何源潔 田雨

摘要：數(shù)據(jù)鏈終端是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的重要組成部分。VPX總線是一種能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境的全新的總線標(biāo)準(zhǔn)。在分析了數(shù)據(jù)鏈綜合發(fā)展需求的基礎(chǔ)上，提出了一種基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的多模數(shù)據(jù)鏈終端架構(gòu)，并開展了總線架構(gòu)、硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)、通用功能模塊架構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計和分析，為多模式數(shù)據(jù)鏈終端的集成化、通用化、模塊化、低功耗提供了一種全新的解決思路。

關(guān)鍵詞：VPX；多模數(shù)據(jù)鏈終端；星形交換

中圖分類號：TN919文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2021）16-56-4

0引言

數(shù)據(jù)鏈終端是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通信介質(zhì)的物理形態(tài)[1]。由于數(shù)據(jù)鏈種類繁多、通信體制各式各樣，單一體制的數(shù)據(jù)鏈終端已經(jīng)無法滿足數(shù)據(jù)鏈綜合發(fā)展的需求。本文提出了一種基于VPX架構(gòu)的多模數(shù)據(jù)鏈終端，將VPX總線標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)引入數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)計中，實現(xiàn)了多種通信體制、多種通信協(xié)議，以及多個通信頻段的一體化、通用化設(shè)計。從分析VPX標(biāo)準(zhǔn)入手，提出了多模數(shù)據(jù)鏈終端的VPX總線架構(gòu)，開展了硬件及軟件架構(gòu)設(shè)計，并詳細(xì)設(shè)計了機(jī)箱背板和通用功能模塊。

1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

由于涉及保密因素，在國內(nèi)外文獻(xiàn)中很難查到采用VPX架構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈終端的相關(guān)報道和具體技術(shù)指標(biāo)。為了解決國際貿(mào)易協(xié)會（VME）總線帶寬和功耗受限的問題，美國VITA組織在2004年對VME總線進(jìn)行了修訂，并在2007年發(fā)布了全新的VPX標(biāo)準(zhǔn)。此后又在該標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)布了機(jī)械加固型的VPX標(biāo)準(zhǔn)，即VITA48標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)很好地解決了結(jié)構(gòu)散熱問題，能夠滿足惡劣環(huán)境下超帶寬信號處理的需求，也能滿足軍工系統(tǒng)的嚴(yán)酷需求。目前，美軍已經(jīng)在F-16戰(zhàn)機(jī)、預(yù)警機(jī)的雷達(dá)系統(tǒng)上采用了VPX標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，VPX標(biāo)準(zhǔn)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，對產(chǎn)品的通用化設(shè)計表現(xiàn)出了優(yōu)越性。

國內(nèi)基于VPX總線架構(gòu)的雷達(dá)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域在近幾年有一些發(fā)展[2]，但在數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域的應(yīng)用極為少見，尤其是在數(shù)據(jù)鏈終端方面才剛剛起步，且大部分還處于測試和試驗階段，還未形成成熟的產(chǎn)品。目前，國內(nèi)很多數(shù)據(jù)鏈終端都還是基于分體式獨(dú)立功能模塊方式在發(fā)展[3]，采用標(biāo)準(zhǔn)VPX總線技術(shù)的多模數(shù)據(jù)鏈終端產(chǎn)品還未見有報道，嚴(yán)重制約了我國數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

2 VPX標(biāo)準(zhǔn)

VPX標(biāo)準(zhǔn)是VITA組織于2007年公開發(fā)布的新一代高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)[4]，即ANSI/VITA46標(biāo)準(zhǔn)。2010年VITA組織發(fā)布了Open VPX標(biāo)準(zhǔn)，隨后又發(fā)布了模塊機(jī)械加固型的VPX標(biāo)準(zhǔn)，即VITA48標(biāo)準(zhǔn)。

ANSI/VITA46標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范繼承和延續(xù)VME總線的諸多優(yōu)點(diǎn)，對VPX總線的基本規(guī)范、總線信號、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面做出了全面的定義。VITA46標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了模塊結(jié)構(gòu)尺寸采用3U和6U兩種；連接器采用了Multigig RT連接器，并明確了連接器定位螺栓的位置、角度等；總線采用Serial RapidIO，PCI Express，10 Gbp/s以太網(wǎng)等高速串行總線，對系統(tǒng)的電源供電能力進(jìn)行了提升，能夠提供近千瓦的供電能力；規(guī)范了空氣散熱、金屬傳導(dǎo)散熱和液體散熱3種散熱方式[5]。

VITA48標(biāo)準(zhǔn)是一種VPX模塊機(jī)械加固型的協(xié)議族規(guī)范[6]，對模塊的散熱和結(jié)構(gòu)加固等方面進(jìn)行了重新定義，以滿足航空、航天、軍事等領(lǐng)域惡劣嚴(yán)酷的使用環(huán)境[7]，該標(biāo)準(zhǔn)也被稱為VPX REDI規(guī)范。

VPX總線標(biāo)準(zhǔn)擁有如下突出特點(diǎn)：①具有超強(qiáng)的輸入輸出能力、強(qiáng)大的交換能力，同時其背板帶寬非常寬，能很好地滿足多種通信信號處理對帶寬和處理能力的需求。②VPX板卡（模塊）的尺寸以及背板的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等均采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，利于數(shù)據(jù)鏈終端的通用化、模塊化[4]。③VPX架構(gòu)的數(shù)據(jù)鏈終端采用加固結(jié)構(gòu)規(guī)范，具有良好的散熱系統(tǒng)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)超大的功率設(shè)計，具有非常好的穩(wěn)定性和可靠性。這些突出的優(yōu)點(diǎn)都能滿足多模數(shù)據(jù)鏈終端的高可靠使用要求。

3多模數(shù)據(jù)鏈終端架構(gòu)設(shè)計

多模數(shù)據(jù)鏈終端不但要求能進(jìn)行視距通信，而且能實現(xiàn)組網(wǎng)通信，還能利用不同的中繼平臺實現(xiàn)多種手段的數(shù)據(jù)中繼通信。因此，要求多模數(shù)據(jù)鏈終端具有開放性、擴(kuò)展性、高可靠的系統(tǒng)架構(gòu)。下面分別描述基于VPX標(biāo)準(zhǔn)的多模數(shù)據(jù)鏈終端總線架構(gòu)、硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)、背板設(shè)計、通用功能模塊設(shè)計。

3.1總線架構(gòu)設(shè)計

為了滿足多模數(shù)據(jù)鏈終端多速率交換的需求，減少數(shù)據(jù)鏈終端的種類、體積、重量和功耗，提出采用一種基于OPEN VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端系統(tǒng)開放式總線架構(gòu)。多模數(shù)據(jù)鏈終端總線采用星型互聯(lián)架構(gòu)，分為高速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)、中速數(shù)據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)和低速健康狀態(tài)管理網(wǎng)絡(luò)。多模數(shù)據(jù)鏈終端與外部設(shè)備互連的總線包括：1553B總線、LVDS及以太網(wǎng)等總線。

采用基于中心交換的高速總線結(jié)構(gòu)，總線架構(gòu)如圖1所示。多模數(shù)據(jù)鏈終端機(jī)箱內(nèi)部RapidIO高速總線以接口及交換模塊為中心，構(gòu)成星型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，RapidIO總線主要用于高速傳輸各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、采樣數(shù)據(jù)及軟件升級數(shù)據(jù)等，最高支持6.25 Gbps的數(shù)據(jù)交換。

控制管理總線采用CAN總線，用于傳輸機(jī)箱內(nèi)部的各種參數(shù)控制和功能模塊回報信息，CAN總線采用主從模式，主控節(jié)點(diǎn)工作在主模式，從節(jié)點(diǎn)工作在從模式，主控節(jié)點(diǎn)采用廣播和查詢方式與從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，控制管理總線架構(gòu)如圖2所示，內(nèi)部CAN總線不對外開放，保證總線的可靠性，最大通信速率為1 Mbps。

I2C總線是內(nèi)部健康狀態(tài)管理總線，可對處理機(jī)內(nèi)部的每個模塊進(jìn)行各種工作狀態(tài)在線測試，I2C總線是獨(dú)立供電的總線，采用雙總線熱備份方式，保證狀態(tài)監(jiān)控和管理的可靠性，健康狀態(tài)管理總線架構(gòu)如圖3所示。I2C總線傳輸速率設(shè)計為400 kbps，用于對多模數(shù)據(jù)鏈終端內(nèi)部各個模塊的工作電壓、溫度、軟件加載運(yùn)行狀態(tài)及功能模塊運(yùn)行狀態(tài)等全面檢測。其中接口及交換模塊作為I2C的主控設(shè)備，其他模塊作為I2C從控設(shè)備對I2C總線進(jìn)行管理。

除上述主要總線外，為增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，同時采用LVDS總線和千兆以太網(wǎng)作為高速交換的備份手段，用RS485作為控制和狀態(tài)管理總線的備份。

3.2硬件架構(gòu)及背板設(shè)計

為了實現(xiàn)設(shè)備的小型化、輕量化，多模數(shù)據(jù)鏈終端的硬件架構(gòu)采用VITA48.2標(biāo)準(zhǔn)，將接口、數(shù)據(jù)交換、管理功能集成在一個硬件板卡中，電源轉(zhuǎn)換為單獨(dú)板卡。多模數(shù)據(jù)鏈終端的硬件架構(gòu)如圖4所示。硬件架構(gòu)以接口及交換管理為數(shù)據(jù)交換中心，其他模塊單元均是通用模塊單元，通過內(nèi)部總線與接口及交換管理模塊單元進(jìn)行連接，硬件接口上完全兼容，單獨(dú)的電源模塊為各個模塊提供電源。

多模數(shù)據(jù)鏈終端機(jī)箱背板架構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)的總線架構(gòu)采用高速互聯(lián)背板，以接口及交換管理模塊作為中心，各個模塊插卡位置等同，可以進(jìn)行互換。機(jī)箱背板架構(gòu)如圖5所示，接口及交換管理模塊位置采用標(biāo)準(zhǔn)的VPX接插件，通用模塊板卡的硬件定義完全一致，采用數(shù)?；煅b的VPX接插件。

3.3軟件架構(gòu)

多模數(shù)據(jù)鏈終端軟件架構(gòu)參考SCA的核心系統(tǒng)軟件架構(gòu)對系統(tǒng)的軟件架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，系統(tǒng)軟件架構(gòu)分成硬件支撐層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用層3層。將應(yīng)用軟件與底層的物理硬件資源進(jìn)行隔離，中間通過硬件驅(qū)動程序和應(yīng)用接口管理軟件將應(yīng)用軟件與硬件資源進(jìn)行連接，多模數(shù)據(jù)鏈終端系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖6所示。

嵌入式操作系統(tǒng)采用開源的Linux操作系統(tǒng)。在嵌入式操作系統(tǒng)上將底層硬件運(yùn)算和接口資源（如FFT、異步串口、QSPI接口、SRIO等）封裝成應(yīng)用函數(shù)，提供給上層的應(yīng)用軟件進(jìn)行調(diào)用。上層應(yīng)用軟件通過基礎(chǔ)應(yīng)用函數(shù)的組合實現(xiàn)不同模式的數(shù)據(jù)鏈通信鏈路功能。

3.4通用功能模塊架構(gòu)

基于VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端包含數(shù)據(jù)處理模塊（DPM）、信號處理模塊（SPM）、射頻處理模塊（RFPM）3類3U尺寸的標(biāo)準(zhǔn)通用功能模塊。

DPM采用FPGA加ARM處理器的架構(gòu)，內(nèi)部采用PCI-E總線將各種接口和存儲器連接，DPM架構(gòu)如圖7所示。DPM主要用于完成數(shù)據(jù)處理、內(nèi)外部數(shù)據(jù)交換、內(nèi)部各個通用模塊的數(shù)據(jù)交換、通用模塊的狀態(tài)及資源管理等。

SPM支持多種數(shù)字調(diào)制解調(diào)體制，如BPSK，QPSK，MSK，2CPFSK，OFDM等，支持多種信息傳輸速率，能夠?qū)崿F(xiàn)同一硬件設(shè)備完成不同信號處理功能。SPM根據(jù)不同通信模式的傳輸信號特點(diǎn)和信號處理的要求，通過動態(tài)重載的方式使系統(tǒng)具備相應(yīng)的通信協(xié)議和功能。SPM采用FPGA，ZYNQ（ARM），DAC，ADC組合的架構(gòu)，ZYNQ處理器作為核心的處理和管理芯片，F(xiàn)PGA作為協(xié)處理芯片，為模塊提供強(qiáng)大的并行計算能力；監(jiān)測ARM處理器作為模塊系統(tǒng)的第三方監(jiān)測芯片單獨(dú)供電，對模塊其他芯片的運(yùn)行狀態(tài)和整個模塊的功能狀態(tài)進(jìn)行采集，SPM架構(gòu)如圖8所示。

數(shù)據(jù)處理模塊均實現(xiàn)射頻和數(shù)字化集成，可在線配置參數(shù)的開放式接口，具有動態(tài)配置FPGA和DSP運(yùn)行參數(shù)的功能。在有限的空間內(nèi)，依靠目前的FPGA和高速DSP器件，采用并行處理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)所需的高運(yùn)算能力。

RFPM具有通用可配置接口，具備寬帶變頻功能，采用DSP作為核心處理器。RFPM具有高速SRIO接口，既可完成中頻信號的采樣輸出，又可以實現(xiàn)模擬中頻信號的輸出，RFPM架構(gòu)如圖9所示。

4結(jié)束語

OPEN VPX標(biāo)準(zhǔn)能夠工作在惡劣的環(huán)境條件下，給種類繁多的數(shù)據(jù)處理提供各種接口，具有開放式的架構(gòu)，并提供可靠的操作，非常適合多模數(shù)據(jù)鏈終端的應(yīng)用場景。通過對基于VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端架構(gòu)的設(shè)計和分析可知，采用VPX架構(gòu)能實現(xiàn)多模通信模式數(shù)據(jù)鏈終端的硬件通用化、功能軟件化。多模數(shù)據(jù)鏈終端采用VPX標(biāo)準(zhǔn)不僅提升了系統(tǒng)的性能和可靠性，具有很強(qiáng)的時效性，而且也易于擴(kuò)展升級，具備了前瞻性，為數(shù)據(jù)鏈終端的綜合化、通用化、模塊化、低功耗提供了一種新的解決思路。

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