基于cPCI總線(xiàn)的遙測前端處理器系統設計

遙測數據處理系統在航空、航天等軍工試驗領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。在航空飛行試驗中.遙測數據處理系統為各類(lèi)試飛測試數據的實(shí)時(shí)處理提供了手段和平臺，是試飛員、試飛指揮員及試飛工程師協(xié)同完成新機試飛必不可少的重要設施，是確?，F代飛機試飛安全、提高試飛效率、縮短試飛周期、實(shí)現綜合試飛的重要手段。

遙測數據處理系統中的核心設備——遙測前端處理器，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。我國遙測前端處理器的研發(fā)經(jīng)歷了從引進(jìn)、合作研制到完全自行研制的歷程。

遙測前端處理器是一套嵌入式實(shí)時(shí)計算機系統，承擔著(zhù)遙測PCM數據的同步、分路、工程單位轉換、數據計算、數據分配等實(shí)時(shí)處理任務(wù)。它和遙測系統管理服務(wù)器、工作站等設備通過(guò)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接和系統集成，組成當前流行的基于C/S結構的遙測數據處理系統?？梢哉f(shuō)，遙測前端處理器的技術(shù)水平代表了遙測數據處理系統的技術(shù)水平。

1 系統功能和主要技術(shù)指標

遙測前端處理器的功能簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是把來(lái)自遙測接收設備送來(lái)的多路串行PCM(Pulse Code Modulation)數據流進(jìn)行同步、分路、合并、存儲，并對轉換后的并行數據進(jìn)行工程單位轉換、導出參數計算等實(shí)時(shí)處理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )把數據傳送給顯示工作站。再通過(guò)遙測記錄數據重放，為用戶(hù)提供同實(shí)時(shí)方式一樣的處理功能和更為詳細的數據分析功能。

遙測前端處理器主要技術(shù)指標為：

(1)可同時(shí)完成2路PCM數據流的同步和分路，每路PCM速率不大于20Mbps。

(2)實(shí)時(shí)數據處理速率：20Mbps。

(3)數據傳輸：交換式以太網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò )帶寬1000Mbps、廣播方式和“點(diǎn)對點(diǎn)”方式。

(4)數據存儲：滿(mǎn)足在最大速率下數據存儲不丟失，磁盤(pán)容量滿(mǎn)足不小于4小時(shí)的記錄時(shí)間。

(5)D/A輸出：12位、16路模擬信號輸出。

2 系統組成和體系結構設計

二十世紀90年代，因受當時(shí)的計算機技術(shù)限制，國內外大多數嵌入式遙測前端處理器都采用了基于VME總線(xiàn)的計算機平臺和雙總線(xiàn)、多CPU、百兆以太網(wǎng)接口的體系結構，其技術(shù)復雜、成本高、軟件開(kāi)發(fā)難度大、系統研制周期長(cháng)。

當前計算機技術(shù)的發(fā)展，使得CPU速度和總線(xiàn)速率已不再是新一代嵌入式遙測前端處理器的瓶頸，基于單CPU、單總線(xiàn)和千兆以太網(wǎng)接口的體系結構成為新一代嵌入式遙測前端處理器的主流設計。板卡化后的遙測前端設備，如碼同步器、分路器、時(shí)碼發(fā)生器等作為計算機的一個(gè)插件板，嵌人到工業(yè)計算機系統中，其組成已簡(jiǎn)化為：19英寸計算機箱、CPU板、多功能PCM分路器板、時(shí)碼板、D/A板和存儲設備，其典型結構與組成見(jiàn)圖1所示。新一代嵌入式遙測前端處理器體系結構簡(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結構的多數據流遙測數據處理系統。

3 硬件設計

3.1 總線(xiàn)平臺和OEM板卡的選擇

計算機總線(xiàn)平臺是嵌入式遙測前端處理器的關(guān)鍵，當前國外嵌入式遙測前端處理器均選用了目前流行的Compact PCI計算機總線(xiàn)平臺。該平臺吸收了PC機商用技術(shù)的最新成果，數據傳輸速率滿(mǎn)足新一代嵌入式遙測前端處理器實(shí)時(shí)處理多條PCM數據流時(shí)的傳輸要求，環(huán)境條件、可靠性等都滿(mǎn)足運輸類(lèi)飛機機載、地面活動(dòng)車(chē)載等環(huán)境使用要求。

遙測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。機箱選用12槽Compact PCI機箱(包括電源組件和磁盤(pán));根據處理要求，本設計的CPU板選用了美國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DATUM公司帶GPS授時(shí)的BC637;D/A板選用了美國NI公司的 N16713系列，每板8通道.每通道lMSps，D/A分辨率為12位。

考慮到單片式全數字碼同步器在國外已有使用，因此在多功能雙PCM分路器板設計時(shí)已預留了單片碼同步器的芯片位置。本設計碼同步器選用外置式碼同步器。

3.2 多功能雙PCM分路器板的設計與實(shí)現

PCM 分路器板是嵌入式遙測前端處理器的關(guān)鍵插件，國外也有不少單板、單PCM分路的OEM產(chǎn)品。但高端產(chǎn)品的購置受到西方國家諸多限制，因此，選取了自行設計的技術(shù)途經(jīng)，研制成功了基于Compact PCI總線(xiàn)的多功能雙路。PCM分路器板，其技術(shù)水平達到當前國際先進(jìn)水平。

3.2.1 PCM分路器板的硬件邏輯設計

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、幀/子幀同步策略及相應的時(shí)序控制邏輯等)、PCM模擬器、語(yǔ)音采集等功能模塊組成。主要功能均由大規模集成電路CPLD可編程邏輯芯片實(shí)現。

CPLD選用了Latfice公司的ISP 4512V系統在線(xiàn)可編程器件。由于ISP便于現場(chǎng)更改，降低了研發(fā)成本，縮短了系統調試時(shí)間。

在眾多通用的PCI接口芯片中，選用了目前業(yè)界設計選用的主流芯片：PLX公司的PLX9054。PLX9054是一種功能強、使用靈活并符合 PCIV2.2規范的32位、33MHz的。PCI總線(xiàn)接口控制器，它可以作為PCI總線(xiàn)的主控設備去控制總線(xiàn)，也可以作為目標設備去響應總線(xiàn)。 PIX9054提供了PCI總線(xiàn)、EWROM、IDCAL總線(xiàn)3個(gè)接口，作為一種“橋”芯片，在PCI總線(xiàn)和LOCAL總線(xiàn)之間有3種直接的數據傳輸模式。本設計選用了DMA數據傳輸模式。PLX9054以其強大的功能和簡(jiǎn)單的用戶(hù)接口，為PCI總線(xiàn)接口的開(kāi)發(fā)提供了一種簡(jiǎn)潔的方法，設計者只需設計本地總線(xiàn)接口控制電路，即可實(shí)現與PCI總線(xiàn)的高速數據傳輸。

3.2.2 幀、子幀同步及同步策略的實(shí)現

PCM 數據一個(gè)參數是以一個(gè)字或多個(gè)字的方式表達的，每個(gè)字由若干碼元組成，而在一個(gè)PCM采集系統中，所有測試參數組成一個(gè)參數群，該參數群稱(chēng)為幀/子幀結構。怎樣才能準確地區分每個(gè)字的起始位置.正確地恢復采集參數的并行數據，也就是獲取幀/子幀以及表示各參數的數據字的起始時(shí)刻相一致的脈沖序列，其過(guò)程即稱(chēng)為幀/子幀同步。幀，子幀同步信號的作用在于在一串信號群中，給出一個(gè)起始時(shí)間標志，以便對每個(gè)參數字進(jìn)行正確地分路，其特點(diǎn)是：它本身的信息量不大，但對傳輸的可靠性要求很高。幀同步檢測器是PCM分路器板的關(guān)鍵部分，其他工作都是在幀同步檢測器完成正確的檢測后進(jìn)行的，因此，幀同步檢測器起著(zhù)至關(guān)重要的作用。其框圖如圖3所示。