基于VPX總線的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

，

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽合肥 230088)

0 引 言

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是雷達(dá)整機(jī)的重要組成部分，其任務(wù)是完成雷達(dá)點(diǎn)跡和航跡跟蹤處理、雷達(dá)時(shí)間和能量資源的調(diào)度管理和目標(biāo)情報(bào)顯示，并將目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行通信上報(bào)[1]。數(shù)據(jù)處理平臺(tái)是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件工作運(yùn)行的硬件載體，其設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性和可靠性對(duì)雷達(dá)整體性能的提升具有至關(guān)重要的作用。

隨著現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)任務(wù)對(duì)目標(biāo)運(yùn)算處理速度、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、總線傳輸帶寬、數(shù)據(jù)處理能力和高可靠性等需求不斷提高，傳統(tǒng)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足技術(shù)發(fā)展的要求。基于VPX架構(gòu)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、高性能網(wǎng)絡(luò)交換能力以及豐富的I/O接口能力[2]。因此，VPX架構(gòu)代表了新一代雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和方向。鑒于此，本文結(jié)合某項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，主要介紹一種基于VPX架構(gòu)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

1 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求和平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)代雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要功能是：完成雷達(dá)目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡的實(shí)時(shí)處理；完成雷達(dá)時(shí)間和能量資源的調(diào)度管理；完成雷達(dá)回波顯示和目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡信息顯示；雷達(dá)目標(biāo)情報(bào)信息的通信上報(bào)。

為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性能，結(jié)合VPX總線的特點(diǎn)，基于VPX總線架構(gòu)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)思路是：1)運(yùn)用高性能VPX計(jì)算刀片，利用其高速數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，實(shí)時(shí)完成雷達(dá)大容量目標(biāo)的點(diǎn)跡處理和航跡跟蹤等運(yùn)算處理和信息顯示；2)充分運(yùn)用VPX總線的高速傳輸性能，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)內(nèi)外部數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)傳輸和交換；3)利用VPX總線的低時(shí)延特性，實(shí)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)波束實(shí)時(shí)編排和掃描；4)利用VPX可帶電熱插拔、結(jié)構(gòu)緊湊抗震性好等優(yōu)點(diǎn)，可在復(fù)雜惡劣環(huán)境下可靠工作[3]，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高可靠性。

圖1 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

1.2 平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的功能需求和平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路，基于VPX總線架構(gòu)的高性能雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，由多塊VPX功能板卡組成，主要包括VPX計(jì)算刀片、VPX架構(gòu)的時(shí)序接口板、VPX通信處理計(jì)算機(jī)、VPX顯示計(jì)算機(jī)、交換刀片以及平臺(tái)底板。該平臺(tái)設(shè)計(jì)按功能劃分為3個(gè)功能處理單元：1)數(shù)據(jù)處理單元 由兩塊高性能VPX計(jì)算機(jī)板組成，完成雷達(dá)大容量目標(biāo)的點(diǎn)跡處理和航跡跟蹤等數(shù)據(jù)處理功能。2)任務(wù)管理單元 主要由1塊VPX計(jì)算機(jī)板、1塊VPX架構(gòu)的時(shí)序接口板和1塊VPX通信處理計(jì)算機(jī)，完成雷達(dá)回波信號(hào)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)、雷達(dá)情報(bào)信息的通信上報(bào)。VPX計(jì)算機(jī)板和時(shí)序接口板通過高速SRIO(Serial RapidIO)總線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和實(shí)時(shí)控制。3)顯控處理單元 主要由3塊VPX顯示計(jì)算機(jī)組成。顯示計(jì)算機(jī)通過SRIO總線和千兆網(wǎng)與航跡計(jì)算機(jī)和波束調(diào)度計(jì)算機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和點(diǎn)跡、航跡數(shù)據(jù)的傳輸，完成雷達(dá)的回波顯示、點(diǎn)航跡顯示以及人機(jī)交互等功能。上述3個(gè)功能處理單元通過交換刀片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，使VPX數(shù)據(jù)處理平臺(tái)具有易于擴(kuò)充、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 平臺(tái)組成單元的詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.3.1 時(shí)序接口板

時(shí)序接口板為符合VPX總線標(biāo)準(zhǔn)的6U插件，該板卡硬件原理框圖如圖2所示。FPGA芯片采用高性能FPGA，容量大，處理速度快，支持高速傳輸。本設(shè)計(jì)中選用的芯片型號(hào)為EP2SGX90FF1508，器件中等價(jià)邏輯單元(LE)高達(dá)90 960個(gè)，片內(nèi)存儲(chǔ)器達(dá)到4.3 Mbit，可滿足對(duì)存儲(chǔ)器要求較多的應(yīng)用。時(shí)序接口板主要功能電路模塊包括匹配驅(qū)動(dòng)電路、VPX高速總線接口電路、系統(tǒng)對(duì)時(shí)、方位信息處理、光電轉(zhuǎn)換電路、FPGA外圍電路等。除匹配驅(qū)動(dòng)電路、光電轉(zhuǎn)換電路、FPGA外圍電路外，相關(guān)功能處理模塊均在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。時(shí)序接口板主要完成以下功能：1)通過SRIO總線，接收來(lái)自波束調(diào)度計(jì)算機(jī)的控制參數(shù)，產(chǎn)生雷達(dá)整機(jī)時(shí)序，并可通過TTL或RS422電平送出，波束編排信息可通過光纖輸出至其他分系統(tǒng)。2)接收來(lái)自時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的秒脈沖信號(hào)和時(shí)間信息，完成整機(jī)時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)，為雷達(dá)各分系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。3)根據(jù)雷達(dá)各種工作模式，完成雷達(dá)頻率源的變頻控制功能。

圖2 時(shí)序接口板設(shè)計(jì)原理

時(shí)序接口板對(duì)外信號(hào)接口如下：1路SRIO×4接口；12路光纖入/出，每路光纖最高傳輸速率可達(dá)6.375 Gbit/s；128路TTL電平接口；64路RS422電平接口。

1.3.2 VPX計(jì)算機(jī)板

計(jì)算機(jī)板在本數(shù)據(jù)處理平臺(tái)中擔(dān)任兩個(gè)角色：1)作為數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，完成雷達(dá)點(diǎn)跡處理和航跡跟蹤任務(wù)；2)作為波束調(diào)度計(jì)算機(jī)和通信處理計(jì)算機(jī)，完成雷達(dá)資源管理、波束調(diào)度處理和通信控制功能。

VPX計(jì)算機(jī)板主要性能指標(biāo)如下：

1) 處理器性能：Intel Xeon E5處理器或以上，單個(gè)CPU為12核或以上，單精度浮點(diǎn)理論峰值計(jì)算能力≥490 GFLOPS；

2) 內(nèi)存：容量≥32 GB；

3) SRIO傳輸接口：2路SRIO 5 G×4接口；

4) 網(wǎng)絡(luò)接口：不少于3路千兆以太網(wǎng)；

5) 40 G以太網(wǎng)接口：2路40 G以太網(wǎng)接口；

6) 管理與監(jiān)控：2路IPMB(Intelligent Platform Management Bus)接口[4]。

1.3.3 VPX顯示計(jì)算機(jī)

顯示計(jì)算機(jī)是一款基于通用處理器和高性能GPU的VPX計(jì)算機(jī)，通用處理器負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的管控和調(diào)度，GPU負(fù)責(zé)2D/3D圖形計(jì)算。顯示計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)如下：1)處理器 性能優(yōu)于Intel CoreTM I7處理器及以上，主頻2.2 GHz及以上；2)內(nèi)存 板載32 GB DDR3雙通道內(nèi)存，數(shù)據(jù)速率1 333 MHz以上；3)GPU控制器 AMD Radeon E6760嵌入式顯示控制器，4 GB獨(dú)立顯存，驅(qū)動(dòng)接口符合OpenGL2.2及以上和OpenGL4.2標(biāo)準(zhǔn)，支持2D/3D硬件加速；4)顯示分辨率 最高分辨率 1 920×1 200@60 Hz，支持1 920×1 080，1 600×1 200等常用分辨率。

顯示計(jì)算機(jī)通過40 G以太網(wǎng)與航跡計(jì)算機(jī)、波束調(diào)度計(jì)算機(jī)和通信處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行雷達(dá)點(diǎn)/航跡信息、波束調(diào)度指令和雷達(dá)通信控制信息的交換；完成雷達(dá)參數(shù)顯示、二維顯示、三維顯示和監(jiān)控信息顯示，接收顯控臺(tái)輸入指令，完成人機(jī)交互功能。顯示計(jì)算機(jī)通過SRIO總線接收來(lái)自信號(hào)處理送來(lái)的回波數(shù)據(jù)，通過回波顯示軟件模塊實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的原始回波的顯示。顯示計(jì)算機(jī)的功能框圖如圖3所示。

圖3 顯示計(jì)算機(jī)功能框圖

1.3.4 交換刀片

本數(shù)據(jù)處理平臺(tái)交換刀片的主要功能包括兩個(gè)部分：數(shù)據(jù)分發(fā)和機(jī)箱管理。

1) 數(shù)據(jù)分發(fā)：交換刀片支持SRIO和以太網(wǎng)雙交換，負(fù)責(zé)建立平臺(tái)內(nèi)各計(jì)算機(jī)之間以及各計(jì)算機(jī)與外部其他設(shè)備之間的通信鏈路。以太網(wǎng)交換支持千兆以太網(wǎng)和40 G以太網(wǎng)交換。

2) 機(jī)箱管理：交換刀片負(fù)責(zé)整個(gè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的監(jiān)控和管理，收集各功能模塊的電壓、溫度和工作狀態(tài)等參數(shù)信息，據(jù)此進(jìn)行風(fēng)扇調(diào)速和設(shè)備切換等管理。交換刀片的原理框圖如圖4所示。

圖4 交換刀片原理框圖

1.3.5 平臺(tái)背板設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)各處理單元的任務(wù)劃分和各處理板卡的性能特點(diǎn)，進(jìn)行平臺(tái)印制背板的設(shè)計(jì)。分機(jī)高度為6U，19英寸寬度，共有16個(gè)槽位。槽位布局如圖5所示，具體分布如下：最左側(cè)4個(gè)槽位為兩個(gè)電源模塊；背板中間為兩個(gè)交換模塊，同時(shí)工作，互為備份；交換模塊左側(cè)為航跡處理計(jì)算機(jī)、波束調(diào)度計(jì)算機(jī)和時(shí)序接口槽位；交換模塊右側(cè)為3個(gè)顯示計(jì)算機(jī)槽位和通信處理計(jì)算機(jī)槽位。這種采用將交換板放置在中間的布局設(shè)計(jì)，可方便背板信號(hào)的互連互通。

圖5 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)底板板卡的槽位布局

背板信號(hào)互聯(lián)示意圖如圖6所示，主要信號(hào)連接關(guān)系如下：1)平臺(tái)供電設(shè)計(jì) 電源槽位為各功能板卡提供+12 V的電源；2)高速信號(hào)互聯(lián) 各功能模塊通過交換模塊實(shí)現(xiàn)1路SRIO×4交換；

各功能模塊除時(shí)序接口模塊外，通過交換模塊實(shí)現(xiàn)1路40 G以太網(wǎng)和1路千兆以太網(wǎng)交換。

1.4 平臺(tái)內(nèi)外接口設(shè)計(jì)

1) 內(nèi)部接口設(shè)計(jì)：平臺(tái)內(nèi)部各功能板卡通過交換模塊實(shí)現(xiàn)SRIO、40 G以太網(wǎng)和千兆網(wǎng)接口互連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和傳輸。

2) 對(duì)外接口設(shè)計(jì)：光纖接口主要用于接收雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，發(fā)送波束調(diào)度參數(shù)等；網(wǎng)絡(luò)接口主要用于接收信號(hào)處理送來(lái)的雷達(dá)點(diǎn)跡參數(shù)等信號(hào)，發(fā)送控制指令至其他雷達(dá)分系統(tǒng)；時(shí)統(tǒng)接口接收來(lái)自北斗/GPS等時(shí)統(tǒng)設(shè)備送來(lái)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)；時(shí)序輸出接口輸出TTL電平或RS422電平的時(shí)序信號(hào)至其他分系統(tǒng)。

圖6 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)背板信號(hào)互聯(lián)示意圖

數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的內(nèi)外接口設(shè)計(jì)示意圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)內(nèi)外接口示意圖

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 VPX總線技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用

在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的工程設(shè)計(jì)中，時(shí)序接口板、航跡計(jì)算機(jī)板、通信處理計(jì)算機(jī)板、顯示計(jì)算機(jī)板和平臺(tái)印制背板全部基于標(biāo)準(zhǔn)VPX總線架構(gòu)和協(xié)議設(shè)計(jì)。各功能板卡通過高速串行SRIO總線或者40 G以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的高速交換，突破了傳統(tǒng)地面雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)并行低速總線為主的技術(shù)路線。VPX總線是基于VITA46協(xié)議的新一代工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，采用了最新的接插件技術(shù)和高速串行技術(shù)，其傳輸速度快，理論傳輸速率可達(dá)10 Gbit/s[5]，實(shí)時(shí)響應(yīng)好，可顯著提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理和控制性能；VPX采用專用的RT2高速高密度接插件，可提供更多的自定義信號(hào)，擴(kuò)展性強(qiáng)[6]；同時(shí)VPX總線支持熱插拔，也便于系統(tǒng)維護(hù)，全面提升平臺(tái)性能。

2.2 基于物理位置的板卡槽位自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

在數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)中，航跡處理計(jì)算機(jī)和通信處理計(jì)算機(jī)的硬件板卡是相同的，3塊顯示計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)不同的任務(wù)席位，但其硬件板卡也是相同的。以上各功能計(jì)算機(jī)板卡通過運(yùn)行各自的應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)航跡處理、通信處理、顯示處理等不同的任務(wù)。各計(jì)算機(jī)板卡運(yùn)行的操作系統(tǒng)也是不同的。例如，波束調(diào)度計(jì)算機(jī)和通信處理計(jì)算機(jī)因?qū)崟r(shí)性要求采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；顯示計(jì)算機(jī)因便于雷達(dá)界面顯示和人機(jī)交互采用Windows桌面操作系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)各種不同功能的計(jì)算機(jī)板卡在同一數(shù)據(jù)處理平臺(tái)中混合使用，需要采用板卡槽位自動(dòng)識(shí)別技術(shù)來(lái)解決以上問題。具體實(shí)現(xiàn)如下：

1) 在平臺(tái)背板上的各個(gè)計(jì)算機(jī)板卡槽位設(shè)計(jì)硬件撥碼開關(guān)，本平臺(tái)共有7塊計(jì)算機(jī)板卡，需要采用三位二進(jìn)制撥碼開關(guān)。

2) 依序?qū)Ω饔?jì)算機(jī)槽位的撥碼開關(guān)進(jìn)行編碼設(shè)置，如圖5所示，2塊航跡計(jì)算機(jī)、1塊波束調(diào)度計(jì)算機(jī)、3塊顯示計(jì)算機(jī)和1塊通信處理計(jì)算機(jī)依次編碼為000，001，010，011，100，101和110。

3) 計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)后，首先識(shí)別該槽位已分配的硬件編碼值，根據(jù)編碼值在引導(dǎo)區(qū)自動(dòng)選擇運(yùn)行對(duì)應(yīng)的操作系統(tǒng)和工作軟件，同時(shí)根據(jù)已分配的槽位編碼，各應(yīng)用軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)本計(jì)算機(jī)板卡IP地址的分配，可避免IP地址沖突等問題。

3 結(jié)束語(yǔ)

本雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)在設(shè)計(jì)中采用了先進(jìn)的VPX總線技術(shù)，合理劃分并設(shè)計(jì)了各功能模塊，具有高性能、模塊化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸速率高、設(shè)備易于擴(kuò)充等技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)具有較高的可靠性。能適應(yīng)現(xiàn)代大規(guī)模相控陣?yán)走_(dá)對(duì)數(shù)據(jù)處理的計(jì)算能力和外部接口的需求。本數(shù)據(jù)處理平臺(tái)主要性能指標(biāo)為：1)數(shù)據(jù)處理能力 點(diǎn)跡處理能力10 000點(diǎn)/10秒，航跡處理能力1 000批/10秒；2)顯示能力 能對(duì)雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行P顯、A顯、B顯和三維顯示；3)對(duì)外接口能力 具備網(wǎng)絡(luò)和光纖等數(shù)據(jù)接口，支持TTL，RS422等硬件接口。該雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)已成功應(yīng)用于工程項(xiàng)目中，通過各種環(huán)境試驗(yàn)和測(cè)試驗(yàn)證，性能優(yōu)越，穩(wěn)定可靠。

VPX總線以其超大帶寬、高速傳輸能力和高可靠性成為了軍用新一代總線的較佳選擇，將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。