基于VPX總線的高速注入式導引頭圖像模擬器設計方法

張 維

北京航天自動控制研究所，北京100854

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基于VPX總線的高速注入式導引頭圖像模擬器設計方法

張 維

北京航天自動控制研究所，北京100854

介紹了一種新型的高速注入式圖像模擬器。該模擬器以VPX總線高性能計算平臺為基礎，突破了VPX架構總體設計、高速串行總線傳輸、串/并行總線接口轉換以及VPX和PCI設備兼容等關鍵技術，通過綜合運用高速串行總線、并行總線DMA傳輸和乒乓控制設計技術，實現了在預定周期內大批量數據的生成和高速注入傳輸，為未來VPX技術在仿真領域的深入研究和應用打下了技術基礎。

VPX總線；圖像模擬器；注入式；LVDS接口；乒乓控制

注入式方案已廣泛應用于多模復合制導飛行系統的半實物仿真驗證中，它采用導引頭圖像模擬器代替真實導引頭，在仿真飛行試驗過程中為彈上計算機實時注入圖像數據，使彈上計算機可完成信息融合和制導計算。該方案的優點在于制導仿真不再依賴于導引頭子系統的工作狀態，可集中于制導設計和方法的考核與驗證，節約了試驗成本。

隨著制導技術的發展，導引頭圖像模擬器面臨兩方面的挑戰： 1)提高制導系統精度使圖像數據規模急劇增加，要求模擬器具備對大批量數據高速處理和注入的能力； 2)開展仿真任務的工作環境更加多樣，要求模擬器具有更加緊湊的結構和更強的環境適應性。

目前，仿真試驗中的計算平臺主要是以CPCI和VME為代表的并行總線架構， VPX作為新一代串行總線架構已逐步在航天軍工領域得到應用。本文介紹了一種應用于紅外成像尋的制導系統仿真試驗中的高速注入式圖像模擬器的研制情況，包括系統組成、設計方法和應用情況。

1 系統組成

1.1 VPX總線架構的優點

在圖像模擬器中采用VPX總線架構的優點是：

1) VPX總線采用高速串行總線互聯技術，以PCIe總線為例，每個串行通路的帶寬可達500MB/s[1]，遠高于其它總線。不但可提高現有模擬器的數據傳輸和處理能力，還可滿足未來一段時期內處理器和外圍設備的數據吞吐需求；

2) VPX標準支持多種總線拓撲結構，既可按傳統的主從式方式工作，也可實現多處理器并行工作，使圖像模擬器具有處理更高分辨率圖像的提升空間；

3) VPX可以全面兼容VME/CPCI等標準的軟、硬件設計，支持串行和并行規范的混合工作，具有良好的繼承性和兼容性，可降低設計風險，提高設計效率；

4) VPX機箱結構比VME/CPCI更加堅固，支持多種散熱模式。內部選用高可靠的RT2型板卡連接器并增加了ESD保護功能，能滿足復雜試驗環境下工作的可靠性。

1.2 圖像模擬器與彈上計算機的接口關系

圖像模擬器采用VPX總線實現主處理模件與LVDS接口模件的信息傳輸，并把生成的導引頭實時圖像在規定時刻發送給彈上計算機，圖像模擬器與彈上計算機的接口關系如圖1所示。

圖1 圖像模擬器與彈上計算機的接口關系

1.3 圖像模擬器總體結構及功能

圖像模擬器采用VPX標準機箱為結構主體，機箱內部安裝一塊背板，背板槽上插裝VPX主處理模件和LVDS接口模件。

各部分主要完成的功能為：

1) VPX機箱采用大地信合公司的SIV-0505A1型5U高VPX系統平臺，提供整機框架；

2) VPX背板為6U尺寸，提供模件工作電源和符合VPX規范的數據連接通路。背板上帶有 5個模件插槽，槽位間采用全網絡結構,任意2個插槽間都采用PCIe串行總線傳輸數據，每個PCIe通路一個方向理論上數據傳輸率最高可達250MB/s；

3) VPX主處理模件選用英國CCT公司的VR737/08x型處理器板，采用 Intel Core i7處理器，主頻為2.0GHz；板載4G DDR3-1066 ECC內存；支持4×8或8×4PCIe總線接口。主處理器模件運行圖像生成模擬軟件，生成實時圖像數據，每幀圖像像素為640×512，每個像素的數據精度為16位；

4) LVDS接口模件接收實時圖數據，按預定幀頻、時序和信號模式輸出，LVDS發送時鐘為48MHz，幀頻(即彈上計算機接收到更新數據的周期)為20ms。

2 功能模件設計和實現方式

2.1 功能模件

功能模件采用VPX轉PMC載板與PCI電路板結合的結構形式。

VPX轉PMC載板選用英國CCT公司的VRXMC/x01型載板，負責將VPX總線轉換為PMC接口并連接到PMC插槽，支持4×4，2×4+1×8，2×8或1×16等多種PCIe總線接口。

PCI電路板采用PMC規范設計，插在載板的PMC槽上，負責實現特定功能。

2.2 PCIe總線接口

模擬器通過PCIe數據鏈路進行板間圖像數據傳輸。PCIe總線每條鏈路中包含多條通路，通路數是指收發差分對的數量[2]，可有多種選擇。本設計中采用1×4鏈路實現主處理器和LVDS接口模件之間的物理互連，數據傳輸過程如圖2所示。

圖2 串并行總線接口轉換示意圖

主機CPU和存儲器通過PCIe橋接芯片和交換開關連接到PCIe鏈路。本設計中交換開關具有5個端口，1個上游端口指向PCIe橋接芯片，4個下游端口連接4條鏈路，每條鏈路分別連接到背板上的4個設備槽。圖像數據通過其中一條鏈路傳送到LVDS接口模件的插槽；進入VPX轉PMC載板后再經交換開關和PMC接口送到LVDS接口模件上；最后通過PCI橋接芯片進入本地電路，實現了從VPX總線到PCI總線再到本地總線的轉換過程，可使主

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處理模件訪問PCI總線功能板。

2.3 LVDS接口模件

圖像數據通過LVDS接口模件輸出給彈上計算機，為保證數據傳輸高效、準確和可靠，本設計中采用DMA，FPGA，SRAM和LVDS發送器組成的流水線式路徑實現這一過程。

LVDS接口模件的原理為：圖像模擬器主處理模件計算出的圖像數據通過VPX轉PMC載板輸入LVDS接口模件，PCI接口芯片完成PCI總線到本地總線的轉換，將圖像數據通過總線輸入FPGA；FPGA內部集成了時序控制、緩存FIFO以及定時控制邏輯單元，與SRAM一起接收圖像數據并將接收到的數據整合為符合幀頻和時序要求的輸出數據；LVDS發送器將FPGA輸出的數據轉換為LVDS格式并發送給彈上計算機。

LVDS接口模件的原理框圖如圖3所示。

圖3 LVDS接口模件框圖

FPGA是模件的核心器件，它的工作決定了圖像數據傳輸的效率和正確性。在模件中設計了DMA->FPGA內部高速緩存->乒乓操作的板載SRAM的數據流路徑，與定時控制邏輯一起，生成滿足要求的輸出。

FPGA的具體工作過程是：

1) 第1幀圖像數據按32位方式通過DMA端口寫入FPGA，通過內部FIFO1按16位方式將數據輸出給SRAM1；

3) 在20ms時間內，將第2幀圖像數據通過FPGA內的FIFO2寫入SRAM2；

4) 20ms時間到且FPGA檢測SRAM2內數據幀尾(該幀尾為預定數據量寫完后，硬件自動添加)，開始下一個20ms定時，同時發送SRAM2內數據；

5) 將下一幀圖像數據寫入SRAM1；

6) 20ms時間到且FPGA檢測SRAM1內數據完整，開始下一個20ms定時，同時發送SRAM1內數據；

7) 重復步驟3)～6)，直到發送完成。

上述數據傳輸由PCI9054的DMA控制器和FPGA完成全過程控制，不需軟件參與，也不受主機狀態影響，因此能保證接口操作的確定性和數據傳輸的可靠性。

3 時序分析

圖像模擬器的每一幀時序主要分為數據裝訂、數據發送和數據計算等3個階段，如圖4所示。在各階段都需占用時間，為保證滿足設計指標要求，下面分析各階段所需的時間。

1)數據裝訂時間

數據裝訂時間為主機將一幀數據寫入SRAM所花費的時間，

T1=N1×PCIW

(1)

圖4 模擬器時序圖

其中，PCIW為PCI總線寫1個32位數據所用的時間,為3個總線周期；N1為按32位計算的一幀圖像數據量。

取PCIW=3×(1/33MHz)[3]；

N1=640×512×16/32；

可求得T1=14.75ms。通過電路測試，得到數據實際裝訂時間為15.2ms，基本一致。

2) 數據發送時間

數據發送時間為從LVDS發送器到彈上計算機的傳輸時間，

T2=N2×LVDST

(2)

其中，N2為一幀圖像字節數，LVDST為LVDS每個發送時鐘周期。

取N2=640×512×2；

LVDST=1/(48MHz)；

求得T2=13.65ms。

4 應用情況及前景分析

4.1 應用情況

圖像模擬器采用VPX轉PMC接口載板加PCI功能電路板的結構形式，實現了VPX新型架構與原有PCI成熟技術的兼容性應用，提高了研制效率、降低了風險。但在實際應用中也存在數據傳輸率被PCI總線帶寬限制，不能發揮VPX總線的高數據吞吐量的性能優勢，解決措施是使用VPX接口功能模件。

4.2 前景分析

本文設計方案只是高速圖像模擬器的基本構型，在未來應用中可通過模塊增減和升級來滿足半實物仿真試驗的多種需求。比如，通過增加接口模件數量，可實現用1臺模擬器對多個導引頭接口的模擬，有利于減少設備數量和降低成本。通過增加主處理模件數量，采用并行工作的方式可提高數據處理能力，滿足更高精度圖像處理需求。

5 結論

提出的設計方案解決了VPX架構總體設計、高速串行總線傳輸、串/并行總線接口轉換以及VPX與PCI設備兼容等關鍵技術，基于VPX總線的高速圖像注入式模擬器可滿足半實物仿真試驗中大批量圖像實時生成和高速注入的指標要求。該模擬器的設計方案可以進一步推廣應用到各種導引頭模擬裝置的設計中。另外，VPX總線技術的成功應用為未來在仿真領域的深入研究和廣打下了技術基礎。

[1] 鄭東衛,陳矛,羅莉.VPX總線的技術規范及應用[J].火控雷達技術，2009,38(4)：74-77.(Zheng Dongwei, Chen Mao, Luo Li. Technical Specifications of the VPX Bus and Its Application[J]. Fire Control Radar Technology, 2009, 38(4): 74-77.)

[2] 馬鳴錦,朱劍冰,何紅旗,杜威.PCI、PCI-X和PCI Express的原理及體系結構[M].北京：清華大學出版社，2007.(Ma Mingjin, Zhu Jianbing, He Hongqi,et al. PCI、PCI-X&PCI Express Principle and System Architecture[M]. Beijing Tsinghua University Press, 2007.)

[3] 劉樂善.32位微型計算機接口技術及應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.(Liu Leshan. Microcomputer Interface Technology & Application[M]. Wuhan, Huazhong University Press, 2006.)

The Design of High Speed Injection Seeker Image Simulator Based on VPX Bus

Zhang Wei

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Anewtypeofhighspeedinjectionimagesimulatorisintroduced.BasedonhighperformanceVPXcomputingplatform,thekeytechnologiessuchasVPXsystemarchitecturedesign,high-speedserialtransmission,serial-parallelbusinterfaceconversionandcompatibilityamongVPXandPCIdevicesarebrokenthrough.Byintegratingwithhighspeedserialbus, DMAtransfersonparallelbusandping-pongcontroltechniques,largequantitiesdatacanbegeneratedandtransmittedatapredeterminedperiodbythesimulator.ItcanlayafoundationforthefurtherresearchandapplicationofVPXtechnologyinthefieldofsimulation.

VPXbus;Imagesimulator;Injection; LVDSinterface;Ping-pongcontrol

2015-11-30

張 維(1973-)，女，沈陽人，碩士，工程師，主要研究方向為仿真環境模擬。

TP391.9

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1006-3242(2016)03-0062-04