一種多芯片標準化智能化一體機系統(tǒng)的研究

深圳市億威爾信息技術股份有限公司 張小林 林 青 鐘 洪 向海斌 巫 浩

一種多芯片標準化智能化一體機系統(tǒng)的研究

深圳市億威爾信息技術股份有限公司 張小林 林 青 鐘 洪 向海斌 巫 浩

針對雷達顯控市場的發(fā)展與新需求，我們在業(yè)界首先提出構建標準化、智能化、一體化雷達顯控終端設備的研究。以新一代堅固型VPX計算機作為核心計算模塊的硬件設計標準，以雷達顯控軟件的模塊化設計作為軟件標準，融合結構設計的標準化、模具設計的標準化、以及-40℃～+55℃環(huán)境下大尺寸顯示屏（19．5寸、21．5寸、24寸）的智能溫度控制與調節(jié)功能，確保通過該研究研制出的產(chǎn)品滿足各類惡劣環(huán)境下對移動雷達顯控得需求。

一體機；智能化；多芯片；核心板；標準化

1.前言

我國軍用計算機一直在跟隨國外計算機的發(fā)展，將軍用計算機嵌入到各種現(xiàn)代化武器系統(tǒng)中，包括小到各類專用的加固計算機，以至大到各類并行計算陣列（雷達與電子對抗）。在核心芯片級、操作系統(tǒng)、定量設計、抗極端惡劣環(huán)境設計等方面，差距很大。目前，我國國內(nèi)的VPX軍用計算機市場還處于初期，特別是在雷達顯控領域基本為零，我司提出的此項研究，將對填補我國在雷達顯控領域的長期技術弱勢，提升我國VPX軍用計算機的各項性能具有重大的建設意義。

2.技術路線

本文研究的一種多芯片核心板一體機智能化系統(tǒng)，其技術路線包括五個方面：19.5寸寸智能一體機模塊化設計；VPX核心板模塊化設計及模具標準化設計；21.5寸、24寸一體機模塊化、序列化設計；多核多芯片及高速高密度的VPX數(shù)據(jù)通訊與計算平臺的融合設計；雷達顯控技術與高性能異構計算機技術的融合。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

模塊化設計技術是由產(chǎn)品系列化、組合化、通用化和標準化的需求而孕育的。系列化用有限品種和規(guī)格的產(chǎn)品來最大限度、且較經(jīng)濟合理地滿足需求方對產(chǎn)品的要求。組合化是采用一些通用系列部件與較少數(shù)量的專用部件、零件組合而成的專用產(chǎn)品。通用化是借用原有產(chǎn)品的成熟零部件，能縮短設計周期，降低成本，增加產(chǎn)品的質量可靠性。標準化零部件是跨品種、跨廠家甚至跨行業(yè)的更大范圍零部件通用化。這種高度的通用化使得這種零部件可以由工廠的單獨部門或專門的工廠去單獨進行專業(yè)化制造。通過模塊化的設計，可以靈活搭配多尺寸顯示屏，節(jié)約生產(chǎn)時間，提高綜合效益。

高速串行總線技術能夠增加系統(tǒng)的計算密度，計算密度的增加又能減少系統(tǒng)的成本和重量，提高了惡劣環(huán)境下計算機的使用性能。目前最通用的三種串行總線為Gigabit Ethernet、RapidIO、PCI Express，能夠解決軍用計算機最為突出的數(shù)據(jù)傳輸需求，包括處理器與處理器之間、處理器與外設之間、處理刀片與處理刀片之間。GbE解決了計算系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的IP數(shù)據(jù)通信。RapidIO則解決處理器與處理器之間的通訊，通過RapidIO構建大型的多核多芯片并行計算結構。PCI Express解決CPU核心處理器與外設之間的高速高帶寬數(shù)據(jù)流傳輸。

在標準化智能一體機雷達顯控終端中，將Gigabit Ethernet、RapidIO、PCI Express三類總線技術的優(yōu)勢融合在一起，通過VPX標準化模塊共同構建一種強大的通訊計算架構。滿足國防領域多種抗惡劣環(huán)境計算系統(tǒng)的要求。

VPX在VME和CPCI 3U/6U機械結構的基礎上，引入級聯(lián)keying，增強板卡與背板的聯(lián)結強度，以及機械對準。同時，為了靈活地滿足大功耗板卡和傳導加固的使用模式，VPX規(guī)范定義了三種槽間距尺寸，包括0.8”、0.85”、1.0”。槽間距的增厚，方便專業(yè)技術人員對VPX產(chǎn)品進行更堅固的傳導加固設計。板卡雙面增加保護蓋，進一步增強VPX板卡的堅固可靠性以及EMC/EMI特性。

VPX定義了三種散熱模式，包括風冷、傳導冷卻、液冷，三種散熱模式采用不同的加固設計方式，確保VPX計算系統(tǒng)能在極端惡劣環(huán)境下的使用。

一體機的核心模塊是一塊將計算、顯示、網(wǎng)絡交換、IO接口集成在一起的四合一高性能VPX專用刀片計算機，采用最新工業(yè)計算機技術，最新工業(yè)級關鍵芯片，將最新的X86計算技術和網(wǎng)絡交換技術與雷達顯控終端專用軟硬件技術緊密結合，減少板卡種類，高度集成，達到國內(nèi)領先水平。

實現(xiàn)多路高清視頻數(shù)據(jù)的采集、顯示、記錄和回放。將A/D采集和SATA記錄、獨立顯卡集成在雷達專用VPX刀片計算機上。板載25M高速A/D接口，用于對輸入原始視頻采樣；板載四路高速SATA硬盤接口，支持海量數(shù)據(jù)存儲記錄和回放；板載FPGA和AMD E8860圖像處理器芯片，可處理和顯示高清視頻圖像，減輕CPU的負擔，支持1900*1200分辨率，同時兼容1600*1200分辨率。

一部雷達顯控終端中的幾個單元，選用同一塊VPX刀片計算機作為硬件平臺，只要裝載不同的軟件即可實現(xiàn)不同的功能，終端系統(tǒng)中的2塊錄取板、1塊顯控板可以互換使用；不同型號的LD，用相同的刀片計算機構成所需的終端設備，其刀片計算機可以互換使用。

標準化智能一體機VPX雷達顯控終端的各個結構零部件均采用標準化設計技術，進而做到模具設計標準化。所涉及的標準化模具部分包括：一體機內(nèi)部VPX導軌部件、VPX板卡尺寸及加固部件、VPX傳導加固鎖緊部件，把手部件、VPX面板部件、風扇模組部件、溫度調節(jié)部件、一體機面板按鈕部件、一體機鍵盤部件、液晶屏控制部件、EMC處理部件等。通過模具的標準化，提升批量加工的效率，提升加工質量。

采用核心板散熱技術，嵌入式高性能計算機由于體積限制和采用風冷方式，要求單個計算節(jié)點應具有千億次的浮點運算能力和低于60W的功率消耗。由于單個處理器和串行計算模式已無法滿足需要，處理器加并行加速器成為最有效解決方案。目前國際普遍采用GPGPU（通用圖像處理器）作為加速器的異構設計方法，但GPGPU是專用的進口產(chǎn)品，該產(chǎn)品對非x86系列處理器支持較差，非x86系列利用GPGPU開發(fā)難度較大。利用FPGA作為加速器雖能解決以上問題，但傳統(tǒng)FPGA設計復雜，設計思路同在CPU、GPU上設計軟件完全不同，還需大量的考慮如約束等非常細節(jié)的物理底層問題，穩(wěn)定可靠的FPGA加速器設計是本研究的關鍵。

標準化智能一體機的工作溫度為-40℃～+55℃，由于大屏幕液晶屏的低溫工作瓶頸最大是-10℃。鑒于此，需要解決低溫環(huán)境下大屏幕的正常顯示問題，我司采用對大尺寸液晶屏低溫預熱技術予以解決。通過設計智能化的單片機作為一體化機的控制單元，自動偵測環(huán)境溫度及液晶屏的溫度。在開機之前，當液晶屏的溫度低于-5℃時，單片機控制模塊自動開啟液晶屏加熱模塊，液晶屏的預熱時間最大不超過20分鐘，當液晶屏的溫度恢復到-5℃以上時，則關掉液晶屏加熱模塊，當液晶屏開始工作之后，溫度上升，一體機繼電器并聯(lián)使用。繼電器聲音小，接觸電阻小，相對可靠。

（2）被檢電流互感器二次的自動切換：主要針對的是穿心電流互感器。具體地說，數(shù)只同一變比的被試互感器（最多24只），將其放入輔臺的固定位置，通過輔臺的多工位控制單元控制電機將被試互感器的二次壓緊，這樣，數(shù)只被試互感器的所有接線可以一次性完成。詳見機械工程與自動化《穿心式電流互感器誤差檢定的自動接拆線裝置》。每只互感器的二次可以分別接入數(shù)個繼電器的常閉點，繼而通過控制單元切換繼電器，實現(xiàn)數(shù)只互感器的誤差檢定。

3.5 無功補償裝置

在實際工作中，我們有時會檢定電流比較大的互感器，例如5000A。這樣電流大小有可能升不到自身的120%，不能完成檢定。為此，我們根據(jù)用戶需要附有無功補償裝置。該裝置主要由自愈低壓電容器、過流保護開關、電流表、電壓表以及功率因數(shù)表組成。通過補償可以提高輸出功率因數(shù)，降低線路損耗，從而實現(xiàn)較大電流互感器誤差的檢定。

4.結束

該裝置主要用于實驗室，其創(chuàng)新點在于操作臺與主臺及輔臺之間使用了無線通訊，省掉了連線；而且，真正實現(xiàn)了對穿心式電流互感器的全自動檢定。其主要特點是操作簡單、勞動強度小、自動化程度高、安全性能高、工作效率高。除此之外，該裝置并非停留在理論階段的實驗室原型，而是已經(jīng)應用在智能電網(wǎng)環(huán)境下的設備，深受用戶的喜歡，成為本單位的主打產(chǎn)品。

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[5]冀蘭風．穿心式電流互感器誤差檢定的自動接拆線裝置[J]．機械工程與自動化,2015．