摘要：本文針對臨近空間探測過程中的載荷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲問題，提出了一種適用于臨近空間高空浮空器的高速、可靠、大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，主要用于處理載荷服務(wù)艙內(nèi)接收的圖像視頻和科學(xué)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用多模塊存儲方案，滿足前端信號傳輸需求，同時(shí)可以根據(jù)上位機(jī)指令實(shí)時(shí)下傳部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，支持串口通信、CameraLink相機(jī)和監(jiān)控相機(jī)數(shù)據(jù)采集，并將載荷數(shù)據(jù)存儲到固態(tài)硬盤，以滿足探測過程中的任務(wù)需求。

關(guān)鍵詞：臨近空間；數(shù)據(jù)存儲；大容量

一、引言

臨近空間通常指的是地球大氣層上部、近地外空間以及地球周圍的低軌道區(qū)域，主要包括平流層大部分、中間層和一部分增溫層區(qū)域。臨近空間縱跨非電離層和電離層，空氣稀薄，存在臭氧、紫外、輻射等特殊環(huán)境，溫度隨高度變化呈現(xiàn)出一定規(guī)律，存在重力波、行星波、大氣放電等特殊現(xiàn)象。由于其特殊的空間環(huán)境，成為人類認(rèn)知地球空間的新領(lǐng)域[1]。

盡管臨近空間的物質(zhì)交換過程復(fù)雜，但大多數(shù)區(qū)域的大氣分布相對均勻，大氣衰減相對微弱，適合進(jìn)行光電探測等相關(guān)活動(dòng)。這一領(lǐng)域涉及許多重要的科學(xué)問題，包括大氣層研究、氣候監(jiān)測、礦產(chǎn)資源勘探、農(nóng)業(yè)和林業(yè)監(jiān)測以及環(huán)境監(jiān)測等多個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域，其應(yīng)用場景和需求非常廣泛[2]。然而，由于臨近空間飛行器搭載了多種不同類型的載荷，必然產(chǎn)生大量的測試數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)具有信息量大、來源多樣、傳輸速率快、持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)。考慮到臨近空間的特殊環(huán)境和載荷數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，在飛行任務(wù)中，無法實(shí)時(shí)處理探測到的數(shù)據(jù)，只能先將其存儲起來，待返回地面后再進(jìn)行回收、分析和研究。處于臨近空間環(huán)境中的載荷對各類測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高，而采樣頻率、采樣精度和傳輸速度的提高，以及球載設(shè)備對體積和重量的限制，都為數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲帶來了一定的困難[3]。

為了解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種適用于臨近空間高空浮空器的高速、可靠、大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，用于在浮空器的載荷服務(wù)艙內(nèi)，對載荷產(chǎn)生的圖像、視頻和科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。載荷服務(wù)艙及數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)示意圖如圖1所示。根據(jù)浮空器前端信號的傳輸需求，本文提出了一種載荷數(shù)據(jù)的多模塊存儲方案。數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)由串口存儲模塊、CameraLink存儲模塊和多路網(wǎng)口存儲模塊組成，通過多路RS422接口進(jìn)行載荷數(shù)據(jù)的接收與存儲，由4路CameraLink接口進(jìn)行相機(jī)圖像的接收，并通過千兆網(wǎng)口進(jìn)行通信。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)串口通信、CameraLink相機(jī)和監(jiān)控相機(jī)的數(shù)據(jù)采集，以及將載荷數(shù)據(jù)存儲到SSD的功能。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該解決方案在應(yīng)對近地空間環(huán)境挑戰(zhàn)的同時(shí)，在大容量數(shù)據(jù)存儲方面取得顯著效果。這將為未來臨近空間浮空器的科學(xué)探測提供可靠的支持，為深入探索提供有效保障。

二、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)用于臨近空間探測載荷服務(wù)艙，在探測過程中實(shí)時(shí)存儲載荷艙內(nèi)部的各個(gè)載荷數(shù)據(jù)，并根據(jù)上位機(jī)指令實(shí)時(shí)下傳部分?jǐn)?shù)據(jù)，其主要由串口存儲模塊、CameraLink存儲模塊以及多路網(wǎng)口存儲模塊組成，系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

串口存儲模塊由FPGA實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)多路串口載荷數(shù)據(jù)的接收與存儲，并通過千兆網(wǎng)口發(fā)送給多路網(wǎng)口存儲模塊。一路RS422接口主要用于接收管理計(jì)算機(jī)的指令，完成串口載荷波特率配置[4]。CameraLink存儲模塊主要實(shí)現(xiàn)對四路CameraLink相機(jī)的圖像接收，然后將接收數(shù)據(jù)打包成千兆網(wǎng)口，并通過千兆網(wǎng)口發(fā)送至多路網(wǎng)口存儲模塊，由多路網(wǎng)口存儲模塊完成數(shù)據(jù)存儲[5]。多路網(wǎng)口存儲模塊是整個(gè)系統(tǒng)的主模塊，由嵌入式主板實(shí)現(xiàn)，主要完成與串口存儲模塊通信、對CameraLink相機(jī)和監(jiān)控相機(jī)的視頻采集，實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)到SSD的高速存儲，并根據(jù)地面管理計(jì)算機(jī)的測試指令，抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)傳系統(tǒng)。載荷測試任務(wù)結(jié)束后，通過地面導(dǎo)出軟件可將存儲在固態(tài)硬盤中的數(shù)據(jù)讀出，供測試人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

系統(tǒng)上電后，管理計(jì)算機(jī)通過RS422向控制接口發(fā)送自檢模式指令。系統(tǒng)接收自檢指令后，進(jìn)入自檢模式。自檢完成后向上位機(jī)發(fā)送自檢狀態(tài)。管理計(jì)算機(jī)發(fā)送工作模式指令并發(fā)送控制指令。多路網(wǎng)口存儲模塊監(jiān)聽各個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)并按照載荷種類進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲至固態(tài)硬盤中。多路存儲模塊根據(jù)控制指令下傳載荷數(shù)據(jù)給數(shù)傳，其中串口載荷數(shù)據(jù)需要一直下傳，監(jiān)控相機(jī)和CameraLink相機(jī)根據(jù)控制指令選擇一路或多路下傳。任務(wù)結(jié)束后，運(yùn)行地面導(dǎo)出軟件，從固態(tài)硬盤將數(shù)據(jù)讀取到用戶計(jì)算機(jī)。

三、 硬件設(shè)計(jì)

（一）串口存儲模塊

如圖3所示，串口存儲模塊由最小系統(tǒng)、RS422芯片、SD卡、網(wǎng)口芯片及電源電路組成。MAX7606主要完成串口信號的轉(zhuǎn)換，模塊由17路串口組成，其中16路串口連接被測載荷，1路串口用于與管理計(jì)算機(jī)通信?？紤]到項(xiàng)目周期和開發(fā)的便捷性，本文選擇Xilinx的ZYNC系列的XC7Z020，該芯片內(nèi)部集成了基于雙核的ARM Cortex-A9多核處理器（以下簡稱PS）和基于Xilinx可編程邏輯資源系統(tǒng)（以下簡稱PL）。將17路串口電路掛載在PL端，將千兆以太網(wǎng)接口和SD卡存儲電路掛載在PS端。PL端和PS端通過AXI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（二） CameraLink存儲模塊

CameraLink存儲模塊接口如圖4所示，其主要由4路Base模式的CameraLink輸入接口和千兆以太網(wǎng)輸出接口組成。CameraLink存儲模塊接收CameraLink圖像數(shù)據(jù)并將其打包成網(wǎng)口數(shù)據(jù)，通過千兆網(wǎng)口發(fā)送至多路網(wǎng)口存儲模塊，由掛載在多路網(wǎng)口存儲模塊上的SSD完成對圖像數(shù)據(jù)的存儲[6]。

根據(jù)接口的要求，選擇市面上成熟的CameraLink轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，支持CameraLink攝像機(jī)，其輸入為CameraLink Base接口，將圖像數(shù)據(jù)流傳輸?shù)皆撃K，圖像時(shí)鐘范圍為20～85MHz，圖像格式支持Mono、Bayer、RGB和YCbCr等常用格式，圖像深度支持8、10、12、14和16bit。輸出接口為100/1000M以太網(wǎng)接口，支持POE供電，最大功耗為2.7W，尺寸為47.6 mm x 81.5 mm x 51.0 mm，重量為0.2Kg。CL-GigE將來自CameraLink相機(jī)的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包，并通過GigE以低且可預(yù)測的延遲進(jìn)行傳輸。

（三）多路網(wǎng)口存儲模塊

多路存儲模塊由嵌入式主板機(jī)和交換機(jī)組成，原理框圖如圖5所示。整個(gè)模塊接口主要由1路串口、16路千兆以太網(wǎng)接口、SSD卡存儲接口和供電接口組成。其中，12路網(wǎng)口為輸入接口，連接網(wǎng)口監(jiān)控相機(jī)，2路網(wǎng)口為輸出接口，2路網(wǎng)口和1路串口用于與串口存儲模塊和CameraLink存儲模塊通信。1路RS422接口實(shí)現(xiàn)控制命令輸入，可接收管理計(jì)算機(jī)發(fā)送的時(shí)間信息，并將這些輔助信息添加到視頻信息中，存儲接口實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲[7]。

四、 軟件設(shè)計(jì)

串口存儲模塊嵌入式軟件運(yùn)行在FPGA中，接收串口載荷數(shù)據(jù)，并將串口載荷數(shù)據(jù)分類存入SD卡中。實(shí)時(shí)監(jiān)控接口的連接和數(shù)據(jù)狀態(tài)，查詢串口功能，解析數(shù)據(jù)的完整性，并將串口數(shù)據(jù)打包成網(wǎng)口發(fā)送給多路網(wǎng)口存儲模塊。串口存儲模塊的主要功能是接收串口載荷數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)上述功能設(shè)計(jì)的串口存儲模塊的接口圖如圖6所示。

RX1[7：0]～RX16[7：0]為串口載荷輸出數(shù)據(jù)，各路載荷數(shù)據(jù)在FIFO中完成緩存后，輸出到AXI寄存器。此模塊根據(jù)FIFO輸出的滿信號選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，若出現(xiàn)多個(gè)串口同時(shí)滿的情況，可根據(jù)串口號由低到高的順序輸出數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入AXI寄存器后，產(chǎn)生PS端讀取信號的中斷標(biāo)示INT。PS端讀取數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)向SD卡的存儲，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給網(wǎng)口進(jìn)行發(fā)送。

主控機(jī)軟件啟動(dòng)后配置各模塊工作狀態(tài)，初始化參數(shù)和緩存隊(duì)列，響應(yīng)各模塊的請求，發(fā)送看門狗信號，當(dāng)軟件異常時(shí)使系統(tǒng)復(fù)位。在數(shù)據(jù)存儲過程中，管理4TB存儲空間，存儲各類載荷數(shù)據(jù)[8]。通過網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)下傳的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)傳系統(tǒng)。因數(shù)傳系統(tǒng)為單向通道，因此，采用UDP廣播形式進(jìn)行發(fā)送[9]。軟件流程如圖7所示。

五、 地面測試

地面測試軟件能夠模擬管理計(jì)算機(jī)向數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)發(fā)送各種控制命令，接收實(shí)時(shí)下傳數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)狀態(tài)，包括存儲容量、各輸入接口狀態(tài)等，并控制監(jiān)控相機(jī)碼率、啟停存儲、下傳數(shù)據(jù)選擇。

地面測試軟件界面如圖8所示，可分為左中右三部分，左邊包含最主要的“自檢”“工作”和“待機(jī)”按鈕。點(diǎn)擊“工作”按鈕后，測試軟件通過串口向主控機(jī)管理軟件發(fā)送工作指令，主控機(jī)開始采集、保存并下傳數(shù)據(jù)。

左邊的視頻圖像顯示區(qū)域會根據(jù)下拉列表選擇顯示CameraLink相機(jī)或監(jiān)控相機(jī)的視頻。中間部分的串口設(shè)置區(qū)域可以對16路串口的波特率分別進(jìn)行配置。監(jiān)控相機(jī)設(shè)置區(qū)域可以通過選擇按鈕激活需要工作的相機(jī)。相機(jī)碼率也可以通過該區(qū)域的下拉列表統(tǒng)一修改。系統(tǒng)最多支持12臺監(jiān)控相機(jī)同時(shí)采集。傳輸狀態(tài)區(qū)域顯示了軟件運(yùn)行時(shí)各路傳輸通道的狀態(tài)，綠色代表數(shù)據(jù)傳輸中，紅色表示沒有數(shù)據(jù)傳輸。

點(diǎn)擊界面右邊的“容量查詢”按鈕可以查詢主控機(jī)中每個(gè)固態(tài)硬盤的總?cè)萘亢褪Ｓ嗳萘?。查詢信息顯示在按鈕下方的編輯框內(nèi)。數(shù)據(jù)傳輸過程中的關(guān)鍵信息，如“串口信息采集中”“視頻信息采集中”等，會顯示在數(shù)據(jù)傳輸信息編輯框。在管理計(jì)算機(jī)上，可將存儲在固態(tài)硬盤中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，供用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

六、 結(jié)束語

本文提出了一種適用于臨近空間高空浮空器的高速、可靠、大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，主要用于處理載荷服務(wù)艙內(nèi)的圖像、視頻和科學(xué)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用多模塊存儲方案，滿足浮空器前端信號的傳輸需求，同時(shí)可以根據(jù)上位機(jī)指令實(shí)時(shí)下傳部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，支持串口通信、CameraLink相機(jī)和監(jiān)控相機(jī)數(shù)據(jù)采集，并將載荷數(shù)據(jù)存儲到固態(tài)硬盤，以滿足臨近空間探測任務(wù)數(shù)據(jù)的存儲需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不僅能夠應(yīng)對近地空間環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，還在大容量數(shù)據(jù)存儲方面取得了顯著的效果。這些研究成果有望為未來近地空間浮空器的科學(xué)探測提供可靠的數(shù)據(jù)支持，為深入探索提供數(shù)據(jù)保障。

作者單位：趙明陽 黃旻 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院 中國科學(xué)院計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

錢路路 王占超 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 中國科學(xué)院計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

趙文昊 張子璇 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院

中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院

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