一種基于VPX架構(gòu)的雷達數(shù)據(jù)記錄接口刀片設計

孫宜斌,王其斌,潘 望,杜劍波

(南京萊斯電子設備有限公司,江蘇 南京 210007)

0 引言

近年來,由于無人機、隱身戰(zhàn)斗機技術(shù)的高速發(fā)展,國際局勢及空中作戰(zhàn)方式發(fā)生了翻天覆地的變化,傳統(tǒng)的地面雷達裝備及對空作戰(zhàn)思想已經(jīng)很難適應現(xiàn)如今的復雜空情環(huán)境。如何在無人機、隱身飛機越來越多地參與空中作戰(zhàn)的情況下,保證自身的主動性,已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重中之重。由于無人機、隱身飛機的雷達反射面積小,容易被雷達錄取終端當作干擾濾除,或者在雷達屏幕稍縱即逝,僅憑地面操作員肉眼很難完全抓住重要空情,但是雷達原始視頻信息對于事后重演或分析無人機、隱身飛機的雷達反射特性有著重要參考價值,因此雷達原始視頻的可靠穩(wěn)定記錄存儲有著重要意義[1]。

雷達原始視頻等數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠存儲,要求系統(tǒng)具有高速數(shù)據(jù)吞吐能力及總線帶寬。記錄接口刀片采用滿足VITA46標準的OPEN VPX架構(gòu)。VPX架構(gòu)是VITA組織于 2007 年提出的新一代高速串行總線標準,該標準引入了PCIe、SRIO、40 G以太網(wǎng)等目前主流的高速串行通信接口[2],使得該架構(gòu)技能兼顧傳統(tǒng)VME標準在機械強度及散熱方面的優(yōu)勢,又能具備高速數(shù)據(jù)吞吐能力及標準化、通用化、模塊化等優(yōu)勢[3-4]。

1 系統(tǒng)工作原理

記錄接口刀片作用于符合VPX軍用處理規(guī)范標準的雷達錄取終端中,與其他功能刀片采用全交換網(wǎng)緊密結(jié)合的軟硬件協(xié)同處理與傳輸方式[5]。對上承接雷達前端信號處理通過40 G以太網(wǎng)絡發(fā)送的雷達原始視頻信息、錄取終端中數(shù)據(jù)處理刀片經(jīng)kM以太網(wǎng)發(fā)送的凝聚后的雷達點航跡數(shù)據(jù)以及顯示控制刀片經(jīng)kM以太網(wǎng)發(fā)送的雷達控制指令等狀態(tài)信息;對下將接收到的前端數(shù)據(jù)進行重新編解碼,轉(zhuǎn)換成高可靠、低延時的SRIO(Serial Rapid IO)高速接口形式,通過光纖介質(zhì)將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至雷達數(shù)據(jù)記錄儀。在整個雷達系統(tǒng)中,充當雷達錄取終端與數(shù)據(jù)記錄儀的高速通信橋梁,扮演承上啟下的關鍵角色。記錄接口刀片邏輯原理如圖1所示。

圖1 記錄接口刀片邏輯原理

2 系統(tǒng)整體拓撲及主要性能

記錄接口刀片系統(tǒng)拓撲如圖2所示。CPU采用天津飛騰公司最新的桌面8核處理器騰銳D2000,最高主頻可達2.3 GHz;系統(tǒng)內(nèi)存采用國產(chǎn)紫光DDR4表貼顆粒,整機內(nèi)存容量8 GB;顯示部分采用國產(chǎn)化自主可控的JH920系列XMC顯示模塊,顯存容量8 GB,運算能力可達1.2 T FLOPS;本地存儲采用國產(chǎn)鴻秦表貼SSD顆粒,容量128 GB;整板功耗不高于80 W。

圖2 記錄接口刀片系統(tǒng)拓撲

3 主要功能硬件設計

3.1 內(nèi)存設計

飛騰D2000處理器支持DDR3、DDRL、DDR4協(xié)議,支持兩個DDR訪問通道,每個通道包含64個數(shù)據(jù)位和8個ECC校驗位。記錄接口刀片采用16片紫光DDR4顆粒SCB12Q4G800AF,單顆粒容量4 GB、X8位寬,實現(xiàn)8 GB內(nèi)存容量。

3.2 SRIO電路設計

SRIO接口是一種前沿的高可靠、低延時的高速通信接口,廣泛應用于地面雷達、航空、航天等領域[6]。記錄接口刀片采用SRIO接口作為與雷達數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)交互通道,能確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。SRIO接口電路采用IDT公司的Tsi721實現(xiàn)。Tsi721上行為PCIe 2.0×4,下行為×4的SRIO高速接口,速率支持5 Gbps、2.5 Gbps可配置。記錄接口刀片采用兩片Tsi721芯片,上行通過PCIe Switch芯片PEX8748掛載在飛騰D2000 PCIe接口;下行通過光電轉(zhuǎn)換模塊再經(jīng)光纖與雷達記錄儀繼續(xù)數(shù)據(jù)交互。SRIO接口電路原理如圖3所示。

圖3 SRIO電路原理

3.3 40 G以太網(wǎng)電路設計

40 G以太網(wǎng)用于接收雷達前端原始視頻數(shù)據(jù),記錄接口刀片CPU原生一組PCIe×8通過PCIe轉(zhuǎn)40 G以太網(wǎng)芯片XL710,擴展出2路40 G以太網(wǎng),總線協(xié)議標準為40 GBASE-KR4,傳輸速率峰值為40 Gbps錄取終端內(nèi)部通過40 G網(wǎng)絡交換刀片與雷達前端信號處理互聯(lián)。40 G以太網(wǎng)電路原理如圖4所示。

3.4 千兆以太網(wǎng)電路設計

記錄接口刀片包含4個kM網(wǎng)卡,其中兩路與雷達錄取終端網(wǎng)絡交換刀片互聯(lián),用于接收數(shù)據(jù)處理刀片發(fā)送的凝聚后點航跡數(shù)據(jù)以及顯示控制刀片發(fā)送的雷達控制等指令信息,另外兩路kM以太網(wǎng)對外與雷達通用記錄儀互聯(lián),用于將通過網(wǎng)絡交換刀片接收到的數(shù)據(jù)重新編解碼后轉(zhuǎn)送給雷達數(shù)據(jù)記錄儀進行存儲。實現(xiàn)方式采用PCIe轉(zhuǎn)kM以太網(wǎng)控制芯片NHI350AM4,該芯片上行為PCIe 2.0×4接口,掛載在飛騰D2000的原生PCIe接口,下行輸出4路Serdes接口形式的kM以太網(wǎng)。kM以太網(wǎng)電路原理如圖5所示。

3.5 本地存儲電路設計

本地存儲由飛騰D2000原生的一路PCIe×1,通過PCIe轉(zhuǎn)SATA控制芯片88SE9215,擴展出4路SATA接口。4路SATA接口的其中兩路引到VPX連接器上;另外兩路中的一路接板載mSATA接口用以擴展存儲容量,另一路接國產(chǎn)鴻秦表貼128GB SSD顆粒,用于本地存儲。

3.6 實物展示介紹

本文設計的記錄接口刀片實物如圖6所示,已經(jīng)批量生產(chǎn)應用于某地面雷達站點。記錄接口刀片前面板主要包括系統(tǒng)狀態(tài)指示燈、調(diào)試串口接口、USB3.0接口、調(diào)試kM網(wǎng)以及VGA輸出接口。整體采用冷板強制風冷的散熱方式。經(jīng)過72 h連續(xù)運行實驗,證明了該散熱方式的可行性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 記錄接口刀片實物

4 軟件設計

基于飛騰D2000平臺的記錄接口刀片操作系統(tǒng)采用銀河麒麟V4.0.2版本,軟件主要包括設備驅(qū)動、上電時序控制及雷達數(shù)據(jù)處理軟件。Tsi721、XL710在飛騰平臺下采用Linux版通用驅(qū)動,上電時序采用CPLD控制各模塊電源的使能和停止,上電時序控制流程如圖7所示。

圖7 上電時序流程

雷達數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)從40 G以太網(wǎng)接收到的雷達原始視頻等數(shù)據(jù)進行重新編碼處理后通過SRIO接口發(fā)送至雷達數(shù)據(jù)記錄儀。SRIO共有3種事務類型,本設計采用適合大數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟WRITE模式,相比于NWRITE及NWRITE_R事務類型,SWRITE事務在包載荷上更加簡潔,開銷更小,效率更高[7]。數(shù)據(jù)處理軟件發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖8所示。

圖8 發(fā)送數(shù)據(jù)流程

5 結(jié)語

本文設計了一種基于標準VPX架構(gòu)的雷達數(shù)據(jù)記錄接口刀片,采用了最新國產(chǎn)飛騰D2000桌面處理器,對外數(shù)據(jù)交互包括SRIO、40 G以太網(wǎng)等高速接口及kM以太網(wǎng)等通用接口,實現(xiàn)了雷達錄取終端與數(shù)據(jù)記錄儀之間數(shù)據(jù)的高速、穩(wěn)定且可靠交互的預期目標,對于重要空情的事后重演及無人機、隱身飛機的雷達反射特性研究分析有重要意義,同時,CPU等核心器件的國產(chǎn)化對地面雷達終端的自主可控有重要意義。