(西南技術(shù)物理研究所，成都 610041)

0 引言

隨著現(xiàn)代陸軍武器系統(tǒng)向著信息化、智能化、輕型化、高機(jī)動(dòng)化的方向發(fā)展，對(duì)武器系統(tǒng)的綜合信息處理平臺(tái)提出了更高的要求。

車(chē)載綜合信息處理系統(tǒng)是武器系統(tǒng)的指揮控制、戰(zhàn)場(chǎng)感知、信號(hào)處理的綜合平臺(tái)。車(chē)輛平臺(tái)內(nèi)部空間狹小，電磁環(huán)境復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣，維修保障困難，對(duì)綜合信息處理系統(tǒng)的可靠性、維修性、安全性要求更高。傳統(tǒng)車(chē)載綜合信息處理系統(tǒng)通常采用分布式體系架構(gòu)，各功能模塊相互獨(dú)立，采用RS422、CAN、1553B等總線進(jìn)行通信，總線數(shù)據(jù)傳輸帶寬窄，時(shí)序控制復(fù)雜，數(shù)據(jù)交互能力差，各功能模塊單獨(dú)機(jī)箱供電，造成體積重量大，系統(tǒng)電氣復(fù)雜等問(wèn)題。箱內(nèi)總線大多采用CPCI、VME等并行總線，目前車(chē)載傳感器及終端已實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化，信息傳輸量呈爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)信息處理系統(tǒng)的運(yùn)算速度和傳輸帶寬提出更高要求，傳統(tǒng)的并行總線信息處理系統(tǒng)已達(dá)到性能極限，難以滿足日益增長(zhǎng)的信息處理需求，且不能實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的信息共享和信息融合，制約了武器系統(tǒng)的信息化、智能化發(fā)展。

針對(duì)現(xiàn)代陸軍武器系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提出一種基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)載綜合信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)對(duì)該處理系統(tǒng)的總體架構(gòu)、交互式總線網(wǎng)絡(luò)、主控模塊、信號(hào)處理模塊、綜合控制模塊、接口模塊進(jìn)行詳細(xì)分析設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。

1 VPX標(biāo)準(zhǔn)及Rapid IO總線

VPX標(biāo)準(zhǔn)是由美國(guó)軍方授權(quán)VME國(guó)際貿(mào)易協(xié)會(huì)組織，聯(lián)合28家公司共同制定的為軍用、航空航天、國(guó)防等領(lǐng)域提供高可靠性計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)2009年形成草案，2010年發(fā)布。VPX標(biāo)準(zhǔn)包含VITA46、VITA48、VITA65等標(biāo)準(zhǔn)，VITA46標(biāo)準(zhǔn)是VPX的基本標(biāo)準(zhǔn)，并集成目前最新串行總線RapidIO、PCI-Express和千兆以太網(wǎng)等，支持更高的背板帶寬；VITA48標(biāo)準(zhǔn)定義電路板結(jié)構(gòu)要求、散熱要求、防靜電要求等。VITA65標(biāo)準(zhǔn)定義供電分配、標(biāo)準(zhǔn)底板、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。VPX核心交換可以提供32對(duì)差分對(duì)，每對(duì)差分對(duì)理論上可以提供10Gbps的數(shù)據(jù)交換能力，一個(gè)VPX模塊理論上最高可以提供8GByte/s的數(shù)據(jù)交換能力。

Rapid IO技術(shù)是一種高性能、低引腳數(shù)、基于包交換的交叉開(kāi)關(guān)互聯(lián)技術(shù)，是第一個(gè)嵌入式系統(tǒng)互連國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。Rapid IO技術(shù)主要面向高性能嵌入式系統(tǒng)的互聯(lián)通信，非常適合于多器件緊耦合的工作環(huán)境，具備高帶寬、低延時(shí)、高效率及高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。Rapid IO技術(shù)多采用基于交換板的互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Rapid IO端點(diǎn)設(shè)備間不直接互連，而是通過(guò)交換板互連?；诮粨Q開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的Rapid IO互連架構(gòu)可以貫穿系統(tǒng)互連的各個(gè)層次，包括芯片級(jí)、板卡級(jí)、模塊級(jí)和設(shè)備級(jí)，系統(tǒng)中真正實(shí)現(xiàn)多組并發(fā)的數(shù)據(jù)交換，突破舊的共享帶寬瓶頸，系統(tǒng)配置靈活、規(guī)?？稍鰷p，為容錯(cuò)重構(gòu)提供了技術(shù)支持。

2 綜合信息處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合信息處理系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)內(nèi)部互聯(lián)互通、信息共享、增強(qiáng)信息化作戰(zhàn)能力、減少體積重量。綜合信息處理系統(tǒng)采用符合VPX標(biāo)準(zhǔn)的高性能硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、流程管理、任務(wù)調(diào)度、信息處理、綜合顯示和人機(jī)交互等功能。綜合信息處理系統(tǒng)電子箱共有13個(gè)6U板卡槽位，采用IPMC健康管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控箱內(nèi)板卡電壓、溫度、上電狀態(tài)等信息，出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)定位故障板卡，并實(shí)施遠(yuǎn)程復(fù)位或遠(yuǎn)程重啟。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

綜合信息處理系統(tǒng)由3塊主控板、1塊Rapid IO交換板、1塊以太網(wǎng)交換板、1塊接口板、3塊信號(hào)處理板、2塊綜合控制板、1塊電源板、1塊背板和1個(gè)備用槽位組成。

主控板主要是實(shí)現(xiàn)車(chē)載武器系統(tǒng)的模式設(shè)置、指揮通信、作戰(zhàn)流程控制、任務(wù)調(diào)度、故障檢測(cè)、人機(jī)交互等功能，采用C/S架構(gòu)，其中服務(wù)器主控板負(fù)責(zé)信息收集，集中處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)、狀態(tài)、指令等信息，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作流程，同時(shí)對(duì)客戶端主控板進(jìn)行權(quán)限管理?？蛻舳酥骺匕甯鶕?jù)任務(wù)分工實(shí)現(xiàn)不同的作戰(zhàn)功能，并可以通過(guò)遠(yuǎn)程終端登錄服務(wù)器主控板對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作。

Rapid IO交換板和以太網(wǎng)交換板共同負(fù)責(zé)綜合信息處理系統(tǒng)的總線數(shù)據(jù)交換，設(shè)計(jì)中針對(duì)不同數(shù)據(jù)類(lèi)型和數(shù)據(jù)量選擇合適的總線進(jìn)行通信，發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

接口板主要根據(jù)應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換功能，將外部視頻信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)、控制信號(hào)等轉(zhuǎn)成內(nèi)部總線信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與共享。

信號(hào)處理板主要依靠其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力負(fù)責(zé)例如視頻信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)等大數(shù)據(jù)量、低延時(shí)信號(hào)的實(shí)時(shí)運(yùn)算和處理。

綜合控制板主要替代傳統(tǒng)車(chē)載系統(tǒng)中各分系統(tǒng)的主控電子箱，將原本各分系統(tǒng)的獨(dú)立控制單元融合進(jìn)VPX綜合信息處理系統(tǒng)，依靠強(qiáng)大的處理能力和總線帶寬提高系統(tǒng)綜合性能，并大幅減少車(chē)載控制系統(tǒng)體積重量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)電氣布線。

3 交互式總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

車(chē)載綜合信息處理系統(tǒng)采用雙總線設(shè)計(jì)，VPX電子箱內(nèi)所有功能板卡同時(shí)連接Rapid IO總線和以太網(wǎng)總線，兩種總線都采用星型連接方式，數(shù)據(jù)交互快捷方便。Rapid IO總線主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)量大、延時(shí)低的圖像數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸。采用DMA方式將數(shù)據(jù)流不斷傳輸?shù)浇邮辗降刂房臻g，該方式傳輸效率高、系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)小、穩(wěn)定可靠，可以節(jié)省大量處理器資源用于算法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，Rapid IO總線可以直接通過(guò)光纖進(jìn)行外部擴(kuò)展，在光纖上執(zhí)行Rapid IO協(xié)議可以避免收發(fā)端協(xié)議轉(zhuǎn)換開(kāi)銷(xiāo)，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，并利用光纖的大帶寬、高抗干擾能力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的高速遠(yuǎn)距離傳輸，便于系統(tǒng)組網(wǎng)和信息共享。Rapid IO總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 Rapid IO總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

千兆以太網(wǎng)總線負(fù)責(zé)車(chē)載系統(tǒng)指令、狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸，具有技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，并且使用以太網(wǎng)交換板端口鏡像功能可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄。系統(tǒng)指令、狀態(tài)數(shù)據(jù)采用組播方式，既能實(shí)現(xiàn)一對(duì)多發(fā)送，又能根據(jù)是否加入組播地址控制數(shù)據(jù)接收。該方式大幅增強(qiáng)以太網(wǎng)總線靈活性，發(fā)送方只需要發(fā)送一份數(shù)據(jù)，多個(gè)接收方可根據(jù)任務(wù)需要自行控制數(shù)據(jù)接收，避免發(fā)送方重復(fù)發(fā)送。并且通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)車(chē)載系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制功能，遠(yuǎn)程終端通過(guò)以太網(wǎng)接入車(chē)載服務(wù)器，身份認(rèn)證通過(guò)后可向服務(wù)器發(fā)送控制指令，并可以加入規(guī)定的組播地址接收系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)總線拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4 主要功能板卡設(shè)計(jì)

圖4 主控板組成框圖

圖5 信號(hào)處理板組成框圖

綜合信息處理系統(tǒng)主要包括主控板、信號(hào)處理板、綜合控制板、綜合控制板和接口板。

主控板主要負(fù)責(zé)運(yùn)行車(chē)載系統(tǒng)中央控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)載設(shè)備的集中控制、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互等功能。主控板采用X86架構(gòu)，可以根據(jù)任務(wù)需要運(yùn)行包括Windows、Linux、Vxworks以及國(guó)產(chǎn)化的銀河麒麟等操作系統(tǒng)，具有開(kāi)發(fā)便利、使用靈活、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。主控板集成了CPU、芯片組、內(nèi)存、硬盤(pán)、健康監(jiān)控管理電路以及各類(lèi)接口擴(kuò)展電路。CPU、芯片組、內(nèi)存組成了嵌入式CPU模塊，該模塊作為主控板硬件電路核心，完成數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算功能。健康監(jiān)控管理電路依照IPMC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)板卡的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及上報(bào)。各類(lèi)接口擴(kuò)展電路通過(guò)高速數(shù)據(jù)總線與嵌入式CPU模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)顯示、Rapid IO、千兆以太網(wǎng)、串行通信等功能，并將接口信號(hào)引出至VPX連接器，通過(guò)綜合信息處理電子箱的背板傳輸至機(jī)箱外部。

主控板的嵌入式CPU模塊主要包括：CPU、橋芯片組及內(nèi)存。該模塊能夠完成中央處理器、圖形及內(nèi)存控制器、局部總線控制器、外圍接口控制器等功能。根據(jù)任務(wù)需求，CPU選用Intel Core I7系列產(chǎn)品，CoreTMi7-4700處理器，四核八線程，處理器基本頻率2.2 GHz，制造工藝32 nm，采用三級(jí)緩存，CPU內(nèi)部集成Intel核顯。橋芯片組選用Intel Mobile QM87 Express芯片組，對(duì)外提供LVDS、PCIEx1、PCI、USB、DDI、LPC、SATA等各類(lèi)總線及接口，從而為外部各類(lèi)接口擴(kuò)展提供同CPU的橋接及計(jì)算轉(zhuǎn)換功能。內(nèi)存采用DDR4型，容量8GB，內(nèi)存顆粒貼片焊接至嵌入式CPU模塊上。主控板組成框圖如圖4所示。

信號(hào)處理板作為綜合信息處理系統(tǒng)高速運(yùn)算處理單元，主要承擔(dān)視頻信號(hào)、雷達(dá)信號(hào)等高速信號(hào)的實(shí)時(shí)處理工作。信號(hào)處理板以4塊DSP處理器TMS320C6678為主處理器，1塊FPGA作為協(xié)處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)Rapid IO、千兆以太網(wǎng)、IPMC等功能。依靠4片6687多核運(yùn)算能力，可以勝任絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景和任務(wù)需求，并可根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)處理量靈活增減信號(hào)處理板個(gè)數(shù)。

信號(hào)處理板采用一塊CPS1848和一塊以太網(wǎng)交換芯片共同構(gòu)建板內(nèi)高速串行總線網(wǎng)絡(luò)，并擴(kuò)展板內(nèi)Rapid IO和以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。4塊DSP處理器可通過(guò)Rapid IO進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信，能夠相互配合完成復(fù)雜算法。每片DSP處理器外掛一片2GB DDR3存儲(chǔ)芯片，為算法實(shí)現(xiàn)提供充足的緩存空間。板載K7系列FPGA作為協(xié)處理器，可以根據(jù)任務(wù)需求對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，利用FPGA高速并行處理能力和實(shí)時(shí)流水線運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)濾波、圖像處理、邊緣提取、膨脹腐蝕等算法，并可以對(duì)DSP的輸出信息進(jìn)行二次處理，完成字符疊加、圖像拼接、格式轉(zhuǎn)換等功能。信號(hào)處理板組成框圖如圖5所示。

綜合控制板主要替代傳統(tǒng)車(chē)載平臺(tái)通信控制電子箱，將各種常用外部控制總線集成，并通過(guò)箱內(nèi)Rapid IO和以太網(wǎng)總線與其他功能板卡通信，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。

綜合控制板采用DSP+ZYNQ的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制功能，選擇TI現(xiàn)有的C28346高性能浮點(diǎn)微控制器。C28346提供高達(dá)300 MHz的浮點(diǎn)性能，并具有高達(dá)516 KB的片上RAM。C28346基于C28xTM內(nèi)核，這使得它與所有C28x微控制器的代碼兼容，便于縮短程序開(kāi)發(fā)周期。C28346的片上外設(shè)和低延遲內(nèi)核能夠完成對(duì)性能要求極高的實(shí)時(shí)控制，對(duì)提高車(chē)載綜合信息處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性有很大幫助。FPGA用于實(shí)現(xiàn)板卡接口擴(kuò)展、接口管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能，并可以通過(guò)ZYNQ內(nèi)部集成的ARM處理器實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。板載多片DSP和FPGA，可以最大限度集成控制模塊，實(shí)現(xiàn)體積、重量、功耗的大幅減小，并且更加模塊化，方便根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行擴(kuò)展。綜合控制板組成框圖如圖6所示。

圖6 綜合控制板組成框圖

接口板為定制產(chǎn)品，根據(jù)不同的任務(wù)需求設(shè)計(jì)不同的硬件平臺(tái)。車(chē)載綜合信息處理系統(tǒng)主要考慮兼容目前常用的車(chē)載控制總線，如CAN、1553B、422、485以及常用的高速數(shù)據(jù)總線，如萬(wàn)兆光纖、Cameralink等。接口板收到外部信息后可以通過(guò)板上處理器對(duì)外部總線協(xié)議重新打包，根據(jù)原有總線協(xié)議將數(shù)據(jù)幀的幀頭幀尾以及數(shù)據(jù)內(nèi)容全部封裝，再根據(jù)內(nèi)部傳輸通道選擇按照Rapid IO總線或千兆以太網(wǎng)總線進(jìn)行箱內(nèi)傳輸，箱內(nèi)板卡對(duì)外發(fā)送時(shí)則反向操作。該方式可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外信息透?jìng)?，能夠快速?shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有裝備的升級(jí)改造，避免因?yàn)閭鬏旀溌犯亩斐傻南到y(tǒng)通信協(xié)議改動(dòng)以及各子系統(tǒng)應(yīng)用程序改動(dòng)。

5 結(jié)果與分析

車(chē)載綜合信息處理系統(tǒng)通過(guò)長(zhǎng)達(dá)4 000公里跑車(chē)試驗(yàn)，車(chē)輛到位展開(kāi)后VPX加固機(jī)箱各連接器及內(nèi)部所有板卡均未出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，系統(tǒng)上電工作正常。隨后在高溫高寒地區(qū)進(jìn)行8個(gè)月的測(cè)試試驗(yàn)工作，其中包括系統(tǒng)功能測(cè)試、高低溫測(cè)試、24小時(shí)拷機(jī)測(cè)試、電磁兼容性測(cè)試等。

系統(tǒng)功能測(cè)試采用數(shù)據(jù)量分別為60 MB/s、120 MB/s、180 MB/s、240 MB/s的圖像數(shù)據(jù)對(duì)Rapid IO總線帶寬和信號(hào)處理板處理能力進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)測(cè)試，Rapid IO總線在240 MB/s數(shù)據(jù)量下采用DMA方式能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送失敗或丟包等故障。在一般算法復(fù)雜度情況下，單個(gè)信號(hào)處理板可對(duì)240 MB/s的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)搜索、識(shí)別、跟蹤等功能。算法復(fù)雜度增加時(shí)可采用多個(gè)信號(hào)處理板協(xié)同工作，系統(tǒng)信號(hào)處理能力可根據(jù)實(shí)際需求靈活配置。

高低溫試驗(yàn)和拷機(jī)試驗(yàn)通過(guò)IPMC健康管理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和記錄，分別在40度、-25度環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)功能驗(yàn)證，通過(guò)IPMC周期讀取并記錄箱內(nèi)各功能板卡電壓、電流、溫度等信息。經(jīng)過(guò)測(cè)試高溫下未出現(xiàn)板卡過(guò)熱、死機(jī)、重啟等故障，低溫下未出現(xiàn)電壓異常，無(wú)法啟動(dòng)等故障?？綑C(jī)過(guò)程中隨機(jī)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，未出現(xiàn)無(wú)響應(yīng)，不工作等異常狀況。

電磁兼容性按照國(guó)軍標(biāo)設(shè)計(jì)，通風(fēng)口處采用波導(dǎo)網(wǎng)，機(jī)箱蓋板采用導(dǎo)電密封膠條，電源進(jìn)行濾波等相關(guān)處理。系統(tǒng)在車(chē)載發(fā)電機(jī)工作，雷達(dá)無(wú)線電系統(tǒng)滿功率輸出，伺服機(jī)構(gòu)大角度調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)均未受到干擾，工作一切正常，電磁兼容性良好。

經(jīng)測(cè)試，綜合信息處理系統(tǒng)功能正常、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)載綜合信息處理系統(tǒng)處理能力強(qiáng)、總線帶寬高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、整體抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好、便于維護(hù)擴(kuò)展，適合于各種復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景。目前基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的信息處理系統(tǒng)已在機(jī)載、艦載平臺(tái)廣泛應(yīng)用，隨著陸軍武器裝備朝著信息化、小型化、高機(jī)動(dòng)化方向發(fā)展，基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)載綜合信息處理系統(tǒng)必將在更廣闊的領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。