動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)采集與顯示單元設(shè)計(jì)

馮 婕，安 靜，孫 強(qiáng)，袁博，陳洪彩，付曉慶

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安，710065）

動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)采集與顯示單元設(shè)計(jì)

馮 婕，安 靜，孫 強(qiáng)，袁博，陳洪彩，付曉慶

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安，710065）

為了滿(mǎn)足光電跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的需求，解決當(dāng)前測(cè)試過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題，提出將PowerPC處理器用于動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)高效、準(zhǔn)確地采集與顯示。引入PowerPC處理器的動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備；數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)；PowerPC

0　引言

數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備的核心部件，是測(cè)試人員和測(cè)試設(shè)備之間最重要的人機(jī)接口。測(cè)試人員可通過(guò)該界面輸入目標(biāo)預(yù)期運(yùn)動(dòng)速度、位置，還可實(shí)時(shí)顯示模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度等相關(guān)信息，確保測(cè)試人員能全面及時(shí)觀(guān)察、掌握動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)目前基本均采用DSP處理器，由于動(dòng)態(tài)特性測(cè)試過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，而DSP處理器一般處理能力較低，無(wú)法配置嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，任務(wù)調(diào)度和中斷響應(yīng)效率較低，同時(shí)DSP處理器開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具的不盡完善，這就對(duì)數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求?；赑owerPC處理器數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、后期開(kāi)發(fā)難度低、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，本文提出了基于PowerPC的數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，以解決上述問(wèn)題。

1　設(shè)計(jì)需求

1.1數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備測(cè)試過(guò)程中通過(guò)不斷采集連續(xù)變化的目標(biāo)位置信息、轉(zhuǎn)臺(tái)輸出角位置、角速度曲線(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速率的精確控制，因此數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

1.2設(shè)備接口豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)。動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備中伺服控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集器分別通過(guò)RS422、RS485或VGA等接口與數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)交聯(lián)。同時(shí)，測(cè)試過(guò)程中還必須完成采集數(shù)據(jù)的同步編輯、曲線(xiàn)顯示、圖表數(shù)據(jù)輸出、存盤(pán)等，并且各處理結(jié)果應(yīng)能與通用的文檔處理軟件有方便接口。為此，數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)不僅需要豐富的設(shè)備接口，還需要具備一定的擴(kuò)展性，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的定制要求。

2　系統(tǒng)架構(gòu)

動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備中，數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)與伺服控制器、數(shù)據(jù)采集器交聯(lián)，是動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備的核心部件。數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)按照功能定義，供電單元負(fù)責(zé)為數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)提供二次電源，數(shù)據(jù)采集與顯示單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的任務(wù)管理、數(shù)據(jù)處理和圖形顯示功能，實(shí)時(shí)采集交聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，將圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行2D/3D硬件加速處理，然后按照系統(tǒng)規(guī)范在VGA顯示器中進(jìn)行顯示。圖1為動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1　動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)架構(gòu)

3　硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與顯示單元采用雙處理器架構(gòu)，主處理器采用高性能嵌入式PowerPC處理器，完成數(shù)據(jù)處理、任務(wù)管理和圖形顯示功能；圖形處理器采用高性能GPU處理器，完成顯示圖形的2D/3D硬件加速處理；雙處理器之間通過(guò)PCI總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.1 主處理器設(shè)計(jì)。高性能、低功耗的嵌入式處理器的選用能有效的提高數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的能耗比。數(shù)據(jù)采集與顯示單元主處理器采用MPC8270，主要由G2_LE內(nèi)核、系統(tǒng)接口單元（SIU）和通信處理模塊（CPM）組成。

主處理器設(shè)計(jì)中，MPC8270時(shí)鐘配置采用PCI host模式，MPC8270在60X總線(xiàn)上配置了多種存儲(chǔ)器，其中NVSRAM用于數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的記錄。

3.2圖形處理器設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集與顯示單元圖形處理器采用M9，M9是ATI公司針對(duì)新一代低功耗多媒體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高性能圖形處理芯片，它的圖形硬件加速性能極佳，功耗較低，是目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示的首選方案。

圖形處理器設(shè)計(jì)中，M9主頻配置為200MHz，與主處理器通過(guò)32位/33M的PCI總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。外部顯示接口采用VGA接口，圖形分辨率為1024×768。

3.3存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)。為滿(mǎn)足數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)工作需要，數(shù)據(jù)采集與顯示單元配置了大容量的SD卡。SD卡通過(guò)主處理器的PCI總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)，在FPGA中實(shí)現(xiàn)PCI總線(xiàn)到SD總線(xiàn)的橋接功能。SD卡配置FAT32文件系統(tǒng)和支持?jǐn)?shù)據(jù)加卸載。作為移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，SD卡讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)均采用DMA方式，用于在測(cè)試任務(wù)結(jié)束后下載系統(tǒng)記錄的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.4外部接口設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集與顯示單元提供多種外部接口，用于與外部數(shù)據(jù)采集器、伺服控制器、VGA顯示器等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)采集與顯示單元外部接口設(shè)計(jì)包括以下3部分：

（1） VGA接口：數(shù)據(jù)采集與顯示單元提供1路VGA接口，用于數(shù)據(jù)采集與顯示單元與VGA顯示器進(jìn)行圖像通信；

（2） RS422接口：數(shù)據(jù)采集與顯示單元提供2路全雙工RS422接口，1路用于數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，另1路用于數(shù)據(jù)采集與顯示單元與VGA顯示器的周邊按鍵通信；

（3） ARINC429接口：數(shù)據(jù)采集與顯示單元提供5路全雙工ARINC429接口，分別用于數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)與伺服控制器等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.5可編程邏輯設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集與顯示單元需要在FPGA中實(shí)現(xiàn)大量的協(xié)議轉(zhuǎn)換、總線(xiàn)橋接和接口控制功能，要求選用的FPGA器件邏輯規(guī)模要足夠大。同時(shí)，考慮到數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，F(xiàn)PGA要選用低功耗、低成本器件，并且在邏輯單元數(shù)量上應(yīng)留有一定的余量，以備后期進(jìn)行功能升級(jí)。數(shù)據(jù)采集與顯示單元FPGA設(shè)計(jì)采用1片XC2V1000芯片實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)以下4部分功能：

（1） 主處理器配置功能：實(shí)現(xiàn)主處理器的上電復(fù)位配置、看門(mén)狗控制、中斷配置、內(nèi)部狀態(tài)寄存器等功能；

（2） 60X總線(xiàn)地址譯碼功能：實(shí)現(xiàn)主處理器的60X總線(xiàn)譯碼，F(xiàn)LASH、NVSRAM的訪(fǎng)問(wèn)控制等功能；

（3） 總線(xiàn)橋接功能：實(shí)現(xiàn)PCI總線(xiàn)到SD總線(xiàn)的橋接功能；

（4） 協(xié)議轉(zhuǎn)換功能：實(shí)現(xiàn)RS422接口、ARINC429接口協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。

4　軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與顯示單元軟件架構(gòu)包括三部分：地面支持軟件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。圖2為數(shù)據(jù)采集與顯示單元軟件架構(gòu)。

4.1地面支持軟件

地面支持軟件包括在線(xiàn)編程工具和Tornado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，這些軟件均安裝在軟件開(kāi)發(fā)設(shè)備中，完成軟件的編輯、編譯、連接、加載、調(diào)試和固化等工作，并通過(guò)集成的調(diào)試工具對(duì)顯示處理單元的軟硬件狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

4.2系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括板級(jí)支持軟件和應(yīng)用支持軟件。其中，板級(jí)支持軟件是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開(kāi)發(fā)包，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的軟件接口。應(yīng)用支持軟件是位于板級(jí)支持軟件和應(yīng)用軟件之間的中間層軟件，主要為應(yīng)用軟件提供多種開(kāi)發(fā)支持。

4.3應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件根據(jù)系統(tǒng)功能需求，負(fù)責(zé)完成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和參數(shù)的綜合處理、圖形顯示與控制、接口數(shù)據(jù)通信、顯示器周邊按鍵處理、周期性自檢、故障告警與異常處理功能，以及數(shù)據(jù)加卸載、系統(tǒng)維護(hù)等輔助功能。

5　方案設(shè)計(jì)及總結(jié)

數(shù)據(jù)采集與顯示單元基于雙處理器架構(gòu)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，選用高性能低功耗處理器和大規(guī)模FPGA，提供多路設(shè)備輸入、輸出接口，降低了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和后期維護(hù)成本，同時(shí)為以后功能升級(jí)提供了良好的基礎(chǔ)。采用該設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全可以解決目前動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，并且會(huì)大大提升動(dòng)態(tài)特性綜合測(cè)試設(shè)備的測(cè)試能力，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 姜琳琳，趙博龍.飛行顯示器數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014（9）：30-33.

［2］ 劉碩，林榮超.綜合座艙顯示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（15）：160-162.

Design of data acquisition and display unit of integrated test equipment for dynamic characteristics

Feng Jie，An Jing，Sun Qiang，YuanBo，Chen Hongcai，F(xiàn)u Xiaoqing
（Xi’an Institute of Applied Optics，Xi’an，710065）

In order to meet the needs of photoelectric tracking system dynamic performance testing，to solve the problems existing in the process of test，put forward will PowerPC processor for dynamic characteristics of integrated test equipment to achieve moving target data efficiently and accurately capture and display.The introduction of the dynamic characteristics of PowerPC processor integrated test equipment data acquisition and display system has the characteristics of strong data processing ability，strong expansibility，stable and reliable target motion state， and has broad application prospects.

Integrated test equipment for dynamic characteristics；Data acquisition and display system；PowerPC

圖2　數(shù)據(jù)采集與顯示單元軟件架構(gòu)