一种基于VPX架构的雷达数据记录接口刀片设计.pdf

第 13 期2023 年 7 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.13July,2023作者简介:孙宜斌(1974),男,江苏南京人,高级工程师,学士;研究方向:雷达录取终端。一种基于 VPX 架构的雷达数据记录接口刀片设计孙宜斌,王其斌,潘 望,杜剑波(南京莱斯电子设备有限公司,江苏 南京 210007)摘要:鉴于目前日益复杂的周边空情环境,地面雷达原始视频、点航迹等关键数据的记录存储对于关键空情的事后重演、分析具有关键意义。针对通用雷达数据记录仪与雷达录取终端之间稳定可靠的数据交互需求,文章设计了一种基于国产飞腾 CPU 的雷达数据记录接口刀片。刀片采用满足 VITA46标准的 OPEN VPX 架构,对外接口包括 40 G 以太网、SRIO 等高速通信接口以及千兆以太网等通用接口,为地面雷达录取终端和雷达通用数据记录仪搭建数据高速交互的桥梁。关键词:记录存储;国产 CPU;OPEN VPX;高速通信中图分类号:TP36 文献标志码:A0 引言 近年来,由于无人机、隐身战斗机技术的高速发展,国际局势及空中作战方式发生了翻天覆地的变化,传统的地面雷达装备及对空作战思想已经很难适应现如今的复杂空情环境。如何在无人机、隐身飞机越来越多地参与空中作战的情况下,保证自身的主动性,已经成为现代战争的重中之重。由于无人机、隐身飞机的雷达反射面积小,容易被雷达录取终端当作干扰滤除,或者在雷达屏幕稍纵即逝,仅凭地面操作员肉眼很难完全抓住重要空情,但是雷达原始视频信息对于事后重演或分析无人机、隐身飞机的雷达反射特性有着重要参考价值,因此雷达原始视频的可靠稳定记录存储有着重要意义1。雷达原始视频等数据的稳定可靠存储,要求系统具有高速数据吞吐能力及总线带宽。记录接口刀片采用满足 VITA46 标准的 OPEN VPX 架构。VPX 架构是 VITA 组织于 2007 年提出的新一代高速串行总线标准,该标准引入了 PCIe、SRIO、40 G 以太网等目前主流的高速串行通信接口2,使得该架构技能兼顾传统 VME 标准在机械强度及散热方面的优势,又能具备高速数据吞吐能力及标准化、通用化、模块化等优势3-4。1 系统工作原理 记录接口刀片作用于符合 VPX 军用处理规范标准的雷达录取终端中,与其他功能刀片采用全交换网紧密结合的软硬件协同处理与传输方式5。对上承接雷达前端信号处理通过 40 G 以太网络发送的雷达原始视频信息、录取终端中数据处理刀片经 kM 以太网发送的凝聚后的雷达点航迹数据以及显示控制刀片经 kM 以太网发送的雷达控制指令等状态信息;对下将接收到的前端数据进行重新编解码,转换成高可靠、低延时的 SRIO(Serial Rapid IO)高速接口形式,通过光纤介质将接收到的数据发送至雷达数据记录仪。在整个雷达系统中,充当雷达录取终端与数据记录仪的高速通信桥梁,扮演承上启下的关键角色。记录接口刀片逻辑原理如图 1 所示。2 系统整体拓扑及主要性能 记录接口刀片系统拓扑如图 2 所示。CPU 采用天津飞腾公司最新的桌面 8 核处理器腾锐 D2000,最高主频可达 2.3 GHz;系统内存采用国产紫光 DDR4表贴颗粒,整机内存容量 8 GB;显示部分采用国产化自主可控的 JH920 系列 XMC 显示模块,显存容量8 GB,运算能力可达 1.2 T FLOPS;本地存储采用国产鸿秦表贴 SSD 颗粒,容量 128 GB;整板功耗不高于80 W。3 主要功能硬件设计3.1 内存设计 飞腾 D2000 处理器支持 DDR3、DDRL、DDR4 协议,支持两个 DDR 访问通道,每个通道包含 64 个数据位和8 个 ECC 校验位。记录接口刀片采用16 片紫光 DDR4 颗粒 SCB12Q4G800AF,单颗粒容量 4 GB、X8 位宽,实现 8 GB 内存容量。3.2 SRIO 电路设计 SRIO 接口是一种前沿的高可靠、低延时的高速131第 13 期2023 年 7 月无线互联科技研究创新No.13July,2023 图 1 记录接口刀片逻辑原理图 2 记录接口刀片系统拓扑通信接口,广泛应用于地面雷达、航空、航天等领域6。记录接口刀片采用 SRIO 接口作为与雷达数据记录仪的数据交互通道,能确保数据传输的稳定性。SRIO 接口电路采用 IDT 公司的 Tsi721 实现。Tsi721上行为 PCIe 2.04,下行为4 的 SRIO 高速接口,速率支持 5 Gbps、2.5 Gbps 可配置。记录接口刀片采用两片 Tsi721 芯 片,上 行 通 过 PCIe Switch 芯 片PEX8748 挂载在飞腾 D2000 PCIe 接口;下行通过光电转换模块再经光纤与雷达记录仪继续数据交互。SRIO 接口电路原理如图 3 所示。231第 13 期2023 年 7 月无线互联科技研究创新No.13July,2023图 3 SRIO 电路原理3.3 40 G 以太网电路设计 40 G 以太网用于接收雷达前端原始视频数据,记录接口刀片 CPU 原生一组 PCIe8 通过 PCIe 转40 G 以太网芯片 XL710,扩展出 2 路 40 G 以太网,总 线协议标准为 40 GBASE-KR4,传输速率峰值为40 Gbps 录取终端内部通过 40 G 网络交换刀片与雷达前端信号处理互联。40 G 以太网电路原理如图 4所示。图 4 40G 以太网电路原理3.4 千兆以太网电路设计 记录接口刀片包含 4 个 kM 网卡,其中两路与雷达录取终端网络交换刀片互联,用于接收数据处理刀片发送的凝聚后点航迹数据以及显示控制刀片发送的雷达控制等指令信息,另外两路 kM 以太网对外与雷达通用记录仪互联,用于将通过网络交换刀片接收到的数据重新编解码后转送给雷达数据记录仪进行存储。实现方式采用 PCIe 转 kM 以太网控制芯片NHI350AM4,该芯片上行为 PCIe 2.04 接口,挂载在飞腾 D2000 的原生 PCIe 接口,下行输出 4 路 Serdes接口形式的 kM 以太网。kM 以太网电路原理如图 5所示。图 5 千兆以太网电路原理3.5 本地存储电路设计 本地存储由飞腾 D2000 原生的一路 PCIe1,通过 PCIe 转 SATA 控制芯片 88SE9215,扩展出 4 路SATA 接口。4 路 SATA 接口的其中两路引到 VPX 连接器上;另外两路中的一路接板载 mSATA 接口用以扩展存储容量,另一路接国产鸿秦表贴 128GB SSD 颗粒,用于本地存储。3.6 实物展示介绍 本文设计的记录接口刀片实物如图 6 所示,已经批量生产应用于某地面雷达站点。记录接口刀片前331第 13 期2023 年 7 月无线互联科技研究创新No.13July,2023面板主要包括系统状态指示灯、调试串口接口、USB3.0 接口、调试 kM 网以及 VGA 输出接口。整体采用冷板强制风冷的散热方式。经过 72 h 连续运行实验,证明了该散热方式的可行性及系统的稳定性。图 6 记录接口刀片实物4 软件设计 基于飞腾 D2000 平台的记录接口刀片操作系统采用银河麒麟 V4.0.2 版本,软件主要包括设备驱动、上电时序控制及雷达数据处理软件。Tsi721、XL710在飞腾平台下采用 Linux 版通用驱动,上电时序采用CPLD 控制各模块电源的使能和停止,上电时序控制流程如图 7 所示。图 7 上电时序流程雷达数据处理软件实现从 40 G 以太网接收到的雷达原始视频等数据进行重新编码处理后通过 SRIO接口发送至雷达数据记录仪。SRIO 共有 3 种事务类型,本设计采用适合大数据传输的 SWRITE 模式,相比于 NWRITE 及 NWRITE_R 事务类型,SWRITE 事务在包载荷上更加简洁,开销更小,效率更高7。数据处理软件发送数据流程如图 8 所示。图 8 发送数据流程5 结语 本文设计了一种基于标准 VPX 架构的雷达数据记录接口刀片,采用了最新国产飞腾 D2000 桌面处理器,对外数据交互包括 SRIO、40 G 以太网等高速接口及 kM 以太网等通用接口,实现了雷达录取终端与数据记录仪之间数据的高速、稳定且可靠交互的预期目标,对于重要空情的事后重演及无人机、隐身飞机的雷达反射特性研究分析有重要意义,同时,CPU 等核心器件的国产化对地面雷达终端的自主可控有重要意义。参考文献1母其勇.基于 SRapidIO 及 PCIe 协议的雷达多通道数据光纤高速记录系统J.计算机应用,2015(增刊 2):30-33.2冯洋.OpenVPX 高性能雷达实时信号处理系统的设计与实现D.北京:北京理工大学,2015.3吉玉洁,张小林.VPX 总线标准研究及其在无人机中的应用展望J.计算机测量与控制,2012(4):1112-1115.4徐碧辉.一种基于飞腾处理器的 VPX 主控制器设431第 13 期2023 年 7 月无线互联科技研究创新No.13July,2023计J.机电产品开发与创新,2017(5):128-129.5洪艳,沈利华.基于 VPX 高速综合信息处理平台设计J.导弹与航天运载技术,2011(3):58-61.6徐玉杰,任玉明,张楠.一种基于 SRIO 总线的接口模块设计与实现J.无线互联科技,2022(6):56-58.7多卉枫,任勇峰,武慧军.基于 SRIO 的数据传输设计J.电子测量技术,2021(21):7-11.(编辑 沈 强)Design of radar data recording interface blade based on VPX architectureSun Yibin Wang Qibin Pan Wang Du Jianbo Nanjing Les Electronic Equipment Co.Ltd.Nanjing 210007 China Abstract In view of the increasingly complex surrounding air intelligence environment the recording and storage of key data such as ground radar original video、point and tracks is crucial for the subsequent replay and analysis of key air conditions.For demand of stable and reliable data interaction between general radar data recorders and radar extracting terminals this paper develops a radar data recording interface blade based on a domestic Phytium CPU.The blade adopts the VPX architecture which meets the VITA46 standard and the external interfaces include high-speed communication interfaces such as 40G Ethernet and SRIO as well as general interfaces such as Gigabit Ethernet which build a bridge for high-speed data interaction between ground radar extracting terminals and general radar data recorders.Key words data record and storage domestic CPU OPEN VPX high-speed communication(上接第 118 页)7王洁,张亚飞,李明智.基于强化学习的人工免疫算法参数优化J.电工材料,2020(6):31-34.8王济琳.基于人工免疫算法和神经网络的入侵检测技术研究与实现D.兰州:兰州交通大学,2022.(编辑 王雪芬)Research on cell collection path planning based on immune ant colony optimization algorithmWang Shixin Fu Tengda Chen Shuling Department of Information Engineering Jiangxi University of Technology Nanchang 330098 China Abstract An improved immune ant colony optimization algorithm is proposed to address the problem of cell collection path planning in automated instruments.The immune ant colony optimization algorithm can give full play to the advantages of the artificial immune algorithm so as to quickly and randomly search for an optimal solution and can effectively generate the optimal solution according to the initial pheromone distribution of the ant colony algorithm.After passing the practical verification of classic TSP data we applied the immune ant colony algorithm to optimize the cell collection path to ensure its efficiency and accuracy.After comparing with ant colony algorithm and artificial immune algorithm we found that immune ant colony algorithm has excellent convergence and optimization ability.It can effectively extract the optimal path for cell collection thereby achieving higher efficiency.Key words immune ant colony algorithm path planning cell collection531