基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和SCSI硬盤控制器實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星快視設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遙感衛(wèi)星在進(jìn)行地面信源測試時，需要對測試信源進(jìn)行高速持續(xù)大容量記錄，以達(dá)到測試衛(wèi)星信源的目的。在一些諸如雷達(dá)信號處理、圖像通信、高速A/D數(shù)據(jù)采集等通信和測量領(lǐng)域，也往往需要實(shí)時記錄高速數(shù)據(jù)，以進(jìn)行分析和處理。衛(wèi)星快視設(shè)備就是針對衛(wèi)星測試的要求，對高速像源數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時大容量記錄存儲，通過在線和離線數(shù)據(jù)分析，達(dá)到測試衛(wèi)星性能的目的。如何可靠穩(wěn)定地將高速數(shù)據(jù)實(shí)時存儲下來并送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線或離線分析處理，是衛(wèi)星快視設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵。本方案通過設(shè)計(jì)SCSI硬盤控制器，將對硬盤的存儲與管理從計(jì)算機(jī)中獨(dú)立出來，實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)控制的快視設(shè)備，達(dá)到系統(tǒng)性能與界面友好地統(tǒng)一。試驗(yàn)結(jié)果表明，本快視設(shè)備可以對總流速高達(dá)260MBps的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲，持續(xù)記錄時間超過900秒（記錄數(shù)據(jù)總量約180GB）。通過計(jì)算機(jī)對正在記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度顯示，可以實(shí)時監(jiān)控被測信源的運(yùn)行狀態(tài)。也可以通過計(jì)算機(jī)在線測試離線狀態(tài)，對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，以測試分析數(shù)據(jù)源性能。

1、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高速數(shù)據(jù)實(shí)時存儲功能的實(shí)現(xiàn)，是本設(shè)備研制的核心。由于記錄數(shù)據(jù)最終要送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理，同時考慮設(shè)備實(shí)現(xiàn)成本的要求，采用基于計(jì)算機(jī)控制的存儲體系結(jié)構(gòu)是比較理想的選擇。基于計(jì)算機(jī)插卡結(jié)構(gòu)的多通道高速數(shù)據(jù)采集和存儲設(shè)備在已有的文獻(xiàn)中有大量介紹，這些方案的數(shù)據(jù)采集和記錄大都采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)原理。在這種處理模式下，外部輸入的高速數(shù)據(jù)流經(jīng)過接口采集和數(shù)據(jù)緩沖處理后，數(shù)據(jù)通過PCI總線被傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，再由計(jì)算機(jī)CPU控制硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。

通過分析該處理模式下數(shù)據(jù)的處理流向，可以找出該模式下的數(shù)據(jù)處理速率瓶頸所在。其一般處理流程是：數(shù)據(jù)采集卡通過中斷向計(jì)算機(jī)申請中斷，由CPU響應(yīng)中斷后，將計(jì)算機(jī)插卡上的緩沖數(shù)據(jù)接收到計(jì)算機(jī)（實(shí)質(zhì)是送往計(jì)算機(jī)內(nèi)存）；然后，在CPU的干預(yù)下，將需要存盤的數(shù)據(jù)送往硬盤存儲，將需要顯示的數(shù)據(jù)送往顯存進(jìn)行顯示。需要特別指出的是，所有這些操作，都由CPU在特定的操作系統(tǒng)（如Windows/UNIX）下運(yùn)行。由于操作系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理的同時需要進(jìn)行整個計(jì)算機(jī)運(yùn)行的管理，使得在這種處理模式下，存儲數(shù)據(jù)流的速率不可能很高。因此該處理模式多見于速率在30Mbps以下的數(shù)據(jù)流進(jìn)行的存儲和處理，難以滿足對更高速率的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理的要求。

同時，上述處理模式的可擴(kuò)展性也比較差。對于33M/32bit的PCI總線，其最大傳輸速率是132Mbps，而且由于計(jì)算機(jī)控制硬盤存儲能力的限制，即使選用高性能的計(jì)算機(jī)或者加大板上數(shù)據(jù)緩沖深度，都不能從根本上解決速率瓶頸的問題。

而使用計(jì)算機(jī)插板直接控制磁盤陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的工作模式，則可以從根本上解決前述數(shù)據(jù)存儲速率的瓶頸問題。這種處理模式的數(shù)據(jù)流向及工作原理如圖2所示。外部輸入的高速數(shù)據(jù)流在數(shù)據(jù)采集處理板上被分成兩個分支流向，其中一路數(shù)據(jù)直接通過硬盤控制器存入磁盤陣列，而另一路數(shù)據(jù)則經(jīng)過抽取后通過PCI總線送入計(jì)算機(jī)。這里的硬盤控制器是一個專用的CPU，它實(shí)時地控制硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存取操作。計(jì)算機(jī)可對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行灰度顯示，以監(jiān)控采集數(shù)據(jù)流的運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以進(jìn)行高倍數(shù)據(jù)抽取，只要滿足高于25幀/秒這一要求，就可以達(dá)到很好的實(shí)時監(jiān)控效果。這種處理模式的系統(tǒng)可擴(kuò)展性相對較強(qiáng)。因?yàn)樵撃Ｊ降拇姹P操作不是由計(jì)算機(jī)CPU直接控制，而是使用專用硬盤控制器插卡控制硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。通過擴(kuò)展硬盤控制器及其附帶的硬盤數(shù)量，就可以達(dá)到提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄吞吐速率的目的。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件主要包括：一臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、LVDS信號轉(zhuǎn)接板，四塊插入到工控機(jī)箱內(nèi)的高速數(shù)據(jù)接收處理板和由八個SCSI硬盤組成的硬盤陣列。每塊高速數(shù)據(jù)接收處理板連接兩個SCSI磁盤，控制一個通道的數(shù)據(jù)存儲。

LVDS信號轉(zhuǎn)接板主要完成輸入信號的物理連接、電平轉(zhuǎn)換和與數(shù)據(jù)處理板的時序邏輯適配等工作。LVDS信號轉(zhuǎn)接板輸出的信號通過存儲設(shè)備內(nèi)部的高速通信電纜送到高速數(shù)據(jù)接收處理板中完成數(shù)據(jù)實(shí)時接收與緩沖，同時將輸入的數(shù)據(jù)流分成兩路，一路數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理板上的SCSI硬盤控制器實(shí)時存入硬盤陣列中，另一路數(shù)據(jù)則經(jīng)抽取后通過PCI總線實(shí)時送到工控機(jī)中進(jìn)行實(shí)時圖像顯示。這里使用Qlogic公司的FAS566SCSI硬盤控制器來完成SCSI硬盤陣列的數(shù)據(jù)存取操作控制。FAS566可以支持最高160Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度，并可以控制SCSI硬盤陣列以RAID0方式存取數(shù)據(jù)。高速數(shù)據(jù)接收處理板還包括微處理器、數(shù)據(jù)緩存器、PCI橋接器等硬件模塊和相應(yīng)的軟件控制模塊，其組成原理如圖3所示。

與傳統(tǒng)的IDE硬盤相比，SCSI硬盤在傳輸控制和存取速度上有很多優(yōu)勢。以10 000轉(zhuǎn)/秒的硬盤為例，SCSI硬盤可以達(dá)到約35Mbps的持續(xù)存儲速度，而IDE硬盤僅能達(dá)到約15Mbps。SCSI硬盤的傳輸速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于IDE硬盤的傳輸速度，目前Ultra320 SCSI總線數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)320Mbps。本方案中選擇了總線傳輸速率為160Mbps的Ultra160 SCSI控制器。采用SCSI總線和SCSI硬盤不僅數(shù)據(jù)傳輸速率高，而且在需要時可以通過簡單地增加系統(tǒng)中的硬盤數(shù)量來擴(kuò)展存儲空間，一個SCSI硬盤控制器可以最多外掛和控制15個SCSI硬盤。

2.2 系統(tǒng)軟件組成

本系統(tǒng)的軟件主要由驅(qū)動程序、板載處理器實(shí)時控制模塊、SCSI硬盤陣列數(shù)據(jù)存儲管理模塊和上層用戶應(yīng)用程序等部分組成，系統(tǒng)軟件組成框圖如圖4所示。使用Windows 2000作為系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)。

實(shí)時數(shù)據(jù)接收與預(yù)處理模塊運(yùn)行在數(shù)據(jù)處理板上，實(shí)時接收由LVDS信號轉(zhuǎn)接板輸出的待測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲單元控制SCSI硬盤陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，主要包括SCSI硬盤陣列上數(shù)據(jù)文件的管理（建立、刪除、修改、檢索及維護(hù)等）和在圖像回放時圖像數(shù)據(jù)的讀取和傳輸?shù)炔僮鳌?/p>

實(shí)時送往計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，主要用于監(jiān)控測試信源的運(yùn)行狀態(tài)，因而可以對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行高倍抽取，以降低實(shí)時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率。抽取后數(shù)據(jù)通過PCI總線傳送到工控計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像顯示。

3、系統(tǒng)性能測試

首先對系統(tǒng)單通道數(shù)據(jù)記錄能力進(jìn)行測試。測試使用的硬盤型號為ST318404LW，記錄數(shù)據(jù)采用無文件格式，每次寫緩沖數(shù)據(jù)為2MB。測試結(jié)果表明，硬盤的最高記錄速度是變化的，即SCSI硬盤的存儲速度隨著記錄數(shù)據(jù)的不斷增加而下降。硬盤記錄速度隨記錄時間的變化如表1所示。

通過基于計(jì)算機(jī)的SCSI硬盤控制器控制磁盤陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，實(shí)現(xiàn)了對260Mbps的高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行持續(xù)記錄的設(shè)計(jì)，持續(xù)記錄時間超過900秒。計(jì)算機(jī)可以實(shí)時地完成被測數(shù)據(jù)流的灰度顯示，達(dá)到了對記錄數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控的目的。該設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用于衛(wèi)星的信源測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可廣泛應(yīng)用于需要對高速信號進(jìn)行持續(xù)記錄的領(lǐng)域。

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