馮 婕，安 靜，孫 強，袁博，陳洪彩，付曉慶

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安，710065）

動態(tài)特性綜合測試設(shè)備數(shù)據(jù)采集與顯示單元設(shè)計

馮 婕，安 靜，孫 強，袁博，陳洪彩，付曉慶

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安，710065）

為了滿足光電跟蹤系統(tǒng)動態(tài)性能測試的需求，解決當(dāng)前測試過程中存在的諸多問題，提出將PowerPC處理器用于動態(tài)特性綜合測試設(shè)備中，實現(xiàn)運動目標(biāo)數(shù)據(jù)高效、準(zhǔn)確地采集與顯示。引入PowerPC處理器的動態(tài)特性綜合測試設(shè)備數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理能力強、擴展性強、目標(biāo)運動狀態(tài)穩(wěn)定可靠等特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。

動態(tài)特性綜合測試設(shè)備；數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)；PowerPC

0　引言

數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)是動態(tài)特性綜合測試設(shè)備的核心部件，是測試人員和測試設(shè)備之間最重要的人機接口。測試人員可通過該界面輸入目標(biāo)預(yù)期運動速度、位置，還可實時顯示模擬目標(biāo)運動狀態(tài)，轉(zhuǎn)動角度等相關(guān)信息，確保測試人員能全面及時觀察、掌握動態(tài)特性綜合測試設(shè)備的實時工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)目前基本均采用DSP處理器，由于動態(tài)特性測試過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，而DSP處理器一般處理能力較低，無法配置嵌入式實時操作系統(tǒng)，任務(wù)調(diào)度和中斷響應(yīng)效率較低，同時DSP處理器開發(fā)和調(diào)試工具的不盡完善，這就對數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求?；赑owerPC處理器數(shù)據(jù)處理能力強、后期開發(fā)難度低、可擴展性強等優(yōu)勢，本文提出了基于PowerPC的數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，以解決上述問題。

1　設(shè)計需求

1.1數(shù)據(jù)處理能力強。動態(tài)特性綜合測試設(shè)備測試過程中通過不斷采集連續(xù)變化的目標(biāo)位置信息、轉(zhuǎn)臺輸出角位置、角速度曲線，以實現(xiàn)對目標(biāo)運動速率的精確控制，因此數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)應(yīng)具有較強大的數(shù)據(jù)處理能力。

1.2設(shè)備接口豐富、擴展性強。動態(tài)特性綜合測試設(shè)備中伺服控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集器分別通過RS422、RS485或VGA等接口與數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)交聯(lián)。同時，測試過程中還必須完成采集數(shù)據(jù)的同步編輯、曲線顯示、圖表數(shù)據(jù)輸出、存盤等，并且各處理結(jié)果應(yīng)能與通用的文檔處理軟件有方便接口。為此，數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)不僅需要豐富的設(shè)備接口，還需要具備一定的擴展性，以滿足不同用戶的定制要求。

2　系統(tǒng)架構(gòu)

動態(tài)特性綜合測試設(shè)備中，數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)與伺服控制器、數(shù)據(jù)采集器交聯(lián)，是動態(tài)特性綜合測試設(shè)備的核心部件。數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)按照功能定義，供電單元負責(zé)為數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)提供二次電源，數(shù)據(jù)采集與顯示單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的任務(wù)管理、數(shù)據(jù)處理和圖形顯示功能，實時采集交聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合后，將圖形數(shù)據(jù)進行2D/3D硬件加速處理，然后按照系統(tǒng)規(guī)范在VGA顯示器中進行顯示。圖1為動態(tài)特性綜合測試設(shè)備數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1　動態(tài)特性綜合測試設(shè)備數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)架構(gòu)

3　硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集與顯示單元采用雙處理器架構(gòu)，主處理器采用高性能嵌入式PowerPC處理器，完成數(shù)據(jù)處理、任務(wù)管理和圖形顯示功能；圖形處理器采用高性能GPU處理器，完成顯示圖形的2D/3D硬件加速處理；雙處理器之間通過PCI總線進行數(shù)據(jù)通信。

3.1 主處理器設(shè)計。高性能、低功耗的嵌入式處理器的選用能有效的提高數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的能耗比。數(shù)據(jù)采集與顯示單元主處理器采用MPC8270，主要由G2_LE內(nèi)核、系統(tǒng)接口單元（SIU）和通信處理模塊（CPM）組成。

主處理器設(shè)計中，MPC8270時鐘配置采用PCI host模式，MPC8270在60X總線上配置了多種存儲器，其中NVSRAM用于數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的記錄。

3.2圖形處理器設(shè)計。數(shù)據(jù)采集與顯示單元圖形處理器采用M9，M9是ATI公司針對新一代低功耗多媒體系統(tǒng)設(shè)計的高性能圖形處理芯片，它的圖形硬件加速性能極佳，功耗較低，是目標(biāo)運動狀態(tài)顯示的首選方案。

圖形處理器設(shè)計中，M9主頻配置為200MHz，與主處理器通過32位/33M的PCI總線進行數(shù)據(jù)通信。外部顯示接口采用VGA接口，圖形分辨率為1024×768。

3.3存儲設(shè)備設(shè)計。為滿足數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)工作需要，數(shù)據(jù)采集與顯示單元配置了大容量的SD卡。SD卡通過主處理器的PCI總線訪問，在FPGA中實現(xiàn)PCI總線到SD總線的橋接功能。SD卡配置FAT32文件系統(tǒng)和支持數(shù)據(jù)加卸載。作為移動存儲設(shè)備，SD卡讀寫訪問均采用DMA方式，用于在測試任務(wù)結(jié)束后下載系統(tǒng)記錄的目標(biāo)運動相關(guān)數(shù)據(jù)，以便進行數(shù)據(jù)分析。

3.4外部接口設(shè)計。數(shù)據(jù)采集與顯示單元提供多種外部接口，用于與外部數(shù)據(jù)采集器、伺服控制器、VGA顯示器等設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)采集與顯示單元外部接口設(shè)計包括以下3部分：

（1） VGA接口：數(shù)據(jù)采集與顯示單元提供1路VGA接口，用于數(shù)據(jù)采集與顯示單元與VGA顯示器進行圖像通信；

（2） RS422接口：數(shù)據(jù)采集與顯示單元提供2路全雙工RS422接口，1路用于數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)通信，另1路用于數(shù)據(jù)采集與顯示單元與VGA顯示器的周邊按鍵通信；

（3） ARINC429接口：數(shù)據(jù)采集與顯示單元提供5路全雙工ARINC429接口，分別用于數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)與伺服控制器等設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。

3.5可編程邏輯設(shè)計。數(shù)據(jù)采集與顯示單元需要在FPGA中實現(xiàn)大量的協(xié)議轉(zhuǎn)換、總線橋接和接口控制功能，要求選用的FPGA器件邏輯規(guī)模要足夠大。同時，考慮到數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的設(shè)計需求，F(xiàn)PGA要選用低功耗、低成本器件，并且在邏輯單元數(shù)量上應(yīng)留有一定的余量，以備后期進行功能升級。數(shù)據(jù)采集與顯示單元FPGA設(shè)計采用1片XC2V1000芯片實現(xiàn)，主要實現(xiàn)以下4部分功能：

（1） 主處理器配置功能：實現(xiàn)主處理器的上電復(fù)位配置、看門狗控制、中斷配置、內(nèi)部狀態(tài)寄存器等功能；

（2） 60X總線地址譯碼功能：實現(xiàn)主處理器的60X總線譯碼，F(xiàn)LASH、NVSRAM的訪問控制等功能；

（3） 總線橋接功能：實現(xiàn)PCI總線到SD總線的橋接功能；

（4） 協(xié)議轉(zhuǎn)換功能：實現(xiàn)RS422接口、ARINC429接口協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

4　軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集與顯示單元軟件架構(gòu)包括三部分：地面支持軟件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。圖2為數(shù)據(jù)采集與顯示單元軟件架構(gòu)。

4.1地面支持軟件

地面支持軟件包括在線編程工具和Tornado集成開發(fā)環(huán)境，這些軟件均安裝在軟件開發(fā)設(shè)備中，完成軟件的編輯、編譯、連接、加載、調(diào)試和固化等工作，并通過集成的調(diào)試工具對顯示處理單元的軟硬件狀態(tài)進行監(jiān)控。

4.2系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括板級支持軟件和應(yīng)用支持軟件。其中，板級支持軟件是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發(fā)包，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的軟件接口。應(yīng)用支持軟件是位于板級支持軟件和應(yīng)用軟件之間的中間層軟件，主要為應(yīng)用軟件提供多種開發(fā)支持。

4.3應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件根據(jù)系統(tǒng)功能需求，負責(zé)完成目標(biāo)運動狀態(tài)和參數(shù)的綜合處理、圖形顯示與控制、接口數(shù)據(jù)通信、顯示器周邊按鍵處理、周期性自檢、故障告警與異常處理功能，以及數(shù)據(jù)加卸載、系統(tǒng)維護等輔助功能。

5　方案設(shè)計及總結(jié)

數(shù)據(jù)采集與顯示單元基于雙處理器架構(gòu)，采用模塊化的設(shè)計思想，選用高性能低功耗處理器和大規(guī)模FPGA，提供多路設(shè)備輸入、輸出接口，降低了設(shè)計開發(fā)和后期維護成本，同時為以后功能升級提供了良好的基礎(chǔ)。采用該設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全可以解決目前動態(tài)特性綜合測試設(shè)備應(yīng)用過程中存在的問題，并且會大大提升動態(tài)特性綜合測試設(shè)備的測試能力，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 姜琳琳，趙博龍.飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014（9）：30-33.

［2］ 劉碩，林榮超.綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（15）：160-162.

Design of data acquisition and display unit of integrated test equipment for dynamic characteristics

Feng Jie，An Jing，Sun Qiang，YuanBo，Chen Hongcai，F(xiàn)u Xiaoqing
（Xi’an Institute of Applied Optics，Xi’an，710065）

In order to meet the needs of photoelectric tracking system dynamic performance testing，to solve the problems existing in the process of test，put forward will PowerPC processor for dynamic characteristics of integrated test equipment to achieve moving target data efficiently and accurately capture and display.The introduction of the dynamic characteristics of PowerPC processor integrated test equipment data acquisition and display system has the characteristics of strong data processing ability，strong expansibility，stable and reliable target motion state， and has broad application prospects.

Integrated test equipment for dynamic characteristics；Data acquisition and display system；PowerPC

圖2　數(shù)據(jù)采集與顯示單元軟件架構(gòu)