四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司　夏　鴻

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基于OpenVPX雙冗余交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司夏鴻

隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，開放式體系架構(gòu)日趨成熟，綜合化設(shè)計(jì)的趨勢越來越明顯。電子設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)更多的采用高速總線和硬件模塊擴(kuò)展的方式，用以快速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、能力提升、降低成本?；贠penVPX雙冗余交換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用16槽雙冗余機(jī)架，以RapidIO、千兆以太網(wǎng)為基本交換數(shù)據(jù)總線，具有穩(wěn)定性好、傳輸速率高、計(jì)算能力強(qiáng)、擴(kuò)展配置靈活的特點(diǎn)。

OpenVPX；雙冗余交換；RapidIO

近幾十年來電子設(shè)備的發(fā)展正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、更高的傳輸總線帶寬、更好的擴(kuò)展和靈活配置能力、以及并行計(jì)算性能的方向發(fā)展，VPX采用RapidIO高速串行總線增加了傳輸帶寬，集成了更多的IO和擴(kuò)展格式布局。2010年VITA（VME國際貿(mào)易協(xié)會組織）成員在VPX基礎(chǔ)進(jìn)一步拓展發(fā)布了OpenVPX，帶寬進(jìn)一步提高、具備多交換網(wǎng)絡(luò)模式，統(tǒng)一規(guī)定了節(jié)點(diǎn)、背板和模塊三大類的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。

1.OpenVPX總線協(xié)議概述

OpenVPX主要通過背板互連拓?fù)湓O(shè)計(jì)，從傳輸系統(tǒng)邏輯上劃分為5個(gè)部分［1］：

管理平面（Management Plane）：用于組織和管理標(biāo)準(zhǔn)的硬件資源，管理層的電源可以設(shè)計(jì)為獨(dú)立電源，與主電源（供電系統(tǒng)中的各板）分開，這樣就可以實(shí)現(xiàn)管理層對各板的電源控制。

控制平面（Control Plane）：此層應(yīng)用低延遲、中等帶寬、基于數(shù)據(jù)包的通信模式。OpenVPX通過控制通路和數(shù)據(jù)通路區(qū)分開，保證各通路的帶寬，并且一個(gè)通路的沖突不會影響到另一個(gè)通路。

數(shù)據(jù)平面（Data Plane）：數(shù)據(jù)傳輸層在板間以及處理板與底板間構(gòu)建了一套高寬帶，低延遲的數(shù)據(jù)通路，數(shù)據(jù)傳輸層可選擇單星狀或雙星狀。RapidIO和10GB以太網(wǎng)均會應(yīng)用到數(shù)據(jù)傳輸層。

擴(kuò)展平面（Expansion Plane）：擴(kuò)展層主要把主控板與若干緊耦合的處理板或IO板連接起來，與主控板緊耦合的處理板不能獨(dú)立于主控板工作。PCIe或其他高速通信協(xié)議會應(yīng)用于擴(kuò)展層，擴(kuò)展層需要使用低延遲、高帶寬的通道支持其通信。

公共平面（Utility Plane）：為系統(tǒng)提供最基礎(chǔ)的服務(wù)，如：電源供給、參考時(shí)鐘、系統(tǒng)復(fù)位等低級別信號。

2.雙冗余交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件架構(gòu)由滿足總線標(biāo)準(zhǔn)的總線背板、射頻/中頻采樣單元、信號處理單元、雙交換模塊組成?？偩€背板上設(shè)置了16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)板卡槽位，16個(gè)槽位標(biāo)準(zhǔn)配置為2個(gè)交換模塊、6個(gè)射頻/中頻采樣模塊、1個(gè)主控模塊、6個(gè)信號處理模塊、2個(gè)備用槽位。信號處理模塊可互換、中頻采樣模塊可互換、交換模塊可互換。系統(tǒng)采用基于交換節(jié)點(diǎn)為中心的互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單。單交換模塊、信號處理或者射頻/中頻采樣發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)均可正常工作。該系統(tǒng)中有三種總線，數(shù)據(jù)總線、控制總線和管理總線，其中數(shù)據(jù)總線采用RapidIO總線、主要傳輸對數(shù)據(jù)速率及實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)，如采樣數(shù)據(jù)、信道控制數(shù)據(jù)；控制總線采用千兆以太網(wǎng)總線，總線采用集中交換式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，主要是低速控制信息，如控制命令、軟件動態(tài)加載切換等；管理總線采用I2C實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)所有模塊的管理，為低速總線，主要實(shí)現(xiàn)各單元模塊運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、實(shí)時(shí)溫度的上報(bào)等。

為了增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和可行性，參照ANSI/VITA 65-2010 OpenVPX標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體型號選擇BKP6-CEN16-11.2.2n，由于單交換模塊設(shè)計(jì)了2組MT光口對外傳輸交互，交換接插件連接數(shù)量受限，因此僅實(shí)現(xiàn)14個(gè)模塊互連及2個(gè)模塊箱內(nèi)備份。機(jī)箱內(nèi)部模塊互連遵照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)為6U模塊，采用雙交換方式實(shí)現(xiàn)模塊的互連。

圖1　系統(tǒng)拓?fù)鋱D

信號處理及中頻采樣模塊采用4x 的RapidIO總線為數(shù)據(jù)總線，通過交換模塊實(shí)現(xiàn)互連，單通道速率設(shè)置為3.125Gbps［2］；標(biāo)準(zhǔn)的信號處理模塊與中頻采樣模塊之間采用RocketIO串行流水互連拓?fù)洌恍盘柼幚砑爸蓄l采樣模塊的控制總線采用集中交換式星型拓?fù)淝д滓蕴W(wǎng)互連；中頻采樣模塊的采用8個(gè)12#射頻接觸件，隔離度大于90dB［3］；交換模塊的光纖接觸件選擇MT形式，可通12路光信號，插入損耗小于1.5dB，誤碼率不大于10-12。

3.核心板卡設(shè)計(jì)

OpenVPX定義了交換模塊（Switch）、負(fù)載模塊（Payload）、外圍模塊（Peripheral）等模塊類型。本平臺中核心的是交換模塊設(shè)計(jì)，該交換模塊原理設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2　交換模塊設(shè)計(jì)原理圖

PPC選用的CPU是飛思卡爾的P2020雙核處理器。P2020可實(shí)現(xiàn)單線程極高性能功耗比，單片功耗小于10W，具備e500內(nèi)核，運(yùn)行頻率高達(dá)1.2GHz，具有3個(gè)增強(qiáng)型三速以太網(wǎng)控制器，4個(gè)SerDes，可實(shí)現(xiàn)兩路RapidIO。

SRIO交換選用IDT公司的CPS-1432，該芯片基于RadpidIO2.1規(guī)范，共有32路串行通道，可靈活配置為8×4、12×2、14×1的端口工作方式，端口數(shù)量最多可配置為14個(gè)，芯片內(nèi)部交換帶寬達(dá)160Gbps，提供無阻塞的全雙工交換能力。

以太網(wǎng)選用BCM5396，該芯片支持16端口三層千兆以太網(wǎng)交換，PPC通過一個(gè)etsec與BCM5396的IMP口交換，PPC通過SPI操作BCM5396的內(nèi)部寄存器。

4.信號完整性設(shè)計(jì)

信號完整性（SI）是指信號在電路中以正確的時(shí)序和電壓做出響應(yīng)的能力。從廣義上講，信號完整性問題主要表現(xiàn)在五個(gè)方面：延遲、反射、串?dāng)_、同步切換噪聲（SSN）和電磁兼容性（EMI）［4］。在進(jìn)行電路版圖設(shè)計(jì)前，利用EDA技術(shù)和高速電路仿真設(shè)計(jì)理論，對電路中的關(guān)鍵信號進(jìn)行信號完整性分析，并為版圖設(shè)計(jì)提供約束條件，以此作為PCB版圖布局、布線設(shè)計(jì)的依據(jù)。在信號完整性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)將大大減少硬件調(diào)試過程中對電路的修改與重新制作過程，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本。

本系統(tǒng)方案中，板內(nèi)板間傳輸速率較高，需進(jìn)行信號完整性仿真分析。仿真工具采用Cadence對器件進(jìn)行建模。同時(shí)在版圖布局中對線路拓?fù)溥M(jìn)行約束，如DDR時(shí)鐘采用菊花鏈拓?fù)湫问?；?shù)據(jù)總線和地址總線蛇行線作分組等長處理。元器件布局也進(jìn)行約束，如開關(guān)電源距離數(shù)據(jù)總線遠(yuǎn)，降低EMI對總線上信號沿干擾。

5.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)基于OpenVPX雙冗余交換系統(tǒng)，通過對OpenVPX總線標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)、組成原理的分析，構(gòu)建了一個(gè)雙冗余16槽的系統(tǒng)平臺。該平臺具備高的傳輸總線帶寬、良好的冗余備份能力、可靈活配置，具有通用化、系統(tǒng)化、模塊化的特點(diǎn)。該平臺可滿足大部分電子設(shè)備系統(tǒng)要求，可廣泛用于雷達(dá)、電子對抗、圖像處理等高性能的信號處理系統(tǒng)中。

［1］ANSI/VITA65-2010，OpenVPX System Specification ［S］.2010

［2］Sam Fuller.RapidIO嵌入式系統(tǒng)互連［M］.王勇，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］中航光電.VPX系列模塊化加固型混裝連接器［M］.2015.

［4］夏軍成.高速數(shù)字設(shè)計(jì)中的信號完整性問題［J］.艦船電子對抗，2003，（04）:10-11.