遙感衛星快視設備的設計與實(shí)現

通過(guò)分析該處理模式下數據的處理流向，可以找出該模式下的數據處理速率瓶頸所在。其一般處理流程是：數據采集卡通過(guò)中斷向計算機申請中斷，由CPU響應中斷后，將計算機插卡上的緩沖數據接收到計算機（實(shí)質(zhì)是送往計算機內存）；然后，在CPU的干預下，將需要存盤(pán)的數據送往硬盤(pán)存儲，將需要顯示的數據送往顯存進(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(如Windows/UNIX)下運行。由于操作系統在進(jìn)行數據采集處理的同時(shí)需要進(jìn)行整個(gè)計算機運行的管理，使得在這種處理模式下，存儲數據流的速率不可能很高。因此該處理模式多見(jiàn)于速率在30Mbps以下的數據流進(jìn)行的存儲和處理，難以滿(mǎn)足對更高速率的數據進(jìn)行存儲和處理的要求。
同時(shí)，上述處理模式的可擴展性也比較差。對于33M/32bit的PCI總線(xiàn)，其最大傳輸速率是132Mbps，而且由于計算機控制硬盤(pán)存儲能力的限制，即使選用高性能的計算機或者加大板上數據緩沖深度，都不能從根本上解決速率瓶頸的問(wèn)題。
而使用計算機插板直接控制磁盤(pán)陣列進(jìn)行數據存儲的工作模式，則可以從根本上解決前述數據存儲速率的瓶頸問(wèn)題。這種處理模式的數據流向及工作原理如圖2所示。外部輸入的高速數據流在數據采集處理板上被分成兩個(gè)分支流向，其中一路數據直接通過(guò)硬盤(pán)控制器存入磁盤(pán)陣列，而另一路數據則經(jīng)過(guò)抽取后通過(guò)PCI總線(xiàn)送入計算機。這里的硬盤(pán)控制器是一個(gè)專(zhuān)用的CPU，它實(shí)時(shí)地控制硬盤(pán)進(jìn)行數據存取操作。計算機可對輸入數據進(jìn)行灰度顯示，以監控采集數據流的運行狀態(tài)。監控數據可以進(jìn)行高倍數據抽取，只要滿(mǎn)足高于25幀/秒這一要求，就可以達到很好的實(shí)時(shí)監控效果。這種處理模式的系統可擴展性相對較強。因為該模式的存盤(pán)操作不是由計算機CPU直接控制，而是使用專(zhuān)用硬盤(pán)控制器插卡控制硬盤(pán)進(jìn)行數據存儲。通過(guò)擴展硬盤(pán)控制器及其附帶的硬盤(pán)數量，就可以達到提高系統數據記錄吞吐速率的目的。

2 系統設計實(shí)現
2.1 系統硬件結構
系統的硬件主要包括：一臺工業(yè)控制計算機、LVDS信號轉接板，四塊插入到工控機箱內的高速數據接收處理板和由八個(gè)SCSI硬盤(pán)組成的硬盤(pán)陣列。每塊高速數據接收處理板連接兩個(gè)SCSI磁盤(pán)，控制一個(gè)通道的數據存儲。
LVDS信號轉接板主要完成輸入信號的物理連接、電平轉換和與數據處理板的時(shí)序邏輯適配等工作。LVDS信號轉接板輸出的信號通過(guò)存儲設備內部的高速通信電纜送到高速數據接收處理板中完成數據實(shí)時(shí)接收與緩沖，同時(shí)將輸入的數據流分成兩路，一路數據通過(guò)數據處理板上的SCSI硬盤(pán)控制器實(shí)時(shí)存入硬盤(pán)陣列中，另一路數據則經(jīng)抽取后通過(guò)PCI總線(xiàn)實(shí)時(shí)送到工控機中進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像顯示。這里使用Qlogic公司的FAS566^[3] SCSI硬盤(pán)控制器來(lái)完成SCSI硬盤(pán)陣列的數據存取操作控制。FAS566可以支持最高160Mbps的數據傳輸速度，并可以控制SCSI硬盤(pán)陣列以RAID0^[4]方式存取數據。高速數據接收處理板還包括微處理器、數據緩存器、PCI橋接器等硬件模塊和相應的軟件控制模塊，其組成原理如圖3所示。

　　與傳統的IDE硬盤(pán)相比，SCSI硬盤(pán)在傳輸控制和存取速度上有很多優(yōu)勢。以10 000轉/秒的硬盤(pán)為例，SCSI硬盤(pán)可以達到約35Mbps的持續存儲速度，而IDE硬盤(pán)僅能達到約15Mbps。SCSI硬盤(pán)的傳輸速度也遠遠高于IDE硬盤(pán)的傳輸速度，目前Ultra320 SCSI總線(xiàn)數據傳輸速率可達320Mbps。本方案中選擇了總線(xiàn)傳輸速率為160Mbps的Ultra160 SCSI控制器。采用SCSI總線(xiàn)和SCSI硬盤(pán)不僅數據傳輸速率高，而且在需要時(shí)可以通過(guò)簡(jiǎn)單地增加系統中的硬盤(pán)數量來(lái)擴展存儲空間，一個(gè)SCSI硬盤(pán)控制器可以最多外掛和控制15個(gè)SCSI硬盤(pán)。
2.2 系統軟件組成
本系統的軟件主要由驅動(dòng)程序、板載處理器實(shí)時(shí)控制模塊、SCSI硬盤(pán)陣列數據存儲管理模塊和上層用戶(hù)應用程序等部分組成，系統軟件組成框圖如圖4所示。使用Windows 2000作為系統控制計算機的操作系統。

實(shí)時(shí)數據接收與預處理模塊運行在數據處理板上，實(shí)時(shí)接收由LVDS信號轉接板輸出的待測數據。數據存儲單元控制SCSI硬盤(pán)陣列進(jìn)行數據存儲，主要包括SCSI硬盤(pán)陣列上數據文件的管理（建立、刪除、修改、檢索及維護等）和在圖像回放時(shí)圖像數據的讀取和傳輸等操作。
實(shí)時(shí)送往計算機的數據，主要用于監控測試信源的運行狀態(tài)，因而可以對接收數據進(jìn)行高倍抽取，以降低實(shí)時(shí)傳輸的數據率。抽取后數據通過(guò)PCI總線(xiàn)傳送到工控計算機中進(jìn)行圖像顯示。
3 系統性能測試
　首先對系統單通道數據記錄能力進(jìn)行測試。測試使用的硬盤(pán)型號為ST318404LW^[5]，記錄數據采用無(wú)文件格式，每次寫(xiě)緩沖數據為2MB。測試結果表明，硬盤(pán)的最高記錄速度是變化的，即SCSI硬盤(pán)的存儲速度隨著(zhù)記錄數據的不斷增加而下降。硬盤(pán)記錄速度隨記錄時(shí)間的變化如表1所示。

通過(guò)基于計算機的SCSI硬盤(pán)控制器控制磁盤(pán)陣列進(jìn)行數據記錄，實(shí)現了對260Mbps的高速數據流進(jìn)行持續記錄的設計，持續記錄時(shí)間超過(guò)900秒。計算機可以實(shí)時(shí)地完成被測數據流的灰度顯示，達到了對記錄數據實(shí)時(shí)監控的目的。該設備已經(jīng)成功應用于衛星的信源測試，系統運行穩定可靠，可廣泛應用于需要對高速信號進(jìn)行持續記錄的領(lǐng)域。