數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦琪 韓毅博 楊忠斌 胡寶雷 中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

引言

隨著機(jī)載航電系統(tǒng)任務(wù)復(fù)雜程度的增加，對(duì)各種任務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力、可靠性等要求日益提高，同時(shí)體積和重量卻要求不斷減小。因此，設(shè)計(jì)一種高可靠、高性能且具備高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)據(jù)處理模塊變得至關(guān)重要。本文主要介紹基于FC網(wǎng)絡(luò)的高性能高集成度的通用處理模塊的設(shè)計(jì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)處理模塊（DPM）是任務(wù)處理系統(tǒng)中的組成單元之一，主要為傳感器數(shù)據(jù)處理、任務(wù)處理等軟件提供計(jì)算處理平臺(tái)。每個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊是1臺(tái)整機(jī)，內(nèi)部由電源模塊、處理模塊、通信模塊組成。實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度與管理、FC網(wǎng)絡(luò)交換控制、數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算等功能。數(shù)據(jù)處理模塊主要由FC光纖通道節(jié)點(diǎn)卡、電源組件、雙CPU處理器模塊及雷電防護(hù)母板組成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理模塊功能框圖

1.2 電源組件

電源組件主要由濾波電路、抗過(guò)壓浪涌、升壓電路和儲(chǔ)能電路等幾部分組成。電源輸入端設(shè)計(jì)濾波器，差模濾波電路采用LC濾波，濾除電源轉(zhuǎn)換電路開(kāi)關(guān)管斬波的噪聲尖峰反射，共模濾波電路選擇電容濾波。該電容設(shè)置在電源輸入的+、-與大地之間，為高頻共模電流提供低阻抗通路。

1.3 雙CPU處理器模塊

雙CPU處理器模塊主要由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的處理單元組成，處理單元中單個(gè)處理器配置2GB的DDR3 SDRAM、256MB的NOR FLASH以及溫控芯片等外設(shè)。每個(gè)處理單元配置的資源均保持一致且相互獨(dú)立，處理器之間無(wú)耦合，滿足技術(shù)協(xié)議獨(dú)立性的要求。兩個(gè)處理器通過(guò)寄存器寫(xiě)入不同的值（如A和B）來(lái)進(jìn)行識(shí)別和區(qū)分，處理器模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 處理器模塊結(jié)構(gòu)框圖

1.4 FC光纖通道節(jié)點(diǎn)卡

FC光纖通道節(jié)點(diǎn)卡主要完成FC接口電路功能，單模塊配置兩塊FC光纖通道節(jié)點(diǎn)卡。節(jié)點(diǎn)卡運(yùn)行于嵌入式操作操作系統(tǒng)下，通過(guò)FC 端口與FC 網(wǎng)絡(luò)連接，節(jié)點(diǎn)卡主要由硬件和軟件構(gòu)成，其中軟件主要為驅(qū)動(dòng)程序、API 接口程序和相關(guān)設(shè)備/通信管理軟件，節(jié)點(diǎn)卡采用多通道并發(fā)讀寫(xiě)的設(shè)計(jì)，由中斷事件驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低CPU占用率；各個(gè)通道的緩沖區(qū)獨(dú)立，互不干擾，便于實(shí)現(xiàn)高速收發(fā)數(shù)據(jù)。FC接口電路沿用經(jīng)主機(jī)所認(rèn)證測(cè)試通過(guò)的成熟子卡。

1.5 雷電防護(hù)接口板

雷電防護(hù)接口板由兩塊印制板組成，兩個(gè)印制板間的采用連接器進(jìn)行信號(hào)交互，雷電防母板上將GND、GND28V及CGND進(jìn)行共地，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)通路及與雷電防護(hù)要求相關(guān)的通路，同時(shí)完成雷電防護(hù)功能。

1.6 雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

雷電防護(hù)主要依靠瞬態(tài)抑制器（TVS管），所以應(yīng)將需要防護(hù)的信號(hào)線按其工作電壓進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)分類(lèi)的結(jié)果選擇適合的TVS管進(jìn)行防護(hù)。雷電防護(hù)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)在母板上，其具體電路如圖3所示。

圖3 閃電防護(hù)電路示意圖

1.7 時(shí)間同步

航電系統(tǒng)的時(shí)鐘源將時(shí)鐘信息通過(guò)交換機(jī)傳送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊接收到時(shí)鐘源信息后，時(shí)鐘源傳來(lái)的源RTC時(shí)鐘信息和本地RTC時(shí)鐘信息存在誤差。此時(shí)需要將源RTC時(shí)鐘信息和本地RTC時(shí)鐘信息取差值絕對(duì)值相加作為修正，將修正后的結(jié)果作為數(shù)據(jù)處理模塊獲得的系統(tǒng)時(shí)鐘信息。為了保證精度，可根據(jù)需要進(jìn)行多次的修正，取差值平均值作為修正值。

如果沒(méi)有收到時(shí)鐘源信息，數(shù)據(jù)處理模塊以本地RTC時(shí)鐘信息為準(zhǔn)，作為自己的系統(tǒng)時(shí)鐘信息。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)及配置項(xiàng)劃分

數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)的軟件主要駐留在數(shù)據(jù)處理功能區(qū)的軟件實(shí)現(xiàn)了駐留應(yīng)用功能、通用系統(tǒng)管理功能及加載服務(wù)功能，主要包括如下配置項(xiàng)：

a.通用系統(tǒng)管理軟件；

b.數(shù)據(jù)加載服務(wù)軟件；

c.數(shù)據(jù)處理模塊平臺(tái)軟件；

d.光纖節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)軟件。

2.2 通用系統(tǒng)管理軟件

通用系統(tǒng)管理軟件是系統(tǒng)管理功能的一部分，是IA系統(tǒng)管理的下級(jí)，駐留在每個(gè)處理單元上，負(fù)責(zé)收集和上報(bào)各個(gè)軟件的版本號(hào)，監(jiān)控當(dāng)前處理單元的故障以及管理故障清單，包括維護(hù)故障清單（MFL）和飛行故障清單（PFL），支持進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)的功能。

2.3 數(shù)據(jù)加載服務(wù)軟件

數(shù)據(jù)加載服務(wù)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理模塊各功能軟件的在線加載功能。

2.4 數(shù)據(jù)處理模塊平臺(tái)軟件

數(shù)據(jù)處理模塊平臺(tái)軟件包括系統(tǒng)引導(dǎo)軟件、板集支持軟件。系統(tǒng)引導(dǎo)軟件應(yīng)提供的功能包括操作界面、硬件初始化、配置參數(shù)管理、FLASH編程等功能。板級(jí)支持包應(yīng)為VxWorks操作系統(tǒng)提供運(yùn)行支持。

VxWorks653操作系統(tǒng)為綜合化支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，符合ARINC653標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要是指對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊中所配備的接口設(shè)備提供驅(qū)動(dòng)程序，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理。

2.5 光纖節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)軟件

光纖節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)軟件主要實(shí)現(xiàn)FC光纖通道節(jié)點(diǎn)卡上光纖節(jié)點(diǎn)的功能驅(qū)動(dòng)和模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。

3 關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)處理模塊主要用到的關(guān)鍵技術(shù)如下：

a.FC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：FC網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速率高，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)豐富，誤碼率低，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可作為系統(tǒng)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

b.高性能處理模塊技術(shù)：在處理器優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，雙處理器設(shè)計(jì)得以進(jìn)一步有效提高系統(tǒng)性能、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小低輕設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)處理模塊采用了雙CPU處理器結(jié)構(gòu)，由兩塊高性能處理器構(gòu)成處理器模塊，應(yīng)用傳輸距離大、重量輕和安全性好的FC網(wǎng)絡(luò)，且綜合化程度高，體積小,大大提高了直升機(jī)的任務(wù)處理分系統(tǒng)的維修性，可滿足直升機(jī)任務(wù)處理分系統(tǒng)的要求。