基于VPX硬件架構(gòu)的新一代雷達(dá)終端

張小林++向海斌++鐘洪

摘 要：雷達(dá)應(yīng)用廣泛、功能各異，按其應(yīng)用領(lǐng)域可分為軍用與民用雷達(dá)兩類(lèi)。前者可進(jìn)一步分為預(yù)警雷達(dá)、搜索和警戒雷達(dá)、引導(dǎo)指揮雷達(dá)、火控雷達(dá)、制導(dǎo)雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)等，后者則包括氣象雷達(dá)、民用機(jī)場(chǎng)雷達(dá)、遙感設(shè)備雷達(dá)和測(cè)速雷達(dá)等。中國(guó)軍用雷達(dá)市場(chǎng)高速增長(zhǎng)，未來(lái)10年市場(chǎng)總規(guī)模有望達(dá)到3776億元。我國(guó)軍用雷達(dá)市場(chǎng)已邁入高速增長(zhǎng)階段，預(yù)計(jì)2025年軍用雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到573億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)11.5%，未來(lái)十年軍用雷達(dá)市場(chǎng)總規(guī)模將達(dá)到3776億元。本文對(duì)基于VPX硬件架構(gòu)的新一代雷達(dá)終端提出了研究，適應(yīng)了雷達(dá)發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)我國(guó)雷達(dá)終端領(lǐng)域的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：VPX；硬件架構(gòu)；雷達(dá)；終端

中圖分類(lèi)號(hào)：TN957 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.前言

新一代雷達(dá)終端以現(xiàn)代作戰(zhàn)需求與發(fā)展需要為指導(dǎo)，充分利用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有成熟、先進(jìn)技術(shù)，遵循通用化，系列化，組合化“三化”要求，規(guī)范和統(tǒng)一接口類(lèi)型，信息格式，顯示界面，終端的硬件采用模塊化組件結(jié)構(gòu)，終端的外形結(jié)構(gòu)，尺寸和各模塊組件標(biāo)準(zhǔn)化，終端中的各功能模塊分為通用模塊和專(zhuān)用模塊，通用模塊標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，規(guī)格一致，用戶可以根據(jù)配套對(duì)象的需要，選配不同類(lèi)型的功能模塊，組合成適用不同裝備使用的同一系列，不同類(lèi)型終端。

1.系統(tǒng)構(gòu)成

本文提出了一種基于VPX硬件架構(gòu)的新一代雷達(dá)終端的研究，系統(tǒng)構(gòu)成包括：顯控板，數(shù)據(jù)處理板，信號(hào)處理板，萬(wàn)兆/千兆交換板，接口板，風(fēng)扇，背板，電源，機(jī)箱，接口后IO板。研究中，顯控板優(yōu)選為自制型號(hào)EW-VP691，標(biāo)配2塊，且可擴(kuò)展。數(shù)據(jù)處理板優(yōu)選為自制型號(hào)EW-VP690，標(biāo)配1塊，且可擴(kuò)展。信號(hào)處理板優(yōu)選3塊。萬(wàn)兆/千兆交換板為自制型號(hào)EW-VP692，標(biāo)配2塊。接口板優(yōu)選1塊。風(fēng)扇優(yōu)選1塊。背板優(yōu)選2片，一片5槽，一片10槽。電源優(yōu)選1片。機(jī)箱優(yōu)選1個(gè)。接口后IO板可配置若干塊。

2.異構(gòu)主板框圖

圖1為本文基于VPX硬件架構(gòu)的新一代雷達(dá)顯控終端的主板框圖，構(gòu)成高性能異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)。

3. VPX主板IPMC設(shè)計(jì)方案

IPMB：Intelligent Platform Management Bus?？紤]到雙處理器的VPX單板集成密度大，為避免IPMC模塊PCB封裝過(guò)大影響單板PCB布局，IPMC模塊不采用做成小板扣在主板上的方案，而是采用直接貼片集成在主板上的方案，IPMC模塊原理圖設(shè)計(jì)成模塊化電路，各VPX單板統(tǒng)一使用同一個(gè)模塊化的IPMC電路。并規(guī)劃定義好各個(gè)硬件接口的作用和連接方式，VPX單板原理圖設(shè)計(jì)時(shí)只需要按本文檔的硬件接口說(shuō)明連接即可。

用ARM做IPMC模塊的主控處理器，用CPLD來(lái)管理單板的電源，IPMC與CPLD通過(guò)8位的數(shù)據(jù)總線和地址總線通信，從而實(shí)現(xiàn)IPMC對(duì)電源的管理和監(jiān)測(cè)。IPMC通過(guò)UART與CPU通信（備用方案用SPI通信）。

單板上背板后，此時(shí)IPMC和CPLD先上電，單板上的Payload電源此時(shí)沒(méi)有上電，IPMC完成應(yīng)用程序加載和初始化、自檢后發(fā)送上電指令給CPLD，CPLD接收到IPMC的上電指令后打開(kāi)單板的Payload電源。單板上電完成后，IPMC對(duì)單板的溫度和電源進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)單板出現(xiàn)溫度、電源和IPMC系統(tǒng)異常時(shí)，IPMC將異常信息存入IPMC的事件Log，并通過(guò)UART將單板的異常信息上報(bào)給CPU，也可以通過(guò)CPU來(lái)查詢IPMC的信息；IPMC通過(guò)IPMB總線來(lái)進(jìn)行風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)控。

當(dāng)不需要IPMC功能時(shí)，可通過(guò)BypassIPMC跳線帽禁止IPMC功能，接上Bypass跳線帽后，CPLD自動(dòng)按時(shí)序打開(kāi)單板電源，此時(shí)IPMC功能失效。因?yàn)镃PLD直接控制著電源的打開(kāi)、關(guān)斷，升級(jí)CPLD會(huì)導(dǎo)致單板斷電重啟，因此CPLD不支持遠(yuǎn)程升級(jí)。

如圖2所示，IPMB_A、IPMB_B冗余IPMB總線通過(guò)I2C Buffer連接到Zone1區(qū)，I2C Buffer使用PCA9513A，并用GPIO作為Ready和Enable監(jiān)控，Enable引腳用于使能I2C Buffer，Ready用于檢測(cè)I2C Buffer是否已使能。

IPMC通過(guò)UART與CPU通信，對(duì)于雙處理器的單板，IPMC用兩個(gè)UART分別與兩個(gè)處理器通信，每個(gè)處理器單獨(dú)用1個(gè)UART接口，IPMC通過(guò)處理器Online信號(hào)檢測(cè)單板有1個(gè)CPU還是兩個(gè)CPU。

RS232調(diào)試串口通過(guò)電阻或FPGA Switch開(kāi)關(guān)選擇的方式連接到前面板的RJ45串口插座，以便研發(fā)、生產(chǎn)調(diào)試。

1個(gè)512K字節(jié)的SPI Flash用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于LPC1778只有3路I2C，其中2路用于作為IPMB總線，只剩下1路I2C不能滿足需求，因此需要用I2C Switch擴(kuò)展出多路Master Only的I2C總線。具體實(shí)現(xiàn)方式是用PCA9545A將1路I2C總線擴(kuò)展成4路，且4路都支持熱插拔?？紤]到EEPROM中存儲(chǔ)著單板的配置信息，EEPROM讀取失敗會(huì)導(dǎo)致單板無(wú)法正常啟動(dòng)，因此I2C-0單獨(dú)用于主板的EEPROM；I2C-1用于讀寫(xiě)Temp傳感器，-48V電源模塊欠壓過(guò)壓信息等；I2C-2用于讀寫(xiě)RTM的I2C器件，如Temp傳感器和EEPROM等；I2C-3預(yù)留給AMC使用。

8個(gè)ADC用于采集單板的動(dòng)態(tài)電源的電壓。由于電壓較多，增加兩個(gè)多路復(fù)用器，共可以采集22路電壓值。

支持控制主板HS、OOS LED和RTM的HS、OOS LED共4個(gè)LED。

溫度告警信號(hào)由CPLD監(jiān)控，IPMC通過(guò)讀取溫度告警寄存器的值來(lái)判斷單板是否有溫度異常告警。

RTM用于監(jiān)控RTM的Online信號(hào)。

該項(xiàng)目配套軟件可運(yùn)行于Windows、Linux平臺(tái)上，使用OpenCL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，應(yīng)用于雷達(dá)信號(hào)處理等領(lǐng)域。該項(xiàng)目具有數(shù)字正交相位檢波、脈沖壓縮、動(dòng)目標(biāo)顯示、恒虛警檢測(cè)等理論算法、雷達(dá)終端PPI圖像生成以及人機(jī)交互、嵌入式高性能通用計(jì)算系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)包括搭載高性能酷睿處理器的單板計(jì)算機(jī)、搭載GPGPU的高性能異構(gòu)單板計(jì)算模塊、開(kāi)放的系統(tǒng)間高速串行互聯(lián)模塊。

最大可擴(kuò)展8片異構(gòu)計(jì)算模塊，異構(gòu)計(jì)算模塊間數(shù)據(jù)傳輸帶寬10Gb/S以上，單個(gè)13/42計(jì)算節(jié)點(diǎn)最大峰值浮點(diǎn)運(yùn)算能力每秒1000GFLOPS。另外，全系統(tǒng)采用VPX架構(gòu)，能夠滿足抗惡劣環(huán)境要求。除此之外，系統(tǒng)采用多星互聯(lián)結(jié)構(gòu)，單板功耗低于70W，具有性能良好、易使用的軟件開(kāi)發(fā)包。編程，軟件中間件，雷達(dá)信息處理異構(gòu)計(jì)算函數(shù)庫(kù)；支持MPI并行計(jì)算；動(dòng)目標(biāo)顯示MTI、自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示AMTI、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)MTD、雜波圖、恒虛警CFAR檢測(cè)等技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)從將雜波背景下檢測(cè)目標(biāo)的任務(wù)。多核、多處理器以及異構(gòu)計(jì)算方法對(duì)各處理算法進(jìn)行高效編程并形成標(biāo)準(zhǔn)、通用、使用性強(qiáng)的軟件開(kāi)發(fā)包，這將可以滿足雷達(dá)統(tǒng)計(jì)對(duì)信號(hào)處理的大容量與高實(shí)時(shí)性要求。

4.機(jī)箱熱量分布

機(jī)箱采用19″上架式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，高度7U，外形尺寸為276.5mm×311mm× 436mm。支持前I/O及后I/O插板，支持標(biāo)準(zhǔn)6U VPX板卡垂直插拔。

數(shù)據(jù)系統(tǒng)板卡主要由數(shù)據(jù)處理板、顯控板及交換板組成。系統(tǒng)最大支持10槽板卡。每種板卡模塊總功耗約為70W左右，整個(gè)系統(tǒng)的總功耗大約有700W。整機(jī)的工作溫度為-10℃～50℃。系統(tǒng)不僅功率大，而且板卡模塊排布，熱量集中。因而機(jī)箱設(shè)計(jì)的難度在于機(jī)箱的散熱處理。及時(shí)有效地將板卡模塊的熱量導(dǎo)出，并從機(jī)箱中有效散熱成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

5.散熱設(shè)計(jì)方案

熱量傳播的方式有3種：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。做散熱設(shè)計(jì)時(shí)主要從這3個(gè)方面去考慮。熱輻射是指一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大。熱輻射主要以電磁波的形式傳播，所以它與機(jī)箱的設(shè)計(jì)關(guān)系不大，在設(shè)計(jì)中主要考慮傳導(dǎo)、對(duì)流這兩種方式。

6.傳導(dǎo)方式

熱傳導(dǎo)通常指物體內(nèi)部或相互接觸的物體間存在溫度差時(shí)，熱量從高溫處傳向低溫處的過(guò)程。從上述定義看出密閉加固機(jī)箱的中的板卡模塊的主要的散熱方式為傳導(dǎo)散熱方式。通過(guò)板卡模塊上的發(fā)熱元器件傳導(dǎo)到散熱板上，然后散熱板再傳導(dǎo)到機(jī)箱上散熱。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文提出了一種基于VPX硬件架構(gòu)的新一代雷達(dá)終端的研究，采用服務(wù)器移動(dòng)平臺(tái)，大幅提升硬件平臺(tái)計(jì)算能力，支持大數(shù)據(jù)的處理能力；采用VPX加固型結(jié)構(gòu)，支持風(fēng)冷和導(dǎo)冷；采用新一代終端軟件，支持萬(wàn)兆、千兆交換，支持信號(hào)處理、航跡數(shù)據(jù)處理算法庫(kù)；體現(xiàn)新一代終端精細(xì)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的特點(diǎn)。

顯示、錄取、接口軟件為獨(dú)立程序，可單獨(dú)運(yùn)行，支持電子地圖等。該終端平臺(tái)，顯示、錄取、接口等功能可根據(jù)需要裁剪，用戶也可以提供自行開(kāi)發(fā)的雷達(dá)接口板及其軟件，集成為用戶自定義的設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]李學(xué)文.基于VPX總線架構(gòu)的信號(hào)處理機(jī)研究[D].中國(guó)航天第二研究院航天科工集團(tuán)第二研究院，2011.