(上海航天電子有限公司，上海 201800)

0 引言

飛行器在飛行過程中往往會產生大量遙測數(shù)據(jù)，地面測控站在接收、保存這些原始遙測數(shù)據(jù)的同時會有針對性的將其中某些重要遙測數(shù)據(jù)(如姿態(tài)信息、油量信息、位置信息、溫度信息等)提取出來，并進行實時處理，顯示在終端上。這些信息反映了飛行器當前的工作狀態(tài)、飛行軌跡等重要信息，對于操作者的分析、決策有重要的參考價值。為了將原始遙測數(shù)據(jù)中的指定遙測數(shù)據(jù)提取出來，地面測控站需要對這些原始遙測數(shù)據(jù)進行挑路處理，將實時采集到的原始遙測數(shù)據(jù)根據(jù)實際需求選取部分進行分析、計算并將處理結果發(fā)送給擔負不同任務的終端，由這些終端再做進一步處理。因此遙測數(shù)據(jù)挑路功能設計的好壞將直接影響地面測控站的性能。

一般情況下，對于實時遙測數(shù)據(jù)的挑路處理往往采用FPGA+ARM或FPGA+DSP的方式，F(xiàn)PGA主要負責接口轉換、遙測幀搜索、組幀等操作，ARM或DSP主要負責復雜數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)控制。但這種實現(xiàn)方案的集成度不高，不利于設備的小型化。因此，本文提出了一種基于MicroBlaze的測控終端實時數(shù)據(jù)處理模塊(以下簡稱挑路模塊)，將遙測數(shù)據(jù)的挑路及遙測數(shù)據(jù)計算功能全部集成到FPGA中實現(xiàn)，同時也提供了挑路功能的在線升級能力。這樣設計不僅提高了系統(tǒng)的集成度及設計靈活度，同時也降低了產品的硬件成本。

1 遙測數(shù)據(jù)挑路原理

該設計應用于某飛行器配套的地面測控終端設備上。地面測控終端實時接收來自飛行器測控應答機的遙測數(shù)據(jù)，并對接收到的遙測數(shù)據(jù)進行挑路操作，將有用數(shù)據(jù)挑出、計算，最后將得到的數(shù)據(jù)重新打包發(fā)送給終端計算機。

飛行器發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)是以幀為單位的脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation，PCM)碼流[1-2]，每一幀遙測數(shù)據(jù)分為不同的副幀，各個副幀包含有來自不同傳感器的飛行器狀態(tài)參數(shù)，比如氣壓、電壓、油面、功率、圖像、GPS信息、1553B數(shù)據(jù)幀等遙測信息。挑路模塊的主要功能就是將某些重要的遙測數(shù)據(jù)從以上原始遙測數(shù)據(jù)中挑選出來并進行計算，最后將計算結果重新打包發(fā)送給終端計算機[3]。

為了方便描述，完整的遙測數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)結構如圖1所示。

圖1 完整遙測數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)結構示意圖

從整體看，遙測數(shù)據(jù)幀是一個m列、n行組成的二維數(shù)據(jù)結構，遙測數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)是按照逐行順序傳輸?shù)?，其中每一行為一個遙測子幀，遙測子幀分為幀頭、不同數(shù)據(jù)域的遙測數(shù)據(jù)及校驗和。遙測子幀的長度為mByte，整個遙測全幀則由n個遙測子幀構成。遙測數(shù)據(jù)幀每一列為一個波道，波道用于存放相同類型的數(shù)據(jù)。如果某些遙測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，該遙測數(shù)據(jù)就會分散存放在遙測子幀中若干個波道的數(shù)據(jù)域以及相鄰多個遙測子幀的對應的波道數(shù)據(jù)域中。

以1553B[4]數(shù)據(jù)挑路過程為例。1553B數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)是離散存放在遙測數(shù)據(jù)幀中的1553B數(shù)據(jù)域中。因為1553B數(shù)據(jù)幀是由多個字節(jié)構成，一個遙測子幀只能存放1553B數(shù)據(jù)幀的部分數(shù)據(jù)，因此一個完整的1553B數(shù)據(jù)幀可能存放在相鄰的多個遙測子幀中。而且由于1553B數(shù)據(jù)不是每一時刻都有，因此有時候遙測數(shù)據(jù)幀并不包含1553B數(shù)據(jù)，即使出現(xiàn)1553B數(shù)據(jù)，其1553B數(shù)據(jù)幀的幀頭在遙測數(shù)據(jù)幀中的相對位置也是不固定的，且1553B數(shù)據(jù)幀的長度也并不固定，這就給1553B數(shù)據(jù)幀的搜索帶來了困難。

在處理1553B數(shù)據(jù)時就需要先進行挑路處理，將各個遙測子幀中的1553B數(shù)據(jù)域中的數(shù)據(jù)提取出來，存放在一個二維數(shù)據(jù)結構中，如圖2左所示。其中該表的列數(shù)x是遙測子幀中1553B數(shù)據(jù)域的個數(shù)，行數(shù)為遙測子幀的個數(shù)。然后再從該二維數(shù)組中搜索1553B數(shù)據(jù)幀的幀頭用以確定1553B數(shù)據(jù)包起始位置，并將完整的1553B數(shù)據(jù)幀提取出來，如圖2右所示。最后將1553B有效數(shù)據(jù)提取出來并進行計算、打包、發(fā)送。

圖2 挑路處理后的1553B數(shù)據(jù)幀結構

挑路處理模塊有時也需要對某些遙測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)類型轉換或浮點計算。涉及到的數(shù)據(jù)類型可能包含無符號整數(shù)、有符號整數(shù)、定點數(shù)、浮點數(shù)。比如，傳感器數(shù)據(jù)一般為偏移碼或補碼，而傳感器所測量的物理量一般為定點數(shù)或者浮點數(shù)。因此在某些情況下，挑路模塊在將挑路后的遙測數(shù)據(jù)重新打包發(fā)送給終端計算機前，需要將某些遙測數(shù)據(jù)進行浮點運算。

由以上分析可知，使用FPGA實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)挑路及遙測數(shù)據(jù)處理存在以下的難點：

1)遙測數(shù)據(jù)幀結構比較復雜，且?guī)瑑饶承┻b測數(shù)據(jù)的位置及長度并不固定，這就給遙測數(shù)據(jù)的挑路帶來了困難。如果使用傳統(tǒng)的HDL代碼方式實現(xiàn)，其實現(xiàn)難度及調試難度均較大。比如使用FPGA實現(xiàn)諸如1553B類型的遙測數(shù)據(jù)挑路，其狀態(tài)描述及控制將會變得非常復雜，給實現(xiàn)及調試帶來了較大困難。

2)雖然使用FPGA可以進行浮點運算，但實現(xiàn)難度較大，且非常耗費FPGA邏輯資源。

針對以上問題，本文提出了以MicroBlaze[5-6]為核心的挑路模塊設計方案，用于解決FPGA在實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)挑路及浮點運算方面遇到的困難，同時引入了動態(tài)部分重配置(dynamic partial reconfiguration，簡稱DPR)技術[7]使挑路模塊具備在線重配置能力。

該挑路模塊具備以下的特點：

1)利用FPGA嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)挑路及浮點運算，無需外部DSP或ARM支持，系統(tǒng)集成度高。利用嵌入式系統(tǒng)配置靈活、調試難度低的特點可以完美解決在挑路處理過程中遇到的數(shù)據(jù)挑路困難、浮點運算資源占用大等問題。通過嵌入式軟件方式實現(xiàn)。這樣不僅降低了實現(xiàn)難度，也提高了開發(fā)效率。

2)支持遙測數(shù)據(jù)處理功能的在線重配置。利用DPR技術，可以針對不同的遙測數(shù)據(jù)在線下載相應的遙測幀處理模塊，從而提高了地面測控站的適應性。

2 基于MicroBlaze的挑路模塊設計

2.1 挑路模塊設計方案

該設計相關項目要求挑路模塊應該具備以下的功能、性能指標：

1)能夠對最大為96Byte(行)*96Byte(列)的實時遙測數(shù)據(jù)幀進行挑路處理，并能夠對幀內指定遙測參數(shù)進行浮點運算。

2)能夠將挑路后的結果重新打包組幀，并發(fā)送給終端計算機。

3)挑路模塊能夠處理20幀/秒以上的實時遙測數(shù)據(jù)幀。

4)能夠根據(jù)需要在線更改挑路策略。

為了實現(xiàn)以上功能，該挑路模塊的原理框圖如圖3所示。根據(jù)遙測數(shù)據(jù)處理方式的不同，該模塊主要分為兩個子模塊：遙測數(shù)據(jù)預處理模塊、遙測數(shù)據(jù)處理模塊。

圖3 挑路模塊原理框圖

其中遙測數(shù)據(jù)預處理模塊使用HDL代碼實現(xiàn)，具體功能包括：

5)將接收到串行PCM碼流轉換為并行數(shù)據(jù)。

6)完成原始遙測數(shù)據(jù)的預處理。對于并不復雜的遙測數(shù)據(jù)挑路，遙測數(shù)據(jù)預處理模塊會直接將挑路后的遙測數(shù)據(jù)組幀，并發(fā)送給目標終端，而對于復雜的遙測數(shù)據(jù)挑路或需要浮點運算的遙測數(shù)據(jù)，遙測數(shù)據(jù)預處理模塊會將預處理后的遙測數(shù)據(jù)發(fā)送給后端的遙測數(shù)據(jù)處理模塊做進一步處理。

7)將重新組幀后的遙測數(shù)據(jù)幀轉換為AXI Stream總線數(shù)據(jù)流發(fā)送給遙測數(shù)據(jù)處理模塊。

8)接收從MicroBlaze通過AXI Stream總線發(fā)送過來的重新組幀后的遙測數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)轉換為串行PCM碼流發(fā)送給主控計算機。

同時，該模塊使用了Xilinx的DPR技術，利用該技術可以實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)預處理模塊的在線重配置功能，可以在不影響FPGA其他功能模塊正常運行的情況下在線配置遙測數(shù)據(jù)預處理模塊，從而實現(xiàn)不同的遙測數(shù)據(jù)處理功能，這樣可以有效提高遙測數(shù)據(jù)處理的靈活性。為了實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)預處理模塊的DPR功能，在設計前期需將FPGA指定區(qū)域劃分給遙測數(shù)據(jù)預處理模塊作為DPR區(qū)域，同時在嵌入式系統(tǒng)中集成硬件內部配置訪問接口[8](hardware internal configuration access port，簡稱HWICAP)，以便實現(xiàn)MicroBlaze對DPR區(qū)域的配置。

遙測數(shù)據(jù)處理模塊的具體功能包括：

1)對遙測數(shù)據(jù)預處理模塊通過AXI Stream總線發(fā)送過來的遙測數(shù)據(jù)做進一步處理，如對位置及長度不固定的遙測數(shù)據(jù)進行挑路。

2)對需要浮點運算處理的遙測數(shù)據(jù)進行浮點計算。

3)將挑路后或者浮點運算后的遙測數(shù)據(jù)重新組幀并通過AXI Stream總線發(fā)送給遙測數(shù)據(jù)預處理模塊。

遙測數(shù)據(jù)處理模塊使用了以MicroBlaze為核心的FPGA嵌入式系統(tǒng)進行復雜挑路操作及浮點運算。MicroBlaze是一款32位精簡指令集軟處理器核。該處理器在150 MHz時鐘下可提供125D-MIPS的性能，非常適合于價格敏感的網(wǎng)絡、電信、數(shù)據(jù)通信和消費市場等領域的嵌入式應用。該嵌入式系統(tǒng)的本地總線主要采用了AXI(Advanced eXtensible Interface)總線[9]。AXI是ARM公司提出的一種高性能、高帶寬、低延遲的片內總線，遙測數(shù)據(jù)處理模塊中的各個模塊均是通過AXI總線與處理器進行連接的。MicroBlaze提供了若干的AXI Stream接口與外部數(shù)據(jù)源連接，外部遙測數(shù)據(jù)可以通過該接口直接被MicroBlaze讀取并處理，為遙測數(shù)據(jù)的高效處理提供了條件。為了解決跨時鐘域的問題，該設計使用了一個雙端口異步FIFO(AXIS_FIFO[8])連接遙測數(shù)據(jù)源與MicroBlaze。遙測數(shù)據(jù)通過AXIS_FIFO被MicroBlaze直接讀取并進行處理。

同時，遙測數(shù)據(jù)處理模塊的嵌入式系統(tǒng)也包含有一系列其它IP核以保證系統(tǒng)的正常運行。如SPI模塊用于MicroBlaze訪問外部配置Flash，以便保存重要參數(shù)；Timer模塊用于遙測數(shù)據(jù)接收超時處理；Block Memory用于存儲MicroBlaze本地運行程序；UART模塊用于調試數(shù)據(jù)輸出以及DPR數(shù)據(jù)傳輸；HWICAP模塊用于DPR功能。

2.2 挑路模塊嵌入式軟件設計

遙測數(shù)據(jù)處理模塊中嵌入式軟件的遙測數(shù)據(jù)挑路處理流程如圖4所示。

圖4 遙測數(shù)據(jù)挑路軟件處理流程

大致步驟如下：

1)挑路模塊的初始化。包括接收/發(fā)送緩沖區(qū)、定時器、關鍵變量的初始化。

2)MicroBlaze不斷訪問接收AXIS_FIFO，將其中的有效數(shù)據(jù)存入遙測數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行緩存，如果接收到的數(shù)據(jù)為遙測數(shù)據(jù)的幀頭，則MicroBlaze啟動計時器進行計時，并繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。

3)在接收到遙測數(shù)據(jù)幀頭后，如果在計時器計時周期內未接收到完整遙測數(shù)據(jù)，則MicroBlaze初始化挑路模塊，重新接收數(shù)據(jù)；如果在計時器計時周期內接收到了完整的遙測數(shù)據(jù)，則進行下一步處理。

4)在接收到完整的遙測數(shù)據(jù)后，MicroBlaze會對存儲在遙測數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的遙測數(shù)據(jù)進行挑路處理，同時對需要浮點運算的遙測數(shù)據(jù)進行浮點運算，最后將處理后的遙測數(shù)據(jù)重新組幀。

5)MicroBlaze將重新組幀后的遙測數(shù)據(jù)發(fā)送給發(fā)送AXIS_FIFO，完成本次的挑路處理。

2.3 挑路模塊浮點運算設計

對于遙測數(shù)據(jù)的浮點運算，假設原始遙測數(shù)據(jù)X為1 Byte的無符號整形數(shù)，需要經過運算并轉換為單精度數(shù)據(jù)Y進行輸出，Y數(shù)據(jù)位寬為4 Byte。Y與X關系如下：Y=X*5/255。

如果使用HDL代碼實現(xiàn)，則需要將X先轉換為浮點數(shù)，然后使用浮點運算IP進行浮點運算。以上幾種操作的FPGA資源占用情況如表1所示(以Xilinx的Artix7系列FPGA作為硬件平臺)。

表1 HDL實現(xiàn)浮點運算資源占用情況

需要注意的是，這僅僅是基于以上簡單的浮點運算為例的情況，而對于一些更為復雜的浮點運算，其FPGA資源占用將大大增加?？梢钥闯觯贔PGA上使用HDL的方式實現(xiàn)浮點運算，過大的邏輯資源占用情況很難解決，因此需要使用其他的方式實現(xiàn)。

而MicroBlaze不僅支持IEEE754標準的浮點數(shù)據(jù)運算，同時也支持浮點運算單元(Floating Point Unit，F(xiàn)PU)，可以在很大程度上縮短浮點運算時間，這就為FPGA的浮點數(shù)據(jù)處理提供了更加靈活的實現(xiàn)方式。

2.4 遙測數(shù)據(jù)預處理模塊DPR功能設計

為了實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)預處理模塊的DPR功能，需要按照如圖5所示的流程進行設計。

具體步驟如下：

1)在FPGA前期設計階段，為遙測數(shù)據(jù)預處理模塊劃分出一塊獨立的區(qū)域用于存放模塊的邏輯資源，且該區(qū)域所包含的FPGA邏輯資源應該足夠挑路模塊使用。

2)遙測數(shù)據(jù)預處理模塊的DPR區(qū)域劃分完成后，需要對相應的FPGA工程進行編譯、綜合，最后生成DPR比特流文件。在此步驟可以根據(jù)不同需求，設計實現(xiàn)不同功能的挑路DPR模塊，以備后續(xù)階段使用。

3)該設計中使用了RS232串口作為DPR數(shù)據(jù)的輸入接口。在工作過程中MicroBlaze會不斷訪問串口，一旦接收到DPR比特流數(shù)據(jù)，MicroBlaze會將這些DPR數(shù)據(jù)寫入HWICAP模塊，直到DPR比特流文件傳輸完成。

4)一旦DPR比特流文件傳輸完成，HWICAP會自動復位DPR模塊，同時MicroBlaze會根據(jù)DPR模塊的特征字選取預存的挑路程序進行匹配。

3 實驗結果與分析

實際測試中，該設計的FPGA采用了Xilinx公司的XC7A200T，F(xiàn)PGA開發(fā)環(huán)境使用VIVADO，而嵌入式軟件開發(fā)平臺使用了Xilinx SDK[10]。MicroBlaze工作時鐘為100MHz，且配備有硬件FPU和專用乘法器，PCM碼流時鐘為40 MHz。

該設計的FPGA資源占用情況如表2所示，其中包含了完整的挑路模塊?？梢钥闯觯撛O計的FPGA資源占用率是非常低的。

表2中使用的5個DSP Slice是用于實現(xiàn)MicroBlaze的FPU及乘法運算單元。同時，MicroBlaze使用了2塊BRAM作為程序存儲器，容量為8 kByte。當需要更大容量的程序存儲器時，也可以使用更多的BRAM作為程序存儲器?？梢钥闯?，由于該設計中大部分的遙測數(shù)據(jù)挑路處理是由嵌入式軟件實現(xiàn)的，因此如果需要實現(xiàn)更復雜的遙測數(shù)據(jù)挑路處理，也僅僅需要增加BRAM，為嵌入式程序提供更大的存儲空間，而基本不會占用其他的FPGA資源。

與表1中HDL實現(xiàn)的浮點運算所占用FPGA資源進行對照，使用嵌入式系統(tǒng)進行浮點運算在FPGA資源占用率上具有更大的優(yōu)勢。

經過硬件測試，采用MicroBlaze的挑路模塊可以完成實時遙測數(shù)據(jù)幀的挑路處理，且該模塊最快可以處理每秒20幀的實時遙測數(shù)據(jù)幀，能夠滿足設計需求。同時，由于復雜的遙測數(shù)據(jù)挑路處理及浮點運算均是在嵌入式軟件中完成的，其調試效率要遠高于基于HDL的硬件調試，因此具有較高的設計開發(fā)效率。同時該設計也支持通過串口在線下載遙測數(shù)據(jù)預處理模塊的DPR比特流，實現(xiàn)不同挑路功能的動態(tài)切換。

由于該設計中使用的嵌入式處理器是軟核處理器，其主頻較低，和當前主流ARM或DSP相比處理能力有限。因此如果對遙測數(shù)據(jù)的處理速度有更高的要求，可以考慮采用諸如ZYNQ等內部集成高性能ARM核的FPGA，使挑路模塊具備更強的遙測數(shù)據(jù)處理能力。

4 結束語

本文提出的基于MicroBlaze的測控終端數(shù)據(jù)處理模塊，能夠在不增加硬件成本的條件下，對復雜的遙測數(shù)據(jù)進行挑路及各種浮點運算處理。相對于FPGA+ARM(DSP)的挑路實現(xiàn)方式，這種實現(xiàn)方式具有硬件成本低、集成度高、調試方便、開發(fā)周期短等特點，非常適合于應用在價格敏感或集成度要求高的測控終端設備上，具有很好的推廣和借鑒作用[9-11]。