多機數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)的研究與設(shè)計

楊蓓蓓

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

多機數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)的研究與設(shè)計

楊蓓蓓

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：提出了一種多機數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)的解決方案。詳細介紹了軟硬件設(shè)計的具體流程和方法。采用模塊化設(shè)計的思想,實現(xiàn)了多機、高速、大容量連續(xù)數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)。利用同步分機完成多機之間的協(xié)同記錄與回放。

關(guān)鍵詞:記錄回放;高速;同步分機

0引言

近年來,國內(nèi)雷達技術(shù)取得了長足的發(fā)展。新體制雷達普遍采用多波束處理方式,工作模式多樣,處理算法復(fù)雜,其研制過程中的算法開發(fā)、評估、驗證、調(diào)試、測試、排故等都必須依賴目標的回波數(shù)據(jù)。現(xiàn)代雷達[1]具有多功能、多目標、遠距離、高數(shù)據(jù)率、高可靠性及自適應(yīng)能力強等優(yōu)點[2],普遍采用高分辨體制或陣列體制,信號帶寬大,接收通道多,導(dǎo)致基帶數(shù)據(jù)帶寬很大,要求記錄設(shè)備必須具有足夠的記錄帶寬。同時,雷達系統(tǒng)的研制成本很高,大型試驗需要多個部門協(xié)調(diào),試驗數(shù)據(jù)極為珍貴,要求記錄設(shè)備必須具有高可靠性。本文提出的多機數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)可以滿足當前雷達研制高記錄帶寬、高可靠性和實時監(jiān)控等需求,適用于雷達設(shè)備研制過程中的信號處理與數(shù)據(jù)處理傳輸功能的驗證、系統(tǒng)糾錯、故障復(fù)現(xiàn)、系統(tǒng)算法和架構(gòu)評估等工作。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)組成

多機數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)由多臺高速記錄回放設(shè)備、1臺以太網(wǎng)交換機、1臺同步分機和2臺轉(zhuǎn)存服務(wù)器組成。為了實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存功能,使用光纖將轉(zhuǎn)存服務(wù)器與多臺高速記錄回放設(shè)備連接。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

單臺高速記錄回放設(shè)備最多支持4路光纖數(shù)據(jù)同時工作,數(shù)據(jù)傳輸率支持1.5、2和6.5 Gbps等多種常用數(shù)據(jù)傳輸率。通過同步分機可以實現(xiàn)多臺高速記錄回放設(shè)備同時工作,最大支持4*N(N指高速記錄回放設(shè)備的數(shù)量)路光纖同時記錄回放。

高速記錄回放設(shè)備、同步分機、轉(zhuǎn)存服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器全部通過網(wǎng)線接入以太網(wǎng)交換機。高速記錄回放設(shè)備用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和回放,通過高速PCIE轉(zhuǎn)接卡與轉(zhuǎn)存服務(wù)器連接,完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存功能。通過以太網(wǎng)完成各個設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。同步分機的外觸發(fā)信號接口用于連接外部同步脈沖或采集觸發(fā)信號,觸發(fā)信號配合以太網(wǎng)的同步命令,完成各個高速記錄回放設(shè)備的狀態(tài)同步。轉(zhuǎn)存服務(wù)器通過控制軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)向磁盤陣的轉(zhuǎn)存,以及磁盤陣存檔數(shù)據(jù)向高速記錄回放設(shè)備回讀。數(shù)據(jù)分析服務(wù)器通過以太網(wǎng)控制單臺或多臺高速記錄回放設(shè)備工作。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

為了方便設(shè)備在外場調(diào)試時使用,所有設(shè)備可以全部安裝在機柜中，如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)機柜安裝示意圖

1.2工作原理

高速記錄回放設(shè)備設(shè)計了外同步觸發(fā)和數(shù)據(jù)同步觸發(fā)兩種同步采集方式。其中,外同步觸發(fā)的方式由用戶提供同步信號,當設(shè)備檢測到同步信號的上升沿后開始進行數(shù)據(jù)記錄;數(shù)據(jù)同步觸發(fā)的方式由系統(tǒng)從光纖通道中提取幀頭信息,經(jīng)過同步分機后作為系統(tǒng)的同步觸發(fā)。外同步觸發(fā)模式工作過程比較簡單。設(shè)備檢測到用戶發(fā)送的同步信號上升沿后就開始記錄各路光纖通道的數(shù)據(jù),在此之前的數(shù)據(jù)不做任何記錄，如圖3所示。

圖3　外同步觸發(fā)方式

如果用戶不提供同步觸發(fā),要達到同步采集的效果就必須采用數(shù)據(jù)同步觸發(fā)的工作方式(如圖4所示)。指定某路光纖通道作為參考通道,通過提取參考通道的幀頭位置信息上報給同步分機,同步分機通過運算產(chǎn)生合適的同步信號發(fā)送給高速記錄回放設(shè)備,當檢測到同步脈沖上升沿后開始記錄數(shù)據(jù)。

圖4　數(shù)據(jù)同步觸發(fā)方式

多機數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)工作時(如圖5所示),同步分機向每臺高速記錄回放設(shè)備發(fā)送精確的同步信號。外觸發(fā)信號接口用于連接外部脈沖或采集觸發(fā)信號,同步分機同時將外觸發(fā)信號輸出,可以連接到任意一臺記錄回放設(shè)備,以記錄觸發(fā)狀態(tài)。同步分機的輸出信號為定時觸發(fā)信號和定時參考信號,其中定時觸發(fā)信號配合以太網(wǎng)的同步命令,完成各個記錄回放設(shè)備的狀態(tài)同步。定時參考信號為各臺記錄回放設(shè)備提供統(tǒng)一的系統(tǒng)定時基準。

主設(shè)備通過以太網(wǎng)交換機檢測到所有設(shè)備準備就緒后,整個系統(tǒng)先進行狀態(tài)同步。狀態(tài)同步完成后,同步分機依據(jù)觸發(fā)條件檢測外觸發(fā)信號,滿足采集要求后向所有的設(shè)備發(fā)送使能信號。記錄回放設(shè)備同時進入采集模式,達到多通道光纖同步工作的目的。

在多機同步工作方式下,所有記錄回放設(shè)備的光纖鏈路參考時鐘都設(shè)置為外參考,統(tǒng)一由同步分機提供。同步分機可以自己產(chǎn)生參考時鐘也可以將外時鐘鎖相倍頻后作為參考時鐘,從而保證各個分機光纖鏈路同步工作。數(shù)據(jù)采集完成后可以通過選擇不同高速[3-4]光纖通道將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至服務(wù)器。單臺服務(wù)器轉(zhuǎn)存帶寬優(yōu)于750 MB/s,兩臺服務(wù)器同時工作時轉(zhuǎn)存帶寬優(yōu)于1 500 MB/s,轉(zhuǎn)存總?cè)萘靠梢赃_到100 T。

圖5　光纖同步示意圖

1.3軟件設(shè)計

多機數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)的控制軟件主要用于完成高速數(shù)據(jù)的記錄和回放,實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時波形查看和分析,對記錄的文件進行管理等(見圖6)。

圖6　軟件設(shè)計架構(gòu)示意圖

(1) 系統(tǒng)自檢對系統(tǒng)模塊和同步分機進行自檢,如有故障則進行相應(yīng)的提示;

(2) 實時監(jiān)控實時查看光纖數(shù)據(jù)波形和信號處理結(jié)果波形;

(3) 協(xié)同記錄控制多臺高速記錄回放設(shè)備進行數(shù)據(jù)的記錄;

(4) 協(xié)同回放控制多臺高速記錄回放設(shè)備進行數(shù)據(jù)的回放;

(5) 協(xié)同轉(zhuǎn)存控制多臺高速記錄回放設(shè)備進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存;

(4) 文件管理對記錄的文件進行排序、分組、修改和刪除等操作和管理[5];

(5) 網(wǎng)路通信提供與網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的所有功能。

各個功能模塊分別封裝為獨立的功能動態(tài)庫,界面軟件運行時動態(tài)加載動態(tài)庫,并使用動態(tài)模塊中提供的功能接口、實現(xiàn)記錄、回放和轉(zhuǎn)存等功能。動態(tài)庫接口的調(diào)用采用C++類的方式進行設(shè)計和編碼,使用時僅需使用類中提供的方法即可。

多機協(xié)同工作時,同步分機連接到千兆以太網(wǎng)交換機上。服務(wù)器對同步分機的控制使用UDP方式進行,即通過UDP命令包發(fā)送的方式實現(xiàn)記錄和回放設(shè)置功能。首先進行同步分機掃描,接著讀取同步分機的版本和時鐘,最后根據(jù)實際設(shè)置進行記錄和回放的配置,通過調(diào)用封裝到類中的方法即可實現(xiàn)記錄回放等功能。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計和標準總線架構(gòu),擴展性強,可以實現(xiàn)高、低數(shù)據(jù)率的模擬信號及光纖信號的采集。單臺高速記錄回放設(shè)備采用4通道150 Msps的高速采集卡、8通道3.125 Gbps的光纖采集卡。采用高速串行互連技術(shù)、大容量固態(tài)磁盤陣技術(shù),提高了設(shè)備的轉(zhuǎn)存速率。PCIE轉(zhuǎn)接卡與高性能計算機模塊連接,通過PCIE高速串行接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機模塊,再通過計算機模塊的SATA接口將數(shù)據(jù)存儲至4塊3.5存固態(tài)硬盤中,同時將4塊固態(tài)硬盤組合為Raid0陣列,極大地提高了硬盤的存儲速度,實現(xiàn)了超高速的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。

2性能測試

為了測試本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)連續(xù)記錄的性能,將1根MPO-12LC光纖跳線的MPO端連接到光纖測試卡的12通道輸出光纖模塊。將12根LC光纖接口連接到對應(yīng)的光纖接口上,每個測試項記錄數(shù)據(jù)時間為30 min,考察不同數(shù)據(jù)傳輸率條件下系統(tǒng)記錄回放的性能。測試結(jié)果如表1所示。

表1　系統(tǒng)連續(xù)記錄性能測試

數(shù)據(jù)率單位為Gbps,記錄時間單位為min,測試數(shù)據(jù)為0～(232-1)的64位有符號遞增整數(shù),每幀數(shù)據(jù)大小為4 MB。由表1結(jié)果可以看出,數(shù)據(jù)采集過程中,單臺高速記錄回放設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸率低于6 Gbps時系統(tǒng)穩(wěn)定性很高,基本不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出錯誤,而數(shù)據(jù)傳輸率高于6 Gbps時偶爾會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的情況。

以2 Gbps數(shù)據(jù)率為例,需要3臺高速記錄回放設(shè)備同時完成采集工作,每臺設(shè)備連接4路光纖通道。圖7是系統(tǒng)工作時實時監(jiān)控的畫面,左邊是原始數(shù)據(jù),右邊是作了FFT處理后的結(jié)果。利用實時監(jiān)控功能可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常,并能快速定位數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的時刻。通過多機數(shù)據(jù)記錄回放設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)可以使故障復(fù)現(xiàn),對高效地改善被測設(shè)備功能起到很大的作用。

圖7　實時監(jiān)控界面

通過實際測試的結(jié)果,驗證了多機數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)可以滿足大規(guī)模、多通道、高速數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄和回放,轉(zhuǎn)存速率滿足實際使用。

3結(jié)束語

本文詳細描述了多機數(shù)據(jù)記錄回放系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、軟件設(shè)計和工作原理,并對其進行了性能測試,測試結(jié)果表明該系統(tǒng)具備多機多路光纖通道數(shù)據(jù)協(xié)同記錄和回放功能,且具有較高的記錄帶寬和可靠性。目前,該系統(tǒng)已應(yīng)用于多種型號雷達,為雷達信號處理、目標檢測、跟蹤與識別等算法的驗證提供了數(shù)據(jù)支持和驗證方法。

參考文獻:

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Research and design of a multi-machine data record and replay system

YANG Bei-bei

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

Abstract:A solution of the multi-machine data record and replay system is proposed. The specific procedures and methods of designing the software and hardware are introduced in detail. With modularized design, the multi-machine, high-speed and large-capacity continuous data record and replay system is realized. The multi-machine cooperative record and replay are accomplished via the synchronous unit.

Keywords:record and replay; high speed; synchronous unit

收稿日期：2016-01-08；修回日期：2016-01-28

作者簡介:楊蓓蓓(1982-)，女，工程師，碩士，研究方向：雷達總體技術(shù)。

中圖分類號:TN957.52

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0019-03