(shù)據(jù)傳輸及共享。由于系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)文件有時高達(dá)幾十GB甚至上百GB的容量，用普通的文件系統(tǒng)在RT-Linux下已不能滿足容量要求，為此移植了XFS文件系統(tǒng)來管理采集的文件。XFS是Silicon Graphics公司開發(fā)的一種全新的高性能64位文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)既擴(kuò)展了分區(qū)及文件容量的限制(最大為9 000 TB)，又提高了文件存儲處理速度。

    2．2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。其中主要設(shè)計部件為中頻和視頻采集卡，他分為記錄電路和回放電路兩部分，數(shù)據(jù)記錄時，70 MHz中頻信號首先經(jīng)聲表面波濾波器濾除帶外信號，再經(jīng)固定增益和AGC電路將信號強(qiáng)度控制在A/D采樣的理想電平范圍內(nèi)，用高速ADC(40 MSPS)對70 MHz信號直接采樣后送人中頻采集卡的FPGA，經(jīng)數(shù)字下變頻將中頻帶通信號頻譜向下搬移至基帶，形成I，Q兩路正交的基帶信號，并CIC濾波器進(jìn)行抽樣率變換，得到多路合流的視頻數(shù)字群信號，通過LVDS高速接口送人視頻采集卡的FPGA，完成數(shù)據(jù)打包、緩沖和時序控制，當(dāng)數(shù)據(jù)填滿一個數(shù)據(jù)塊大小，視頻采集卡向系統(tǒng)發(fā)中斷，請求數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)應(yīng)答后，以DMA方式通過64位PCI總線發(fā)送到系統(tǒng)內(nèi)存，內(nèi)存中數(shù)據(jù)累積到一定數(shù)據(jù)量，通過PCI總線將數(shù)據(jù)塊寫入RAID卡并分發(fā)到磁盤陣列中。回放過程是記錄的逆過程，電路上的主要差別是視頻數(shù)字群信號要分別通過數(shù)字移相網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字群延遲網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)I，Q兩路正交信號并經(jīng)共同的DDS時鐘控制分頻的數(shù)字本振NCO進(jìn)行數(shù)字上變頻，完成基帶頻譜向上搬移，后經(jīng)高速DAC得到70 MHz中頻模擬信號完成回放過程。

　　2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件的主要作用就是與配套的硬件相互協(xié)調(diào)工作完成中頻檢前信號實時記錄和事后回放。他分成視頻采集卡驅(qū)動模塊、主控進(jìn)程、記錄/回放進(jìn)程和用

戶界面。其中視頻采集卡驅(qū)動模塊作為驅(qū)動程序以模塊的形式插入內(nèi)核空間運(yùn)行，由于用戶空間進(jìn)程不能直接訪問底層硬件設(shè)備，所以驅(qū)動模塊是上層應(yīng)用程序和設(shè)備物理層之間的橋梁，上層應(yīng)用程序不必關(guān)心硬件設(shè)備的具體信息，即可通過RT-Linux的指令FIFO完成對視頻采集卡的控制。驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)完成對視頻采集卡的設(shè)置、控制和狀態(tài)采集，以及定時讀取視頻采集卡內(nèi)的B碼值和鎖定標(biāo)志。上層應(yīng)用程序也可通過指令FIFO來設(shè)置視頻采集卡內(nèi)的B碼值。視頻數(shù)據(jù)采集卡模塊和上層應(yīng)用之間通過RT-Linux的共享內(nèi)存來共享系統(tǒng)的關(guān)鍵性狀態(tài)、控制數(shù)據(jù)，實現(xiàn)內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)程序的數(shù)據(jù)共享。主控進(jìn)程為用戶空間的普通Linux進(jìn)程，他負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的初始化、維護(hù)和指令傳輸?shù)热蝿?wù)。完成用戶空間程序到內(nèi)核空間程序間的指令傳遞。他多處于等待狀態(tài)，當(dāng)接收到來自用戶(X-Window窗口界面或文本調(diào)試界面)的指令(通過信號量實現(xiàn))時，經(jīng)過FIFO發(fā)給內(nèi)核進(jìn)程，實現(xiàn)指令的傳遞。同時當(dāng)他發(fā)送啟動采集/回放命令后，會負(fù)責(zé)創(chuàng)建獨(dú)立的讀/寫盤進(jìn)程，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的硬盤記錄和回放。主控進(jìn)程維護(hù)了一個初始的系統(tǒng)配置參數(shù)文件，系統(tǒng)停止運(yùn)行后，他會保存系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，在系統(tǒng)再次啟動時用于初始化系統(tǒng)參數(shù)，同時主控進(jìn)程在每次啟動時會對盤陣上的任務(wù)文件進(jìn)行修復(fù)，以保證因停電等意外故障導(dǎo)致的關(guān)機(jī)發(fā)生時，對沒有結(jié)束的任務(wù)文件進(jìn)行修復(fù)。記錄/回放進(jìn)程被主控進(jìn)程創(chuàng)建后，便不斷地在硬盤和采集緩存間(MBUFF)傳輸數(shù)據(jù)，記錄時只要采集緩存(MBUFF)有數(shù)據(jù)，他就將數(shù)據(jù)寫入硬盤陣列中。而回放時他首先將回放的數(shù)據(jù)填滿采集緩存(MBUFF)，然后當(dāng)數(shù)據(jù)被DMA傳送完成后，再次讀取硬盤陣列中數(shù)據(jù)，將空出的采集緩存(MBUFF)填滿。當(dāng)記錄/回放停止后，該進(jìn)程自動結(jié)束。用戶界面是基于X-window的用戶進(jìn)程。他以窗口的形式提供給用戶一可視的操控平臺，實時顯示系統(tǒng)狀態(tài)、任務(wù)內(nèi)容信息和盤陣空間使用狀態(tài)，接受用戶如下指令：B碼設(shè)置/顯示、開始記錄、盤陣上任務(wù)文件的回放、改名、轉(zhuǎn)儲、刪除及數(shù)據(jù)正確性校驗等管理性功能。當(dāng)用戶啟動開始采集記錄時，控制命令發(fā)給主控進(jìn)程，主控進(jìn)程建立一個寫盤進(jìn)程，同時將采集命令通過指令FIFO發(fā)給底層的視頻采集卡，使視頻采集設(shè)備開始采集數(shù)據(jù)。視頻采集設(shè)備會連續(xù)的采集輸入的中頻檢前信號流數(shù)據(jù)到的視頻采集卡內(nèi)的乒乓緩存內(nèi)，當(dāng)乒乓緩存緩存滿時，他會切換到另一片乒乓緩存繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，同時會產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)就緒中斷，觸發(fā)系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序啟動一次DMA傳輸將乒乓緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)依次傳輸?shù)讲杉彺?MBUFF)內(nèi)，并調(diào)整下一次存儲數(shù)據(jù)的采集緩存(MBUFF)指針，使采集數(shù)據(jù)在這里暫存且不被覆蓋。而寫盤進(jìn)程實時的檢測采集緩存(MBUFF)內(nèi)是否有新采集的數(shù)據(jù)，如果有會馬上寫入的硬盤陣列中，512 MB的采集緩存(MBUFF)，保證了采集數(shù)據(jù)未被覆蓋前既被寫入到盤陣。同樣的，當(dāng)回放時，預(yù)先將盤上的回放數(shù)據(jù)讀到緩存內(nèi)，再發(fā)送回放命令，這樣即使讀盤速度暫時降低，也可以保證緩存內(nèi)有足夠的回放數(shù)據(jù)被輸出到視頻采集卡，保證了回放的連續(xù)性。

　　3 結(jié) 語

　　為了檢驗系統(tǒng)性能和工作可靠性，研制樣機(jī)進(jìn)行了累計1 000 h的環(huán)境應(yīng)力試驗(包括測試時間)和100 h的加速壽命試驗，表現(xiàn)均穩(wěn)定可靠，記錄數(shù)據(jù)滿足各項指標(biāo)。同時還反復(fù)進(jìn)行了記錄過程磁盤陣列單盤掉電數(shù)據(jù)恢復(fù)測試，結(jié)果令人滿意，充分驗證了RAID技術(shù)用于數(shù)字記錄的優(yōu)越性。