基于OpenVPX雙冗余交換系統設計

四川九洲電器集團有限責任公司　夏　鴻

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基于OpenVPX雙冗余交換系統設計

四川九洲電器集團有限責任公司夏鴻

隨著電子信息技術的飛速發展，開放式體系架構日趨成熟，綜合化設計的趨勢越來越明顯。電子設備系統架構設計更多的采用高速總線和硬件模塊擴展的方式，用以快速系統實現、能力提升、降低成本。基于OpenVPX雙冗余交換系統的設計，采用16槽雙冗余機架，以RapidIO、千兆以太網為基本交換數據總線，具有穩定性好、傳輸速率高、計算能力強、擴展配置靈活的特點。

OpenVPX；雙冗余交換；RapidIO

近幾十年來電子設備的發展正朝著標準化、模塊化、更高的傳輸總線帶寬、更好的擴展和靈活配置能力、以及并行計算性能的方向發展，VPX采用RapidIO高速串行總線增加了傳輸帶寬，集成了更多的IO和擴展格式布局。2010年VITA（VME國際貿易協會組織）成員在VPX基礎進一步拓展發布了OpenVPX，帶寬進一步提高、具備多交換網絡模式，統一規定了節點、背板和模塊三大類的標準架構。

1.OpenVPX總線協議概述

OpenVPX主要通過背板互連拓撲設計，從傳輸系統邏輯上劃分為5個部分［1］：

管理平面（Management Plane）：用于組織和管理標準的硬件資源，管理層的電源可以設計為獨立電源，與主電源（供電系統中的各板）分開，這樣就可以實現管理層對各板的電源控制。

控制平面（Control Plane）：此層應用低延遲、中等帶寬、基于數據包的通信模式。OpenVPX通過控制通路和數據通路區分開，保證各通路的帶寬，并且一個通路的沖突不會影響到另一個通路。

數據平面（Data Plane）：數據傳輸層在板間以及處理板與底板間構建了一套高寬帶，低延遲的數據通路，數據傳輸層可選擇單星狀或雙星狀。RapidIO和10GB以太網均會應用到數據傳輸層。

擴展平面（Expansion Plane）：擴展層主要把主控板與若干緊耦合的處理板或IO板連接起來，與主控板緊耦合的處理板不能獨立于主控板工作。PCIe或其他高速通信協議會應用于擴展層，擴展層需要使用低延遲、高帶寬的通道支持其通信。

公共平面（Utility Plane）：為系統提供最基礎的服務，如：電源供給、參考時鐘、系統復位等低級別信號。

2.雙冗余交換系統設計

本系統硬件架構由滿足總線標準的總線背板、射頻/中頻采樣單元、信號處理單元、雙交換模塊組成。總線背板上設置了16個標準板卡槽位，16個槽位標準配置為2個交換模塊、6個射頻/中頻采樣模塊、1個主控模塊、6個信號處理模塊、2個備用槽位。信號處理模塊可互換、中頻采樣模塊可互換、交換模塊可互換。系統采用基于交換節點為中心的互連拓撲結構，結構簡單。單交換模塊、信號處理或者射頻/中頻采樣發生故障時系統均可正常工作。該系統中有三種總線，數據總線、控制總線和管理總線，其中數據總線采用RapidIO總線、主要傳輸對數據速率及實時性要求高的數據，如采樣數據、信道控制數據；控制總線采用千兆以太網總線，總線采用集中交換式拓撲實現，主要是低速控制信息，如控制命令、軟件動態加載切換等；管理總線采用I2C實現機內所有模塊的管理，為低速總線，主要實現各單元模塊運行狀態、故障報警、實時溫度的上報等。

為了增加系統設計的可靠性和可行性，參照ANSI/VITA 65-2010 OpenVPX標準進行設計，具體型號選擇BKP6-CEN16-11.2.2n，由于單交換模塊設計了2組MT光口對外傳輸交互，交換接插件連接數量受限，因此僅實現14個模塊互連及2個模塊箱內備份。機箱內部模塊互連遵照標準規范設計為6U模塊，采用雙交換方式實現模塊的互連。

圖1　系統拓撲圖

信號處理及中頻采樣模塊采用4x 的RapidIO總線為數據總線，通過交換模塊實現互連，單通道速率設置為3.125Gbps［2］；標準的信號處理模塊與中頻采樣模塊之間采用RocketIO串行流水互連拓撲；信號處理及中頻采樣模塊的控制總線采用集中交換式星型拓撲千兆以太網互連；中頻采樣模塊的采用8個12#射頻接觸件，隔離度大于90dB［3］；交換模塊的光纖接觸件選擇MT形式，可通12路光信號，插入損耗小于1.5dB，誤碼率不大于10-12。

3.核心板卡設計

OpenVPX定義了交換模塊（Switch）、負載模塊（Payload）、外圍模塊（Peripheral）等模塊類型。本平臺中核心的是交換模塊設計，該交換模塊原理設計如圖2所示：

圖2　交換模塊設計原理圖

PPC選用的CPU是飛思卡爾的P2020雙核處理器。P2020可實現單線程極高性能功耗比，單片功耗小于10W，具備e500內核，運行頻率高達1.2GHz，具有3個增強型三速以太網控制器，4個SerDes，可實現兩路RapidIO。

SRIO交換選用IDT公司的CPS-1432，該芯片基于RadpidIO2.1規范，共有32路串行通道，可靈活配置為8×4、12×2、14×1的端口工作方式，端口數量最多可配置為14個，芯片內部交換帶寬達160Gbps，提供無阻塞的全雙工交換能力。

以太網選用BCM5396，該芯片支持16端口三層千兆以太網交換，PPC通過一個etsec與BCM5396的IMP口交換，PPC通過SPI操作BCM5396的內部寄存器。

4.信號完整性設計

信號完整性（SI）是指信號在電路中以正確的時序和電壓做出響應的能力。從廣義上講，信號完整性問題主要表現在五個方面：延遲、反射、串擾、同步切換噪聲（SSN）和電磁兼容性（EMI）［4］。在進行電路版圖設計前，利用EDA技術和高速電路仿真設計理論，對電路中的關鍵信號進行信號完整性分析，并為版圖設計提供約束條件，以此作為PCB版圖布局、布線設計的依據。在信號完整性分析的基礎上進行版圖設計將大大減少硬件調試過程中對電路的修改與重新制作過程，縮短產品開發周期，降低開發風險和成本。

本系統方案中，板內板間傳輸速率較高，需進行信號完整性仿真分析。仿真工具采用Cadence對器件進行建模。同時在版圖布局中對線路拓撲進行約束，如DDR時鐘采用菊花鏈拓撲形式；數據總線和地址總線蛇行線作分組等長處理。元器件布局也進行約束，如開關電源距離數據總線遠，降低EMI對總線上信號沿干擾。

5.結論

本文設計基于OpenVPX雙冗余交換系統，通過對OpenVPX總線標準的架構、組成原理的分析，構建了一個雙冗余16槽的系統平臺。該平臺具備高的傳輸總線帶寬、良好的冗余備份能力、可靈活配置，具有通用化、系統化、模塊化的特點。該平臺可滿足大部分電子設備系統要求，可廣泛用于雷達、電子對抗、圖像處理等高性能的信號處理系統中。

［1］ANSI/VITA65-2010，OpenVPX System Specification ［S］.2010

［2］Sam Fuller.RapidIO嵌入式系統互連［M］.王勇，譯.北京:電子工業出版社，2006.

［3］中航光電.VPX系列模塊化加固型混裝連接器［M］.2015.

［4］夏軍成.高速數字設計中的信號完整性問題［J］.艦船電子對抗，2003，（04）:10-11.