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基于VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)計(jì)

2021-09-30 08:58:27何源潔田雨

何源潔 田雨

摘要:數(shù)據(jù)鏈終端是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的重要組成部分。VPX總線是一種能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境的全新的總線標(biāo)準(zhǔn)。在分析了數(shù)據(jù)鏈綜合發(fā)展需求的基礎(chǔ)上,提出了一種基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的多模數(shù)據(jù)鏈終端架構(gòu),并開(kāi)展了總線架構(gòu)、硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)、通用功能模塊架構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和分析,為多模式數(shù)據(jù)鏈終端的集成化、通用化、模塊化、低功耗提供了一種全新的解決思路。

關(guān)鍵詞:VPX;多模數(shù)據(jù)鏈終端;星形交換

中圖分類號(hào):TN919文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1008-1739(2021)16-56-4

0引言

數(shù)據(jù)鏈終端是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通信介質(zhì)的物理形態(tài)[1]。由于數(shù)據(jù)鏈種類繁多、通信體制各式各樣,單一體制的數(shù)據(jù)鏈終端已經(jīng)無(wú)法滿足數(shù)據(jù)鏈綜合發(fā)展的需求。本文提出了一種基于VPX架構(gòu)的多模數(shù)據(jù)鏈終端,將VPX總線標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)引入數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)了多種通信體制、多種通信協(xié)議,以及多個(gè)通信頻段的一體化、通用化設(shè)計(jì)。從分析VPX標(biāo)準(zhǔn)入手,提出了多模數(shù)據(jù)鏈終端的VPX總線架構(gòu),開(kāi)展了硬件及軟件架構(gòu)設(shè)計(jì),并詳細(xì)設(shè)計(jì)了機(jī)箱背板和通用功能模塊。

1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

由于涉及保密因素,在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中很難查到采用VPX架構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈終端的相關(guān)報(bào)道和具體技術(shù)指標(biāo)。為了解決國(guó)際貿(mào)易協(xié)會(huì)(VME)總線帶寬和功耗受限的問(wèn)題,美國(guó)VITA組織在2004年對(duì)VME總線進(jìn)行了修訂,并在2007年發(fā)布了全新的VPX標(biāo)準(zhǔn)。此后又在該標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)布了機(jī)械加固型的VPX標(biāo)準(zhǔn),即VITA48標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)很好地解決了結(jié)構(gòu)散熱問(wèn)題,能夠滿足惡劣環(huán)境下超帶寬信號(hào)處理的需求,也能滿足軍工系統(tǒng)的嚴(yán)酷需求。目前,美軍已經(jīng)在F-16戰(zhàn)機(jī)、預(yù)警機(jī)的雷達(dá)系統(tǒng)上采用了VPX標(biāo)準(zhǔn)。由此可見(jiàn),VPX標(biāo)準(zhǔn)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,對(duì)產(chǎn)品的通用化設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了優(yōu)越性。

國(guó)內(nèi)基于VPX總線架構(gòu)的雷達(dá)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域在近幾年有一些發(fā)展[2],但在數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用極為少見(jiàn),尤其是在數(shù)據(jù)鏈終端方面才剛剛起步,且大部分還處于測(cè)試和試驗(yàn)階段,還未形成成熟的產(chǎn)品。目前,國(guó)內(nèi)很多數(shù)據(jù)鏈終端都還是基于分體式獨(dú)立功能模塊方式在發(fā)展[3],采用標(biāo)準(zhǔn)VPX總線技術(shù)的多模數(shù)據(jù)鏈終端產(chǎn)品還未見(jiàn)有報(bào)道,嚴(yán)重制約了我國(guó)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

2 VPX標(biāo)準(zhǔn)

VPX標(biāo)準(zhǔn)是VITA組織于2007年公開(kāi)發(fā)布的新一代高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)[4],即ANSI/VITA46標(biāo)準(zhǔn)。2010年VITA組織發(fā)布了Open VPX標(biāo)準(zhǔn),隨后又發(fā)布了模塊機(jī)械加固型的VPX標(biāo)準(zhǔn),即VITA48標(biāo)準(zhǔn)。

ANSI/VITA46標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范繼承和延續(xù)VME總線的諸多優(yōu)點(diǎn),對(duì)VPX總線的基本規(guī)范、總線信號(hào)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面做出了全面的定義。VITA46標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了模塊結(jié)構(gòu)尺寸采用3U和6U兩種;連接器采用了Multigig RT連接器,并明確了連接器定位螺栓的位置、角度等;總線采用Serial RapidIO,PCI Express,10 Gbp/s以太網(wǎng)等高速串行總線,對(duì)系統(tǒng)的電源供電能力進(jìn)行了提升,能夠提供近千瓦的供電能力;規(guī)范了空氣散熱、金屬傳導(dǎo)散熱和液體散熱3種散熱方式[5]。

VITA48標(biāo)準(zhǔn)是一種VPX模塊機(jī)械加固型的協(xié)議族規(guī)范[6],對(duì)模塊的散熱和結(jié)構(gòu)加固等方面進(jìn)行了重新定義,以滿足航空、航天、軍事等領(lǐng)域惡劣嚴(yán)酷的使用環(huán)境[7],該標(biāo)準(zhǔn)也被稱為VPX REDI規(guī)范。

VPX總線標(biāo)準(zhǔn)擁有如下突出特點(diǎn):①具有超強(qiáng)的輸入輸出能力、強(qiáng)大的交換能力,同時(shí)其背板帶寬非常寬,能很好地滿足多種通信信號(hào)處理對(duì)帶寬和處理能力的需求。②VPX板卡(模塊)的尺寸以及背板的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等均采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),利于數(shù)據(jù)鏈終端的通用化、模塊化[4]。③VPX架構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈終端采用加固結(jié)構(gòu)規(guī)范,具有良好的散熱系統(tǒng),同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)超大的功率設(shè)計(jì),具有非常好的穩(wěn)定性和可靠性。這些突出的優(yōu)點(diǎn)都能滿足多模數(shù)據(jù)鏈終端的高可靠使用要求。

3多模數(shù)據(jù)鏈終端架構(gòu)設(shè)計(jì)

多模數(shù)據(jù)鏈終端不但要求能進(jìn)行視距通信,而且能實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信,還能利用不同的中繼平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多種手段的數(shù)據(jù)中繼通信。因此,要求多模數(shù)據(jù)鏈終端具有開(kāi)放性、擴(kuò)展性、高可靠的系統(tǒng)架構(gòu)。下面分別描述基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的多模數(shù)據(jù)鏈終端總線架構(gòu)、硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)、背板設(shè)計(jì)、通用功能模塊設(shè)計(jì)。

3.1總線架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足多模數(shù)據(jù)鏈終端多速率交換的需求,減少數(shù)據(jù)鏈終端的種類、體積、重量和功耗,提出采用一種基于OPEN VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端系統(tǒng)開(kāi)放式總線架構(gòu)。多模數(shù)據(jù)鏈終端總線采用星型互聯(lián)架構(gòu),分為高速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)、中速數(shù)據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)和低速健康狀態(tài)管理網(wǎng)絡(luò)。多模數(shù)據(jù)鏈終端與外部設(shè)備互連的總線包括:1553B總線、LVDS及以太網(wǎng)等總線。

采用基于中心交換的高速總線結(jié)構(gòu),總線架構(gòu)如圖1所示。多模數(shù)據(jù)鏈終端機(jī)箱內(nèi)部RapidIO高速總線以接口及交換模塊為中心,構(gòu)成星型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),RapidIO總線主要用于高速傳輸各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、采樣數(shù)據(jù)及軟件升級(jí)數(shù)據(jù)等,最高支持6.25 Gbps的數(shù)據(jù)交換。

控制管理總線采用CAN總線,用于傳輸機(jī)箱內(nèi)部的各種參數(shù)控制和功能模塊回報(bào)信息,CAN總線采用主從模式,主控節(jié)點(diǎn)工作在主模式,從節(jié)點(diǎn)工作在從模式,主控節(jié)點(diǎn)采用廣播和查詢方式與從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,控制管理總線架構(gòu)如圖2所示,內(nèi)部CAN總線不對(duì)外開(kāi)放,保證總線的可靠性,最大通信速率為1 Mbps。

I2C總線是內(nèi)部健康狀態(tài)管理總線,可對(duì)處理機(jī)內(nèi)部的每個(gè)模塊進(jìn)行各種工作狀態(tài)在線測(cè)試,I2C總線是獨(dú)立供電的總線,采用雙總線熱備份方式,保證狀態(tài)監(jiān)控和管理的可靠性,健康狀態(tài)管理總線架構(gòu)如圖3所示。I2C總線傳輸速率設(shè)計(jì)為400 kbps,用于對(duì)多模數(shù)據(jù)鏈終端內(nèi)部各個(gè)模塊的工作電壓、溫度、軟件加載運(yùn)行狀態(tài)及功能模塊運(yùn)行狀態(tài)等全面檢測(cè)。其中接口及交換模塊作為I2C的主控設(shè)備,其他模塊作為I2C從控設(shè)備對(duì)I2C總線進(jìn)行管理。

除上述主要總線外,為增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性,同時(shí)采用LVDS總線和千兆以太網(wǎng)作為高速交換的備份手段,用RS485作為控制和狀態(tài)管理總線的備份。

3.2硬件架構(gòu)及背板設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化、輕量化,多模數(shù)據(jù)鏈終端的硬件架構(gòu)采用VITA48.2標(biāo)準(zhǔn),將接口、數(shù)據(jù)交換、管理功能集成在一個(gè)硬件板卡中,電源轉(zhuǎn)換為單獨(dú)板卡。多模數(shù)據(jù)鏈終端的硬件架構(gòu)如圖4所示。硬件架構(gòu)以接口及交換管理為數(shù)據(jù)交換中心,其他模塊單元均是通用模塊單元,通過(guò)內(nèi)部總線與接口及交換管理模塊單元進(jìn)行連接,硬件接口上完全兼容,單獨(dú)的電源模塊為各個(gè)模塊提供電源。

多模數(shù)據(jù)鏈終端機(jī)箱背板架構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)的總線架構(gòu)采用高速互聯(lián)背板,以接口及交換管理模塊作為中心,各個(gè)模塊插卡位置等同,可以進(jìn)行互換。機(jī)箱背板架構(gòu)如圖5所示,接口及交換管理模塊位置采用標(biāo)準(zhǔn)的VPX接插件,通用模塊板卡的硬件定義完全一致,采用數(shù)?;煅b的VPX接插件。

3.3軟件架構(gòu)

多模數(shù)據(jù)鏈終端軟件架構(gòu)參考SCA的核心系統(tǒng)軟件架構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),系統(tǒng)軟件架構(gòu)分成硬件支撐層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用層3層。將應(yīng)用軟件與底層的物理硬件資源進(jìn)行隔離,中間通過(guò)硬件驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用接口管理軟件將應(yīng)用軟件與硬件資源進(jìn)行連接,多模數(shù)據(jù)鏈終端系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖6所示。

嵌入式操作系統(tǒng)采用開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)。在嵌入式操作系統(tǒng)上將底層硬件運(yùn)算和接口資源(如FFT、異步串口、QSPI接口、SRIO等)封裝成應(yīng)用函數(shù),提供給上層的應(yīng)用軟件進(jìn)行調(diào)用。上層應(yīng)用軟件通過(guò)基礎(chǔ)應(yīng)用函數(shù)的組合實(shí)現(xiàn)不同模式的數(shù)據(jù)鏈通信鏈路功能。

3.4通用功能模塊架構(gòu)

基于VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端包含數(shù)據(jù)處理模塊(DPM)、信號(hào)處理模塊(SPM)、射頻處理模塊(RFPM)3類3U尺寸的標(biāo)準(zhǔn)通用功能模塊。

DPM采用FPGA加ARM處理器的架構(gòu),內(nèi)部采用PCI-E總線將各種接口和存儲(chǔ)器連接,DPM架構(gòu)如圖7所示。DPM主要用于完成數(shù)據(jù)處理、內(nèi)外部數(shù)據(jù)交換、內(nèi)部各個(gè)通用模塊的數(shù)據(jù)交換、通用模塊的狀態(tài)及資源管理等。

SPM支持多種數(shù)字調(diào)制解調(diào)體制,如BPSK,QPSK,MSK,2CPFSK,OFDM等,支持多種信息傳輸速率,能夠?qū)崿F(xiàn)同一硬件設(shè)備完成不同信號(hào)處理功能。SPM根據(jù)不同通信模式的傳輸信號(hào)特點(diǎn)和信號(hào)處理的要求,通過(guò)動(dòng)態(tài)重載的方式使系統(tǒng)具備相應(yīng)的通信協(xié)議和功能。SPM采用FPGA,ZYNQ(ARM),DAC,ADC組合的架構(gòu),ZYNQ處理器作為核心的處理和管理芯片,F(xiàn)PGA作為協(xié)處理芯片,為模塊提供強(qiáng)大的并行計(jì)算能力;監(jiān)測(cè)ARM處理器作為模塊系統(tǒng)的第三方監(jiān)測(cè)芯片單獨(dú)供電,對(duì)模塊其他芯片的運(yùn)行狀態(tài)和整個(gè)模塊的功能狀態(tài)進(jìn)行采集,SPM架構(gòu)如圖8所示。

數(shù)據(jù)處理模塊均實(shí)現(xiàn)射頻和數(shù)字化集成,可在線配置參數(shù)的開(kāi)放式接口,具有動(dòng)態(tài)配置FPGA和DSP運(yùn)行參數(shù)的功能。在有限的空間內(nèi),依靠目前的FPGA和高速DSP器件,采用并行處理結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)所需的高運(yùn)算能力。

RFPM具有通用可配置接口,具備寬帶變頻功能,采用DSP作為核心處理器。RFPM具有高速SRIO接口,既可完成中頻信號(hào)的采樣輸出,又可以實(shí)現(xiàn)模擬中頻信號(hào)的輸出,RFPM架構(gòu)如圖9所示。

4結(jié)束語(yǔ)

OPEN VPX標(biāo)準(zhǔn)能夠工作在惡劣的環(huán)境條件下,給種類繁多的數(shù)據(jù)處理提供各種接口,具有開(kāi)放式的架構(gòu),并提供可靠的操作,非常適合多模數(shù)據(jù)鏈終端的應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)對(duì)基于VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端架構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析可知,采用VPX架構(gòu)能實(shí)現(xiàn)多模通信模式數(shù)據(jù)鏈終端的硬件通用化、功能軟件化。多模數(shù)據(jù)鏈終端采用VPX標(biāo)準(zhǔn)不僅提升了系統(tǒng)的性能和可靠性,具有很強(qiáng)的時(shí)效性,而且也易于擴(kuò)展升級(jí),具備了前瞻性,為數(shù)據(jù)鏈終端的綜合化、通用化、模塊化、低功耗提供了一種新的解決思路。

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