基于cPCI總線的嵌入式遙測(cè)前端處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于cPCI總線的嵌入式遙測(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(lèi)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)，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(pán)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(kāi)發(fā)難度大、系統(tǒng)研制周期。

　　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(jiàn)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(lèi)飛機(jī)機(jī)載、地面活動(dòng)車(chē)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(pán))；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(kāi)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(chēng)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(chēng)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?a target="_blank">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。

　　按照數(shù)據(jù)采集方案的格式要求，預(yù)先由處理器進(jìn)行初始化設(shè)置，包括幀同步碼組、同步碼組的長(zhǎng)度和允許同步碼組的錯(cuò)誤位數(shù)。隨著時(shí)間的推移，PCM數(shù)據(jù)在CLDCK信號(hào)的控制下，逐位進(jìn)入移位寄存器，移位寄存器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)入比較器，隨時(shí)與幀同步碼組進(jìn)行比較，在同步碼組長(zhǎng)度邏輯的控制下，一旦檢測(cè)到可能的同步碼組，則比較器輸出同步信號(hào)，該同步信號(hào)還必須由判決器來(lái)進(jìn)行判決才能決定其是否有效。其方法是：預(yù)先設(shè)置允許的錯(cuò)誤容限也就是允許的錯(cuò)誤位數(shù)，然后根據(jù)比較器的輸出信號(hào)是否滿足錯(cuò)誤容限的要求來(lái)決定真正的同步信號(hào)的輸出。幀同步信號(hào)的產(chǎn)生為整個(gè)PCM分路器板提供了最基本、最重要的時(shí)序依據(jù)。

　　幀同步策略是PCM分路的關(guān)鍵技術(shù)之一，其意義在于最大限度地解決數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中造成的“漏同步”和“假同步”現(xiàn)象，以降低誤碼率，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)檢測(cè)的可靠性和有效性。一種基本的且經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)行之有效的幀同步策略是：在幀同步檢測(cè)完成后，按照PCM格式定義的PCM字長(zhǎng)和幀長(zhǎng)，連續(xù)找到幾個(gè)(一般為3個(gè))相匹配的同步碼組后，即認(rèn)為幀確為同步。

　　幀同步策略的邏輯實(shí)現(xiàn)如圖4所示。由圖4可以看出，幀同步的正確性可以依據(jù)以下條件：

　　(1)同步碼組的正確性。

　　(2)幀長(zhǎng)的正確性(通過(guò)幀長(zhǎng)計(jì)數(shù)器與幀長(zhǎng)預(yù)置值的比較實(shí)現(xiàn))。

　　(3)同步、檢測(cè)和失步的判別。不同的設(shè)計(jì)者可采用不同的方法，目的是消除假同步和漏同步的影響?？梢圆扇∫韵路椒ǎ喝舯容^器連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)相等值時(shí)同步，當(dāng)有一個(gè)不等值時(shí)，進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)；而當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)3個(gè)不等值或檢測(cè)一定時(shí)間后不能同步時(shí)，則進(jìn)入失步狀態(tài)。

　　以上解決了幀同步的問(wèn)題，也就是找到了每一幀的起止位置。然而，每一幀的各數(shù)據(jù)字在特定的測(cè)試方案中又不可能相同，如何來(lái)確定某個(gè)參數(shù)字在哪一幀的哪個(gè)位置?幀同步以后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_位置是否可靠?就是子幀同步要解決的問(wèn)題。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外廣泛采用的于幀同步方式為ID同步方式。

　　子幀同步策略是PCM分路的另一關(guān)鍵技術(shù)，其意義在于：在幀同步的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性作進(jìn)一步的容錯(cuò)檢測(cè)。一種常用的且經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)較為可靠的子幀同步策略是：連續(xù)檢查幾個(gè)子幀數(shù)據(jù)(一般為3個(gè))，其子幀同一位置的ID字如果相同或相鄰子幀相應(yīng)的ID字連續(xù)，則判決為子幀同步，否則子幀不同步。

　　子幀同步策略邏輯實(shí)現(xiàn)如圖5所示。由圖5可以看出，子幀同步與策略的正確性依據(jù)以下條件：

　　(1)ID字位置及其值的正確性(如過(guò)零檢測(cè))。

　　(2)子幀長(zhǎng)的正確性(通過(guò)子幀長(zhǎng)與幀計(jì)數(shù)器值的比較判斷)。

　　(3)同步、檢測(cè)和失步的判別，方法與幀同步策略類(lèi)似。

　　在本設(shè)計(jì)中，雙PCM幀同步檢測(cè)、幀/子幀同步策略均通過(guò)CPLD邏輯器件實(shí)現(xiàn)，不僅提高了設(shè)計(jì)的集成度，而且提高了系統(tǒng)的可靠性及其性能，使每路PCM分路速率達(dá)到20Mbps的國(guó)際先進(jìn)水平。

　　4 軟件平臺(tái)選擇及軟件組成

　　目前常用的遙測(cè)前端處理器操作系統(tǒng)有Windows2000和VxWorks二種。Windows2000通用、軟件資源豐富、易于使用和擴(kuò)展；而VxWorks是一個(gè)用途廣泛的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有良好的實(shí)時(shí)性、可靠性和可裁減性。根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理的實(shí)際需求，本設(shè)計(jì)選用了Windows2000，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言選用C++。

　　遙測(cè)前端處理器軟件組成與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理流程框圖如圖6所示。

圖6? 遙測(cè)前端處理器軟件組成與實(shí)際工資時(shí)數(shù)據(jù)處理流程

　　遙測(cè)前端處理器中的軟件由PCM數(shù)據(jù)采集、參數(shù)提取、工程單位轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)合并與導(dǎo)參數(shù)計(jì)算、報(bào)警參數(shù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)分配等模塊組成。其中，采集、參數(shù)提取、工程單位轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)據(jù)流相對(duì)應(yīng)，每個(gè)數(shù)據(jù)流單獨(dú)一套。PCM數(shù)據(jù)經(jīng)采集后，接事先定義對(duì)參數(shù)進(jìn)行提取、工程單位轉(zhuǎn)換和必要的處理、存儲(chǔ)。按事先設(shè)置，需要模擬輸出的數(shù)據(jù)直接由D/A板輸出，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把工程單位數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)傳輸給工作站，由工作站完成遙測(cè)數(shù)據(jù)的各種方式的可視化顯示和飛行試驗(yàn)專(zhuān)用數(shù)據(jù)分析與處理。

　　基于cPCI總線的新一代嵌入式遙測(cè)前端處理器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，使遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的集成更加容易。其20Mbps的速率、雙路PCM數(shù)據(jù)的分路和實(shí)時(shí)處理能力?？蓾M足現(xiàn)代軍、民機(jī)飛行試驗(yàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理要求。它的應(yīng)用使我國(guó)的飛行試驗(yàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)水平得到很大的提升。同時(shí)，cPCI總線的加固特性，使以嵌人式遙測(cè)前端處理器為核心而組成的實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，滿足了運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)機(jī)載要求和地面車(chē)載環(huán)境要求，拓寬了遙測(cè)前端處理器在軍工試驗(yàn)和民用工業(yè)試驗(yàn)等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍，有著廣闊的應(yīng)用前景。