基于VPX架構(gòu)的視頻采集設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范毅　王一兵　袁繼荷

關(guān)鍵詞：VPX；視頻采集；運(yùn)載火箭；瞄準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：V556 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)和微處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用高性能的FPGA、DSP、GPP等組成的異構(gòu)多處理器系統(tǒng)作為計(jì)算處理單元，并采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線作為互連體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，逐漸成為嵌入式計(jì)算平臺(tái)硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種趨勢(shì)，廣泛應(yīng)用于軍事、民用中的無線通信、信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)交換等領(lǐng)域。

在運(yùn)載火箭的瞄準(zhǔn)過程中，通過操作已知初始方位基準(zhǔn)的瞄準(zhǔn)設(shè)備瞄準(zhǔn)箭上目標(biāo)棱鏡確定運(yùn)載火箭的初始方位角。在以往的瞄準(zhǔn)操作過程中，操作人員需要在發(fā)射場(chǎng)坪地面瞄準(zhǔn)間操作架設(shè)的瞄準(zhǔn)設(shè)備，利用大地坐標(biāo)點(diǎn)獲得方位基準(zhǔn)，通過旋轉(zhuǎn)火箭發(fā)射平臺(tái)帶動(dòng)慣組棱鏡旋轉(zhuǎn)，使火箭處于射向平面附近，再通過微動(dòng)瞄準(zhǔn)設(shè)備瞄準(zhǔn)箭上目標(biāo)棱鏡確定目標(biāo)棱鏡初始方位。

傳統(tǒng)的瞄準(zhǔn)設(shè)備需要人員在發(fā)射場(chǎng)值守操作，設(shè)備不具備發(fā)射階段遠(yuǎn)程控制、無人操作的能力。為解決無人值守操作的難題，采取近距離水平瞄準(zhǔn)方案，即在火箭臍帶塔上與箭上慣組位置等高位置設(shè)置瞄準(zhǔn)工位，瞄準(zhǔn)設(shè)備通過瞄準(zhǔn)箭上慣組棱鏡，從而獲得箭上慣組棱鏡初始方位。在前端瞄準(zhǔn)工位設(shè)置視頻采集設(shè)備，在后端指揮大廳設(shè)置瞄準(zhǔn)控制設(shè)備，通過光纖將采集目標(biāo)視頻傳輸至后端指揮大廳。在火箭加注階段，可以通過在指揮大廳的后端控制設(shè)備控制前端瞄準(zhǔn)設(shè)備完成瞄準(zhǔn)操作，滿足了火箭系統(tǒng)無人值守操作的需求。同時(shí)，為了響應(yīng)國(guó)家科技裝備自主可控的要求，視頻采集設(shè)備采用了全國(guó)產(chǎn)化的技術(shù)設(shè)計(jì)，技術(shù)方案符合運(yùn)載火箭系統(tǒng)快速、自主、可靠、安全的發(fā)展方向。

1功能與產(chǎn)品架構(gòu)

視頻采集設(shè)備作為運(yùn)載地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的重要組成部分，是火箭發(fā)射控制系統(tǒng)中的分系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。視頻采集設(shè)備通過VGA接口接收來自CCD攝像頭的目視視場(chǎng)圖像，通過嵌入圖像識(shí)別軟件對(duì)目標(biāo)進(jìn)行特征識(shí)別，解算出慣組棱鏡偏離視場(chǎng)中心的極性和偏離大小等。視頻采集設(shè)備通過2路LC/PC光纖接口的通信方式接收后端瞄準(zhǔn)控制設(shè)備的控制命令，隨后向瞄準(zhǔn)控制設(shè)備發(fā)送瞄準(zhǔn)視頻圖像、瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等信息。操作人員在后端操作瞄準(zhǔn)控制設(shè)備指揮控制前端瞄準(zhǔn)設(shè)備完成瞄準(zhǔn)操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控?zé)o人值守瞄準(zhǔn)。

2技術(shù)設(shè)計(jì)

視頻采集設(shè)備采用基于高性能龍芯LS3A3000 CPU+7A1000J橋片架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)6U VPX主板，板卡設(shè)計(jì)滿足VPX設(shè)計(jì)規(guī)范，在有限的空間內(nèi)提高運(yùn)行平臺(tái)的接口功能，具有良好的兼容性。設(shè)備預(yù)留具備PCIex4、PCIexl可配置接口的標(biāo)準(zhǔn)3U VPX槽位，通過VPX背板實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)之間的互連和對(duì)外接口信號(hào)的引出，可靈活配置擴(kuò)展板卡功能，便于后續(xù)功能拓展。視頻采集設(shè)備對(duì)外提供2路VGA、4路自適應(yīng)千兆以太網(wǎng)、4路USB2.0、l路調(diào)試接口，視頻采集設(shè)備安裝中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)，運(yùn)行瞄準(zhǔn)控制軟件。

2.1硬件設(shè)計(jì)

視頻采集設(shè)備主要由1塊CPU板、1塊SATA擴(kuò)展板、1塊BUS板和1塊電源模塊板組成。CPU板采用VPX總線結(jié)構(gòu)，電源模塊使用矩形接插件直接對(duì)插至BUS板。機(jī)箱內(nèi)預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)3U VPX接口板槽位。視頻采集設(shè)備組成表如下所示。

CPU板采用龍芯LS3A3000處理器+龍芯LS7A1000J橋片架構(gòu)，龍芯LS3A3000是一個(gè)配置為單節(jié)點(diǎn)4核的處理器，采用28nm工藝制造，工作主頻為1.2GHz。龍芯公司在設(shè)計(jì)芯片時(shí)，充分考慮了芯片的繼承性和兼容性，后續(xù)推出的LS3A5000以及LS3A5000以后的幾代產(chǎn)品，都與LS3A3000引腳Pin-to-Pin兼容，功能兼容，而性能提升，芯片升級(jí)以后，可直接在CPU板板卡上焊接新的CPU，無須重新設(shè)計(jì)。

設(shè)備橋片選型為龍芯7A1000，龍芯7A1000橋片是龍芯的第一款專用橋片組產(chǎn)品，用于替代AMDRS780+SB710橋片組，為龍芯處理器提供南北橋功能。橋片通過HT高速總線接口與龍芯3號(hào)系列處理器相連，內(nèi)部集成GPU，Display Controller、DDR3 SDRAM顯存控制器，以及PCIe，SATA，USB、GMAC，I2C，UART、GPIO等接口。

機(jī)箱內(nèi)部為標(biāo)準(zhǔn)的6U VPX計(jì)算板卡。龍芯LS3A3000處理器擁有雙通道內(nèi)存控制器，外部掛載板貼DDR4內(nèi)存顆粒，實(shí)現(xiàn)共16GB的內(nèi)存；同時(shí)支持ECC功能，處理器之間通過HT3.0總線相連，處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)所有資源進(jìn)行管理；處理器連接橋片LS7A1000J，CPU板通過LS7A1000J中SATA2.0接口外接MUu SATA電子盤，實(shí)現(xiàn)1TB容量的存儲(chǔ)；通過國(guó)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)通信芯片實(shí)現(xiàn)4路千兆網(wǎng)的功能；提供4路USB2.0接口功能，經(jīng)過防護(hù)電路后引至后出線；控制接口信號(hào)輸入電源系統(tǒng)，用于控制CPU板的開關(guān)機(jī)；同時(shí)引出5V電壓指示燈信號(hào)到VPX接插件。

龍芯LS7A1000J橋片中集成了3個(gè)獨(dú)立的SATA控制器，每個(gè)控制器控制1個(gè)SATA接口，每個(gè)接口最高支持3Gb/s的數(shù)據(jù)速率，兼容串行ATA2.6規(guī)范和AHC1.1規(guī)范。在CPU板中，SATAO接口采用國(guó)產(chǎn)自主可控MiniSATA電子盤的形式擴(kuò)展了存儲(chǔ)功能，電子盤與主板之間通過貴航電器的高速、高可靠板間連接器進(jìn)行連接，確保連接的可靠性。主控采用國(guó)產(chǎn)化SATA主控芯片，外掛兩顆紫光DDR3顆粒，布置4顆長(zhǎng)江存儲(chǔ)256GBTLC FLASH顆粒，總?cè)萘窟_(dá)到1TB，具有高度集成化特點(diǎn)。SATA1接口連接1TB容量的機(jī)械硬盤。

CPU板中實(shí)現(xiàn)了4路10/100/1000M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，通過龍芯7A1000J橋片的PCIe2.0x4接口連接轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換芯片選用國(guó)產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)通信芯片，通信芯片通過PCIe×4接口轉(zhuǎn)換為4路千兆網(wǎng)接口，同時(shí)該芯片內(nèi)部包含PHY功能，外部只需連接網(wǎng)絡(luò)變壓器即可。4路網(wǎng)絡(luò)依據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行配置。4路網(wǎng)絡(luò)可以配置成4路獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)接口，可以任意兩兩配置成雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口。當(dāng)配成雙冗余網(wǎng)絡(luò)接口時(shí)，網(wǎng)絡(luò)冗余切換由底層驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)。另外主板后輸出兩路光纖接口，光電轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在BUS板上。

CPU板上集成FPGA，通過IP核擴(kuò)展2路RS232接口，晶振選用18.432Mbps，實(shí)現(xiàn)最大通信速率1.152Mbps。接口電路通過深圳國(guó)威的SM3232擴(kuò)展在BUS板上。

視頻采集部分設(shè)計(jì)采取FPGA讀取VGA信號(hào)，并通過PCIex4與龍芯LS3A3000通信，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的采集與處理。

電源模塊用于將交流220V轉(zhuǎn)換成3路輸出，分別為+12V、+5V、+3.3V輸出為各功能板卡提供電源輸入，支持最大500w功率輸出。電源采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由輸入整流濾波電路、主功率模塊、輸出濾波電路、上電控制電路組成。輸入整流濾波電路實(shí)現(xiàn)將交流輸入整流為200V電壓，主功率模塊實(shí)現(xiàn)將200V電壓轉(zhuǎn)化為低壓輸出，輸出濾波電路可有效地濾除共模噪聲干擾，降低輸出紋波，通過上電控制電路控制各路輸出上電時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU各功能模塊的保護(hù)。電源模塊支持寬電壓輸入范圍，入口帶EMI濾波電路，輸出采取均流設(shè)計(jì)，支持N+1的冗余設(shè)計(jì)，具有過壓、過流、過功率保護(hù)功能。

背板設(shè)計(jì)遵循OpenVPX 3U標(biāo)準(zhǔn)，采用多層布線加濾波技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，共5槽，分別為1個(gè)電源模塊板槽位、1個(gè)CPU板槽位、1個(gè)SATA板槽位、1個(gè)擴(kuò)展板槽位、1個(gè)預(yù)留槽位。背板選型采用VPX高速連接器，速率最高支持20Gb/s。在背板上設(shè)計(jì)有焊線區(qū)域，將對(duì)包括以太網(wǎng)、USB、開關(guān)控制等信號(hào)從VPX接插件通過撓性印制板與后面板接插件連接，大大減少了機(jī)箱內(nèi)部焊線，提高了生產(chǎn)效率。

2.2軟件設(shè)計(jì)

視頻采集設(shè)備配套軟件由系統(tǒng)軟件、配套驅(qū)動(dòng)軟件和瞄準(zhǔn)控制軟件組成，系統(tǒng)軟件包括PMON軟件和操作系統(tǒng)軟件。

PMON系統(tǒng)軟件是通用計(jì)算機(jī)主板模件配套的專用國(guó)產(chǎn)固件，為類BIOS軟件，主要用于設(shè)備資源初始化及引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動(dòng)，以目標(biāo)碼的形式提供，在機(jī)器出廠時(shí)，通過編程器寫入FLASH芯片。

實(shí)現(xiàn)的功能包括以下方面：

（1）橋片及控制器初始化；

（2） PMON更新功能（支持本地升級(jí)，網(wǎng)絡(luò)升級(jí)）；

（3）多系統(tǒng)啟動(dòng)菜單加載支持，網(wǎng)絡(luò)加載內(nèi)核支持；

（4） PMON下的調(diào)試命令支持；支持快捷鍵進(jìn)入PMON設(shè)置界面。

除以上通用功能外，還針對(duì)模塊進(jìn)行專用PMON軟件配置，將PMON階段需要初始化的外圍設(shè)備，準(zhǔn)確地反映在配置選項(xiàng)中，刪除冗余選項(xiàng)。

操作系統(tǒng)軟件集成內(nèi)核源碼樹，支持在國(guó)產(chǎn)化體系架構(gòu)下的驅(qū)動(dòng)軟件及應(yīng)用軟件開發(fā)。主要提供中標(biāo)麒麟Lmux操作系統(tǒng)和硬件之間的接口，初始化CPU、板載網(wǎng)絡(luò)、電子盤、USB等接口，加載文件系統(tǒng)根目錄引導(dǎo)進(jìn)入操作系統(tǒng)。

配套驅(qū)動(dòng)為通用計(jì)算機(jī)配套底層驅(qū)動(dòng)，主要為網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)和RS232接口驅(qū)動(dòng)程序。

驅(qū)動(dòng)配套軟件實(shí)現(xiàn)基本的任務(wù)管理／存儲(chǔ)管理／通用文件管理／設(shè)備管理／網(wǎng)絡(luò)管理等功能、支持多核多處理器間的運(yùn)行效率均衡（ SMP）、支持國(guó)產(chǎn)處理器配套橋片及各類接口初始化、支持2D/3D圖形加速、支持模塊配套的USB2.0、KVM、SSD等接口或設(shè)備、提供圖形控件、支持多字符集等需求。

瞄準(zhǔn)控制軟件控制瞄準(zhǔn)工作流程，指揮前端瞄準(zhǔn)設(shè)備跟蹤棱鏡運(yùn)動(dòng)，接受來自CCD攝像頭的目視視場(chǎng)圖像，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行特征識(shí)別，解算出慣組棱鏡偏離視場(chǎng)中心的極性和偏離大小。視頻流通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)入視頻采集設(shè)備后，被接收下來存儲(chǔ)在機(jī)械硬盤上，同時(shí)按照UVC1.1的協(xié)議進(jìn)行視頻協(xié)議解碼，解碼后通過VGA接口嵌入顯示到本地顯示屏的應(yīng)用程序內(nèi)，并通過另一路VGA口顯示到另一臺(tái)顯示器上。

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

視頻采集設(shè)備采用VPX架構(gòu)，其中CPU板采用雙龍芯LS3A3000處理器，與顯卡板通過VPX背板使用PCIex8進(jìn)行互聯(lián)。CPU板的2路VGA信號(hào)輸出機(jī)箱后面板。CPU板的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、USB信號(hào)、串口調(diào)試信號(hào)均通過背板延伸出的撓型印制板直接連至后面板接插件，其余信號(hào)使用焊線連至后面板接插件及前面板指示燈。機(jī)箱前面板提供電源開關(guān)（帶鎖帶燈）、復(fù)位按鍵、狀態(tài)燈和告警燈；機(jī)箱下方帶抽拉式鍵盤。

機(jī)箱材料采用鋁合金，整體導(dǎo)電氧化處理，提高導(dǎo)電率。分析視頻采集設(shè)備系統(tǒng)的性能指標(biāo)和應(yīng)用環(huán)境，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，視頻采集設(shè)備設(shè)計(jì)采用VPX架構(gòu)，機(jī)箱采用前插板式全封閉一體化結(jié)構(gòu)，機(jī)箱高度為2U，符合通用標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)柜的上架要求，全密封鋁合金拼接結(jié)構(gòu)形式，采用成熟的加固設(shè)計(jì)和電磁屏蔽設(shè)計(jì)技術(shù)，內(nèi)部采用導(dǎo)電氧化處理，電磁屏蔽性能良好，抗振性能良好。

機(jī)箱散熱方式為導(dǎo)冷方式，上、下蓋板整板采用均熱板，極大地增強(qiáng)了整機(jī)的散熱能力，滿足散熱設(shè)計(jì)要求；同時(shí)采用全密封設(shè)計(jì)，能夠滿足系統(tǒng)電磁兼容性要求；計(jì)算機(jī)采用無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，產(chǎn)品工作時(shí)無噪聲，滿足對(duì)產(chǎn)品低噪聲的要求。

為了保證接縫處接觸良好，實(shí)現(xiàn)金屬間的接觸，不同的結(jié)構(gòu)件的連接結(jié)構(gòu)為鑲?cè)胧?，結(jié)合處裝導(dǎo)電密封圈，保證鍍層導(dǎo)電及機(jī)箱導(dǎo)電性能的連續(xù)性，能有效地防止電磁泄漏。

結(jié)語(yǔ)

無人值守發(fā)射是航天發(fā)射技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，基于VPX構(gòu)型的視頻采集設(shè)備具有設(shè)備組成簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、操作流程簡(jiǎn)化的特點(diǎn)。通過模塊化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)設(shè)備的替代升級(jí)，從硬件到軟件均采用全國(guó)產(chǎn)化的技術(shù)設(shè)計(jì)，順應(yīng)了國(guó)家科技裝備自主可控的要求，滿足我國(guó)航天發(fā)射任務(wù)的應(yīng)用需求，為我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展提供有力支撐，在未來運(yùn)載火箭上有廣闊的應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：范毅（1978—），男，漢族，北京人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：光電與精密儀器設(shè)計(jì)；王一兵（1965—），男，漢族，北京人，大專，工程師，研究方向：電子測(cè)量技術(shù)；袁繼荷（1991—），男，漢族，北京人，本科，工程師，研究方向：機(jī)電精密儀器設(shè)計(jì)。