趙星漢，于 洋

(中國電子科技集團公司第27 研究所，鄭州 450047)

0 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭向陸、海、空、天、電多維化發(fā)展，信息系統(tǒng)的攻防變得至關重要。信息系統(tǒng)的高效、安全已經(jīng)成為了決定現(xiàn)代戰(zhàn)爭成敗的關鍵因素。對于我國國防建設來說，傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)硬軟件絕大多數(shù)依賴進口，其設計和生產(chǎn)是我國不可控的，這就為國防建設造成了巨大的安全隱患。

近些年，隨著國家的不斷重視，關乎國防安全的自主可控信息化技術發(fā)展，逐漸成為了國防建設的重中之重。胡錦濤總書記明確指示:“要大力推進自主可控信息系統(tǒng)建設與應用，擺脫核心信息技術受制于人的局面”的重要指示。在政府的大力引導下，我國的自主可控計算機領域得到快速的發(fā)展，自主研發(fā)生產(chǎn)的計算機已經(jīng)在國防、航天等領域得到廣泛的應用。

本信號采集處理系統(tǒng)是我國某重點課題監(jiān)控分系統(tǒng)的重要組成部分，在設計上具有一定的針對性。同時，由于信號采集處理技術引用的廣泛性與本設計的通用性，本項設計在其他自主可控計算平臺研究與信號處理領域的研究設計上也有一定的參考借鑒意義。

1 系統(tǒng)原理與構(gòu)成

該系統(tǒng)是某大系統(tǒng)中監(jiān)控分系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)總體對系統(tǒng)功能、性能、功耗、體積、硬軟件國產(chǎn)化率等關鍵指標均作了明確的要求。經(jīng)課題組分解，本系統(tǒng)關鍵設計輸入如下。

(1)完成對大系統(tǒng)中某單路0 dB 高頻信號的采集、處理與顯示，采集速率:2 GHz，采集精度:8 bit;

(2)通過外部接口完成對外圍設備的遠程控制;

(3)可實現(xiàn)對采集信號的存儲，內(nèi)部存儲空間不小于2G;

(4)顯示方式:10 寸液晶顯示，分辨率1024*768;

(5)輸入方式:定制鍵盤;

(6)系統(tǒng)軟件全自主化，元器件國產(chǎn)化率80%以上。

經(jīng)研究，確定本系統(tǒng)硬軟件構(gòu)成模塊如圖1所示。

圖1 信號采集處理系統(tǒng)硬軟件構(gòu)成示意圖

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩方面組成。其中硬件組成包含負責單路信號采集的采集模塊、負責將采集處理后的數(shù)據(jù)顯示的顯示模塊、負責用戶輸入的鍵盤模塊，以及作為承載平臺的主板模塊作為主要硬件構(gòu)成，四部分統(tǒng)一安裝于鋁合金系統(tǒng)箱體內(nèi);軟件構(gòu)成主要包含操作系統(tǒng)及包含各項硬件驅(qū)動工作的BSP(板級軟件支持包)，以及顯示與控制信號采集與處理的監(jiān)控軟件。

系統(tǒng)的工作流程，如圖2 所示。

本系統(tǒng)信號輸入為0 dB 高頻信號輸入，通過位于采集模塊上的SMA 插口采集成為數(shù)字信號，經(jīng)過處理后通過PCI 總線與主板模塊發(fā)生交互，經(jīng)過主板模塊上的中央處理器處理后轉(zhuǎn)換成用戶可用的圖形傳輸至顯示模塊上進行顯示。用戶可通過鍵盤模塊上的按鍵設置命令與切換顯示形式對整個系統(tǒng)進行控制，完成操作過程。

圖2 系統(tǒng)工作流程示意圖

3 自主可控計算平臺設計

中科龍芯公司研制的龍芯系列處理器，已經(jīng)在技術及穩(wěn)定性方面逐漸成熟，目前龍芯系列處理器從開始的龍芯1 代處理器，發(fā)展到現(xiàn)在的龍芯3 代處理器，產(chǎn)品系列也逐漸豐富。在軟件方面，龍芯公司作了較多的研究工作，采用MIPS CPU 最常用的BIOS-PMON2000，并在其基礎上進行了一些完善工作，支持BIOS 啟動配置、內(nèi)核加載、程序調(diào)試、內(nèi)存寄存器顯示、設置及內(nèi)存反匯編等。支持Linux 及VxWorks 操作系統(tǒng)?？梢哉f，龍芯處理器的軟件支持已經(jīng)比較豐富和成熟。

考慮到項目總體要求中對功耗和體積均有一定的要求，因此自主可控計算平臺中主CPU 選用中科龍芯公司的龍芯3A 處理器。龍芯3A 是我國具有完全自主知識產(chǎn)權的四核CPU，采用65 ns 工藝，RISC 架構(gòu)，兼容MIPS 指令，工作頻率900 MHz ～1100 MHz，集成兩個擴展內(nèi)存控制器，單顆最大功耗15 W，滿足系統(tǒng)的總體需求。

由于系統(tǒng)運行的需要，利用集成于CPU 上的內(nèi)存控制器擴展出512M 的SDRAM 作為系統(tǒng)的擴展內(nèi)存。Local Bus 總線提供了一個簡單的低速總線接口，用于連接系統(tǒng)ROM 和低速I/O 設備。為實現(xiàn)裸機的系統(tǒng)引導，故利用CPLD 外接一塊FLASHROM作為BootRom 實現(xiàn)最初的系統(tǒng)引導程序存儲。

考慮到項目中需要一定的圖形處理，以及外接真彩LCD 顯示屏的需要，故選取集成2D 圖形控制器的芯片作為顯示主芯片，搭配64M DDR 作為顯存。顯示芯片通過LVDS 電平轉(zhuǎn)換以LVDS 形式連接至機箱上的10 寸LCD 真彩顯示屏，最大分辨率1024* 768。

程序存儲功能通過外接2 Gb 容量電子盤實現(xiàn)，電子盤以IDE 總線連接至南橋芯片上。南橋芯片還能提供4 個USB2.0 控制器以供系統(tǒng)USB 擴展所需，其余、串口、并口、PS2 接口等統(tǒng)一通過SuperIO控制器連接至南橋芯片上。

南橋芯片，顯示芯片，以太網(wǎng)控制器及信號采集所需要的采集板，均以PCI 總線節(jié)點的形式掛接在系統(tǒng)PCI 總線上實現(xiàn)系統(tǒng)整體的交互。PCI 總線因其與存儲器之間的交互基本上通過DMA 模式，有一個突出的優(yōu)點就是CPU 資源占用率低，因此它作為一種將周邊設備與處理器高速結(jié)合起來的總線結(jié)構(gòu)，得到了廣泛的應用。PCI 總線電器驅(qū)動能力有限，每組PCI 總線上只能有效連接較少數(shù)量的PCI設備。為了提高PCI 總線驅(qū)動能力和擴展能力，獲得較好的電器連接性能，PCI 總線結(jié)構(gòu)的主板在擴展PCI 設備插槽的時候都會選擇合適的橋接芯片以獲得更好的連接性能。龍芯2F 處理器集成的PCI /PCI-X 總線控制器可以工作在主控制器模式或設備模式，總線仲裁最多支持7 個主設備。在該主板設計中，選擇TI 公司的PCI2050B 芯片作為PCI 設備擴展橋，該芯片次級總線最多可驅(qū)動9 個PCI 設備，支持的PCI 總線位寬為32 bit，最高時鐘頻率為66 MHz，工作核心電壓為3.3 V，兼容3.3 V和5 V PCI 信號電平環(huán)境。該主板系統(tǒng)中，CPU 作為仲裁器，PCI2050B 作為總線上的主設備之一。PCI2050B 次級總線上的擴展設備具有獨自的PCI總線請求信號和允許信號，因此該擴展設備都可用作主設備與CPU 通信。

主板的網(wǎng)絡控制器選用帶PCI 總線接口的Intel 82546GB 雙網(wǎng)口千兆網(wǎng)絡控制芯片設計。芯片內(nèi)部集成MAC(media access control)和PHY(physical layer)層功能，單芯片內(nèi)集成兩個全功能獨立千兆網(wǎng)絡接口，集成度高，為器件密集的主板設計節(jié)省了空間，并有利于布局布線，減少復雜線路帶來的干擾，這兩個接口可以通過芯片的引腳FL_DATA0 和FL_DATA1 來禁止和打開，該控制引腳可以連接至CPU的GPIO 或者南橋的GPIO 管腳，通過BIOS 控制這兩個接口的通斷。

該芯片通過PCI 總線與龍芯3A 連接，PHY 接口模擬信號通過網(wǎng)口變壓器H5007 進行防護與隔離后連接到CPCI 背板，能夠有效防護雷擊、靜電放電等現(xiàn)象引起的瞬時高壓對網(wǎng)絡控制器芯片的毀壞。

系統(tǒng)連接示意圖如圖3 所示。

圖3 自主可控計算平臺連接示意圖

4 信號采集模塊設計

本系統(tǒng)涉及的信號采集速率高達2 GHz，國產(chǎn)ADC 和高速信號處理芯片在技術上還不成熟，故采集系統(tǒng)的部分元器件只能采用國外成熟產(chǎn)品。但由于西方國家對話禁運等原因，2 GHz 采集速率的ADC 較難購買，價格也難以承受。因此，本系統(tǒng)擬采用并行時間交替采樣，依靠兩路1 GHz 的ADC 達到2 GHz 的采樣速率。

所謂并行時間交替采樣，就是在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中并行設置多路ADC，使用頻率相同，相位不同的采樣時鐘來控制多片ADC 交替、分時工作，然后對采樣所得的高速數(shù)據(jù)流按照一定的順序進行合并，這樣就提高了采樣速度。并行時間交替采樣技術是唯一的一種對模擬輸入信號沒有限制的實時采樣技術，可以突破當前的ADC 和相關器件頻率的限制，實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用這種方案，采樣速率可以大幅度提高，理論上可以達到器件采樣速率的總和。雙通道并行時間交替采樣過程如圖4所示。

圖4 并行時間交替采樣原理圖

系統(tǒng)設計方面，擬采用“高速ADC+高密度FPGA+高速接口”結(jié)構(gòu)形式，在這種結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)PGA 作為系統(tǒng)的控制核心，控制ADC 的采樣工作方式并實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)流的分流緩存、有效信號檢測和數(shù)據(jù)的傳輸。ADC 的采樣數(shù)據(jù)通過FPGA 分流后，速率已降至后續(xù)處理單元可以接受的范圍中，可通過高速數(shù)據(jù)傳輸接口PCI 總線傳遞給上位機PC 進行處理。此種結(jié)構(gòu)PCB 面積和功耗相對較低，但所有的數(shù)據(jù)接收，緩存處理及與上位機的通信都要靠單片F(xiàn)PGA 完成，這將加大對FPGA 的壓力。

信號采集模塊的硬件構(gòu)成如圖5 所示。

圖5 信號采集處理系統(tǒng)

ADC 芯片采用Atmel 公司生產(chǎn)的AT84AD001B，它是雙通道ADC 芯片，最高采樣率1 Gsps，分辨率8位。為了滿足系統(tǒng)采樣率的要求，需要兩路ADC 以并行時間交替采樣的方式工作于1 GHz，這樣就要求系統(tǒng)有1 GHz 的高速采樣時鐘。高速系統(tǒng)對時鐘的要求很高，時鐘的抖動和相位偏差會帶來數(shù)據(jù)上的錯位，因此應選擇溫度穩(wěn)定性和諧波抑制比較高的器件。這里選擇MICREL 公司生產(chǎn)的高速差分時鐘合成芯片SY89421，SY89421 是一個低抖動、高穩(wěn)定時鐘芯片，片內(nèi)VCO 最大輸出頻率1.12 GHz。

5 Reworks 操作系統(tǒng)的特點

ReWorks 是中國電子科技集團公司第三十二研究所自主研制的、第一個提供VxWorks 兼容接口的嵌入式實時操作系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蠛臀?nèi)核技術開發(fā)，具有強實時性、可裁剪性和可伸縮性，并特別提供了VxWorks 兼容層，具體特點如下。

(1)微內(nèi)核、可裁剪、可擴充性。ReWorks 的設計中不采用完全的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，而是采用一組環(huán)繞基核的類似于微內(nèi)核的獨立功能模塊來建立可伸縮的操作系統(tǒng)。內(nèi)核提供任務調(diào)度、對象管理等功能，而時鐘、區(qū)域、分區(qū)、信號、事件、信號量、消息等作為可裁剪的、環(huán)繞內(nèi)核的獨立功能模塊，可根據(jù)實時應用的需要進行裁剪。在Reworks 下，最小配置可小于100 K。

(2)強實時性和多任務。ReWorks 支持微秒級高精度時鐘，最快響應時間可達15 ms，為正在等待消息、信號、事件或段的任務進入超時管理，為輪轉(zhuǎn)調(diào)度提供時間片，在指定時間間隔以后或指定時間喚醒任務或發(fā)送一個時間報警給任務;提供高效的實時任務管理，支持多任務，任務數(shù)沒有限制，上下文切換快速確定，有256 個任務優(yōu)先級;任務的調(diào)度算法靈活，除了支持搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度兩種常用的調(diào)度算法，還提供速率單調(diào)算法(RMA)保證任務調(diào)度性可預測。對任務間通信實現(xiàn)四種通信機制(消息隊列、事件、信號量和異步信號)，滿足了任務間通信、同步和互斥的需要。

(3)支持多種網(wǎng)絡協(xié)議。ReWorks 支持包括TCP、UDP、IP、ICMP 和ARP 等多種網(wǎng)絡協(xié)議，可通過工業(yè)標準socket 編程接口進行訪問;提供基于TCP/IP 的Internet 標準實現(xiàn)網(wǎng)絡管理的管理信息庫，并能和交叉開發(fā)工具一起，建立單機或多機目標系統(tǒng)的網(wǎng)絡下載和調(diào)試工具;支持多種常見的Internet 應用協(xié)議如FTP、TFTP、Telnet 等。

(4)設備管理。I/O 設備通過設備驅(qū)動程序表進行管理，對設備的操作可抽象為初始化、打開、關閉、讀、寫、控制，當應用程序進行I/O 操作時，系統(tǒng)根據(jù)設備驅(qū)動程序表決定調(diào)用哪一個設備驅(qū)動程序進入點。

(5)中斷管理。允許應用將中斷服務例程(ISR)，連接到硬件中斷向量，通過提供允許從ISR退出時任務被搶占來改變?nèi)蝿請?zhí)行的臨界能力，許可快速中斷響應時間，支持256 中斷優(yōu)先級。

(6)支持用戶擴展。為了不修改內(nèi)核而能夠向系統(tǒng)增加額外的任務相關的功能，ReWorks 提供了任務創(chuàng)建、切換和刪除的鉤子函數(shù)。允許在任務被創(chuàng)建、上下文切換和任務被刪除的時候額外的例程可被調(diào)用執(zhí)行。在關鍵的系統(tǒng)事件里提供的擴展例程中，用戶能夠針對自己的實際情況，設計適應系統(tǒng)需要的前置處理，增強系統(tǒng)的功能。為滿足開放性要求，ReWorks 提供符合POSIX 1003。1b 實時擴展標準規(guī)范的基本系統(tǒng)調(diào)用。包括:進程原語，消息隊列，信號，內(nèi)存管理(頁面鎖定)，調(diào)度控制，文件目錄，I/O 原語，語言服務，以及目錄管理等。

6 系統(tǒng)軟件在Reworks 上的應用

根據(jù)設備總體功能、運行環(huán)境、系統(tǒng)信息交互等需求，系統(tǒng)軟件包括BSP 及外設驅(qū)動，ReWorks 實時操作系統(tǒng)支撐環(huán)境層軟件組成，各層軟件按照構(gòu)件化模式進行設計，實現(xiàn)軟件的按需組裝和快速、靈活配置。系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件的體系構(gòu)架示意圖

ReWorks 嵌入式實時操作系統(tǒng)為整個軟件系統(tǒng)提供包括內(nèi)核、設備驅(qū)動、通信協(xié)議、圖形引擎等，是應用軟件運行環(huán)境的重要組成部分，為上層應用軟件提供對底層物理硬件的抽象和封裝，組織和管理軟硬件資源，控制程序執(zhí)行流程，提供系統(tǒng)調(diào)用接口、驅(qū)動程序等，為方便與其他軟件(如嵌入式數(shù)據(jù)庫、集成部署框架)集成，ReWorks 嵌入式實時操作系統(tǒng)還為上層軟件提供標準的硬件訪問接口和其他的基本操作系統(tǒng)服務。

作為實時操作系統(tǒng)，Reworks 編程的核心在于任務的制定與流程調(diào)度。系統(tǒng)程序?qū)壿嫼蜁r序要求比較嚴格，不僅任務響應須實時，而且須在規(guī)定的時間內(nèi)完成事件的處理。Reworks 提供了任務的創(chuàng)建、關閉、掛起、恢復以及獲取任務信息等操作接口。不同的任務依靠任務制定時的TCB 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體確定優(yōu)先級，優(yōu)先級為一個無符號的字符數(shù)(0 ～255)，0 最高，255 最低。

本系統(tǒng)監(jiān)控程序任務相對單一，任務耦合度不高，因此系統(tǒng)任務調(diào)度采用基于優(yōu)先級的調(diào)度，關閉輪轉(zhuǎn)調(diào)度。部分任務優(yōu)先級安排見表1。

表1 任務的優(yōu)先級安排表

在監(jiān)控軟件編寫和調(diào)試過程中，為便于程序功能與環(huán)境的擴展，軟件設計時控制參數(shù)不能提前確定，確定后也須根據(jù)實際情況修正。Reworks 系統(tǒng)采用文件實時存儲、讀取的方式，保證控制參數(shù)的有效性。當系統(tǒng)上電時，采用最新的配置文件初始化。如模擬采集數(shù)據(jù)的非線性化校正，采用配置文件中的區(qū)間分割曲線作二次映射后，即可實現(xiàn)對配置的合理調(diào)控。

ReWorks 具有與DOS 兼容的文件建立與讀寫功能，可實現(xiàn)類似DOS 下的文件讀寫操作?？刂栖浖仍诎遢d的電子盤內(nèi)建立dosFs 文件系統(tǒng)，即可通過I/O 讀寫函數(shù)讀寫文件。數(shù)據(jù)的存儲按照事先定義的結(jié)構(gòu)類型進行，讀出時取出字節(jié)到相應的結(jié)構(gòu)類型中即可。

7 實際測試運行結(jié)果

系統(tǒng)在研制完成后進行了，對系統(tǒng)性能、可靠性進行了全面的測量，監(jiān)控界面如圖7 所示。經(jīng)檢驗，本系統(tǒng)能較好的完成單路2 GHz 頻率8 bit 精度的采集任務，并能將信號在軟件上顯示和依據(jù)程序設置算法進行處理，除數(shù)據(jù)處理過程外，常用操作基本沒有明顯的延遲。系統(tǒng)常溫烤機工作72 小時，無明顯過溫現(xiàn)象，無發(fā)生任何死機崩潰故障，基本滿足可靠性需求。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控軟件工作界面

按照系統(tǒng)最終成型后國產(chǎn)化率統(tǒng)計，雖然采集模塊某些部件采用了國外進口器件，但本系統(tǒng)總的元器件國產(chǎn)化率達到了91%，軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了純國產(chǎn)，滿足系統(tǒng)總體關于國產(chǎn)化的要求。

8 總 結(jié)

本系統(tǒng)采用自主可控的龍芯計算平臺、國產(chǎn)Reworks 操作系統(tǒng)與部分自研的軟硬件，實現(xiàn)了2 GHz 采樣率，8 bits 精度要求的信號采集處理系統(tǒng)。系統(tǒng)軟硬件國產(chǎn)化率高，工作穩(wěn)定可靠，可滿足大部分監(jiān)控系統(tǒng)設計的需要。

但本系統(tǒng)還無法做到完全自主化，高速信號采集部分還有某些關鍵元器件要依賴進口，但按照如今國產(chǎn)元器件發(fā)展速度來看，本系統(tǒng)做到完全自主化應該為時不遠。

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