基于自主可控計算平臺的信號采集處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙星漢，于 洋

(中國電子科技集團公司第27 研究所，鄭州 450047)

0 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭向陸、海、空、天、電多維化發(fā)展，信息系統(tǒng)的攻防變得至關(guān)重要。信息系統(tǒng)的高效、安全已經(jīng)成為了決定現(xiàn)代戰(zhàn)爭成敗的關(guān)鍵因素。對于我國國防建設(shè)來說，傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)硬軟件絕大多數(shù)依賴進口，其設(shè)計和生產(chǎn)是我國不可控的，這就為國防建設(shè)造成了巨大的安全隱患。

近些年，隨著國家的不斷重視，關(guān)乎國防安全的自主可控信息化技術(shù)發(fā)展，逐漸成為了國防建設(shè)的重中之重。胡錦濤總書記明確指示:“要大力推進自主可控信息系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用，擺脫核心信息技術(shù)受制于人的局面”的重要指示。在政府的大力引導(dǎo)下，我國的自主可控計算機領(lǐng)域得到快速的發(fā)展，自主研發(fā)生產(chǎn)的計算機已經(jīng)在國防、航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

本信號采集處理系統(tǒng)是我國某重點課題監(jiān)控分系統(tǒng)的重要組成部分，在設(shè)計上具有一定的針對性。同時，由于信號采集處理技術(shù)引用的廣泛性與本設(shè)計的通用性，本項設(shè)計在其他自主可控計算平臺研究與信號處理領(lǐng)域的研究設(shè)計上也有一定的參考借鑒意義。

1 系統(tǒng)原理與構(gòu)成

該系統(tǒng)是某大系統(tǒng)中監(jiān)控分系統(tǒng)的一部分，系統(tǒng)總體對系統(tǒng)功能、性能、功耗、體積、硬軟件國產(chǎn)化率等關(guān)鍵指標均作了明確的要求。經(jīng)課題組分解，本系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計輸入如下。

(1)完成對大系統(tǒng)中某單路0 dB 高頻信號的采集、處理與顯示，采集速率:2 GHz，采集精度:8 bit;

(2)通過外部接口完成對外圍設(shè)備的遠程控制;

(3)可實現(xiàn)對采集信號的存儲，內(nèi)部存儲空間不小于2G;

(4)顯示方式:10 寸液晶顯示，分辨率1024*768;

(5)輸入方式:定制鍵盤;

(6)系統(tǒng)軟件全自主化，元器件國產(chǎn)化率80%以上。

經(jīng)研究，確定本系統(tǒng)硬軟件構(gòu)成模塊如圖1所示。

圖1 信號采集處理系統(tǒng)硬軟件構(gòu)成示意圖

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩方面組成。其中硬件組成包含負責(zé)單路信號采集的采集模塊、負責(zé)將采集處理后的數(shù)據(jù)顯示的顯示模塊、負責(zé)用戶輸入的鍵盤模塊，以及作為承載平臺的主板模塊作為主要硬件構(gòu)成，四部分統(tǒng)一安裝于鋁合金系統(tǒng)箱體內(nèi);軟件構(gòu)成主要包含操作系統(tǒng)及包含各項硬件驅(qū)動工作的BSP(板級軟件支持包)，以及顯示與控制信號采集與處理的監(jiān)控軟件。

系統(tǒng)的工作流程，如圖2 所示。

本系統(tǒng)信號輸入為0 dB 高頻信號輸入，通過位于采集模塊上的SMA 插口采集成為數(shù)字信號，經(jīng)過處理后通過PCI 總線與主板模塊發(fā)生交互，經(jīng)過主板模塊上的中央處理器處理后轉(zhuǎn)換成用戶可用的圖形傳輸至顯示模塊上進行顯示。用戶可通過鍵盤模塊上的按鍵設(shè)置命令與切換顯示形式對整個系統(tǒng)進行控制，完成操作過程。

圖2 系統(tǒng)工作流程示意圖

3 自主可控計算平臺設(shè)計

中科龍芯公司研制的龍芯系列處理器，已經(jīng)在技術(shù)及穩(wěn)定性方面逐漸成熟，目前龍芯系列處理器從開始的龍芯1 代處理器，發(fā)展到現(xiàn)在的龍芯3 代處理器，產(chǎn)品系列也逐漸豐富。在軟件方面，龍芯公司作了較多的研究工作，采用MIPS CPU 最常用的BIOS-PMON2000，并在其基礎(chǔ)上進行了一些完善工作，支持BIOS 啟動配置、內(nèi)核加載、程序調(diào)試、內(nèi)存寄存器顯示、設(shè)置及內(nèi)存反匯編等。支持Linux 及VxWorks 操作系統(tǒng)?？梢哉f，龍芯處理器的軟件支持已經(jīng)比較豐富和成熟。

考慮到項目總體要求中對功耗和體積均有一定的要求，因此自主可控計算平臺中主CPU 選用中科龍芯公司的龍芯3A 處理器。龍芯3A 是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的四核CPU，采用65 ns 工藝，RISC 架構(gòu)，兼容MIPS 指令，工作頻率900 MHz ～1100 MHz，集成兩個擴展內(nèi)存控制器，單顆最大功耗15 W，滿足系統(tǒng)的總體需求。

由于系統(tǒng)運行的需要，利用集成于CPU 上的內(nèi)存控制器擴展出512M 的SDRAM 作為系統(tǒng)的擴展內(nèi)存。Local Bus 總線提供了一個簡單的低速總線接口，用于連接系統(tǒng)ROM 和低速I/O 設(shè)備。為實現(xiàn)裸機的系統(tǒng)引導(dǎo)，故利用CPLD 外接一塊FLASHROM作為BootRom 實現(xiàn)最初的系統(tǒng)引導(dǎo)程序存儲。

考慮到項目中需要一定的圖形處理，以及外接真彩LCD 顯示屏的需要，故選取集成2D 圖形控制器的芯片作為顯示主芯片，搭配64M DDR 作為顯存。顯示芯片通過LVDS 電平轉(zhuǎn)換以LVDS 形式連接至機箱上的10 寸LCD 真彩顯示屏，最大分辨率1024* 768。

程序存儲功能通過外接2 Gb 容量電子盤實現(xiàn)，電子盤以IDE 總線連接至南橋芯片上。南橋芯片還能提供4 個USB2.0 控制器以供系統(tǒng)USB 擴展所需，其余、串口、并口、PS2 接口等統(tǒng)一通過SuperIO控制器連接至南橋芯片上。

南橋芯片，顯示芯片，以太網(wǎng)控制器及信號采集所需要的采集板，均以PCI 總線節(jié)點的形式掛接在系統(tǒng)PCI 總線上實現(xiàn)系統(tǒng)整體的交互。PCI 總線因其與存儲器之間的交互基本上通過DMA 模式，有一個突出的優(yōu)點就是CPU 資源占用率低，因此它作為一種將周邊設(shè)備與處理器高速結(jié)合起來的總線結(jié)構(gòu)，得到了廣泛的應(yīng)用。PCI 總線電器驅(qū)動能力有限，每組PCI 總線上只能有效連接較少數(shù)量的PCI設(shè)備。為了提高PCI 總線驅(qū)動能力和擴展能力，獲得較好的電器連接性能，PCI 總線結(jié)構(gòu)的主板在擴展PCI 設(shè)備插槽的時候都會選擇合適的橋接芯片以獲得更好的連接性能。龍芯2F 處理器集成的PCI /PCI-X 總線控制器可以工作在主控制器模式或設(shè)備模式，總線仲裁最多支持7 個主設(shè)備。在該主板設(shè)計中，選擇TI 公司的PCI2050B 芯片作為PCI 設(shè)備擴展橋，該芯片次級總線最多可驅(qū)動9 個PCI 設(shè)備，支持的PCI 總線位寬為32 bit，最高時鐘頻率為66 MHz，工作核心電壓為3.3 V，兼容3.3 V和5 V PCI 信號電平環(huán)境。該主板系統(tǒng)中，CPU 作為仲裁器，PCI2050B 作為總線上的主設(shè)備之一。PCI2050B 次級總線上的擴展設(shè)備具有獨自的PCI總線請求信號和允許信號，因此該擴展設(shè)備都可用作主設(shè)備與CPU 通信。

主板的網(wǎng)絡(luò)控制器選用帶PCI 總線接口的Intel 82546GB 雙網(wǎng)口千兆網(wǎng)絡(luò)控制芯片設(shè)計。芯片內(nèi)部集成MAC(media access control)和PHY(physical layer)層功能，單芯片內(nèi)集成兩個全功能獨立千兆網(wǎng)絡(luò)接口，集成度高，為器件密集的主板設(shè)計節(jié)省了空間，并有利于布局布線，減少復(fù)雜線路帶來的干擾，這兩個接口可以通過芯片的引腳FL_DATA0 和FL_DATA1 來禁止和打開，該控制引腳可以連接至CPU的GPIO 或者南橋的GPIO 管腳，通過BIOS 控制這兩個接口的通斷。

該芯片通過PCI 總線與龍芯3A 連接，PHY 接口模擬信號通過網(wǎng)口變壓器H5007 進行防護與隔離后連接到CPCI 背板，能夠有效防護雷擊、靜電放電等現(xiàn)象引起的瞬時高壓對網(wǎng)絡(luò)控制器芯片的毀壞。

系統(tǒng)連接示意圖如圖3 所示。

圖3 自主可控計算平臺連接示意圖

4 信號采集模塊設(shè)計

本系統(tǒng)涉及的信號采集速率高達2 GHz，國產(chǎn)ADC 和高速信號處理芯片在技術(shù)上還不成熟，故采集系統(tǒng)的部分元器件只能采用國外成熟產(chǎn)品。但由于西方國家對話禁運等原因，2 GHz 采集速率的ADC 較難購買，價格也難以承受。因此，本系統(tǒng)擬采用并行時間交替采樣，依靠兩路1 GHz 的ADC 達到2 GHz 的采樣速率。

所謂并行時間交替采樣，就是在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中并行設(shè)置多路ADC，使用頻率相同，相位不同的采樣時鐘來控制多片ADC 交替、分時工作，然后對采樣所得的高速數(shù)據(jù)流按照一定的順序進行合并，這樣就提高了采樣速度。并行時間交替采樣技術(shù)是唯一的一種對模擬輸入信號沒有限制的實時采樣技術(shù)，可以突破當前的ADC 和相關(guān)器件頻率的限制，實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用這種方案，采樣速率可以大幅度提高，理論上可以達到器件采樣速率的總和。雙通道并行時間交替采樣過程如圖4所示。

圖4 并行時間交替采樣原理圖

系統(tǒng)設(shè)計方面，擬采用“高速ADC+高密度FPGA+高速接口”結(jié)構(gòu)形式，在這種結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)PGA 作為系統(tǒng)的控制核心，控制ADC 的采樣工作方式并實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)流的分流緩存、有效信號檢測和數(shù)據(jù)的傳輸。ADC 的采樣數(shù)據(jù)通過FPGA 分流后，速率已降至后續(xù)處理單元可以接受的范圍中，可通過高速數(shù)據(jù)傳輸接口PCI 總線傳遞給上位機PC 進行處理。此種結(jié)構(gòu)PCB 面積和功耗相對較低，但所有的數(shù)據(jù)接收，緩存處理及與上位機的通信都要靠單片F(xiàn)PGA 完成，這將加大對FPGA 的壓力。

信號采集模塊的硬件構(gòu)成如圖5 所示。

圖5 信號采集處理系統(tǒng)

ADC 芯片采用Atmel 公司生產(chǎn)的AT84AD001B，它是雙通道ADC 芯片，最高采樣率1 Gsps，分辨率8位。為了滿足系統(tǒng)采樣率的要求，需要兩路ADC 以并行時間交替采樣的方式工作于1 GHz，這樣就要求系統(tǒng)有1 GHz 的高速采樣時鐘。高速系統(tǒng)對時鐘的要求很高，時鐘的抖動和相位偏差會帶來數(shù)據(jù)上的錯位，因此應(yīng)選擇溫度穩(wěn)定性和諧波抑制比較高的器件。這里選擇MICREL 公司生產(chǎn)的高速差分時鐘合成芯片SY89421，SY89421 是一個低抖動、高穩(wěn)定時鐘芯片，片內(nèi)VCO 最大輸出頻率1.12 GHz。

5 Reworks 操作系統(tǒng)的特點

ReWorks 是中國電子科技集團公司第三十二研究所自主研制的、第一個提供VxWorks 兼容接口的嵌入式實時操作系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蠛臀?nèi)核技術(shù)開發(fā)，具有強實時性、可裁剪性和可伸縮性，并特別提供了VxWorks 兼容層，具體特點如下。

(1)微內(nèi)核、可裁剪、可擴充性。ReWorks 的設(shè)計中不采用完全的微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，而是采用一組環(huán)繞基核的類似于微內(nèi)核的獨立功能模塊來建立可伸縮的操作系統(tǒng)。內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度、對象管理等功能，而時鐘、區(qū)域、分區(qū)、信號、事件、信號量、消息等作為可裁剪的、環(huán)繞內(nèi)核的獨立功能模塊，可根據(jù)實時應(yīng)用的需要進行裁剪。在Reworks 下，最小配置可小于100 K。

(2)強實時性和多任務(wù)。ReWorks 支持微秒級高精度時鐘，最快響應(yīng)時間可達15 ms，為正在等待消息、信號、事件或段的任務(wù)進入超時管理，為輪轉(zhuǎn)調(diào)度提供時間片，在指定時間間隔以后或指定時間喚醒任務(wù)或發(fā)送一個時間報警給任務(wù);提供高效的實時任務(wù)管理，支持多任務(wù)，任務(wù)數(shù)沒有限制，上下文切換快速確定，有256 個任務(wù)優(yōu)先級;任務(wù)的調(diào)度算法靈活，除了支持搶占式調(diào)度和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度兩種常用的調(diào)度算法，還提供速率單調(diào)算法(RMA)保證任務(wù)調(diào)度性可預(yù)測。對任務(wù)間通信實現(xiàn)四種通信機制(消息隊列、事件、信號量和異步信號)，滿足了任務(wù)間通信、同步和互斥的需要。

(3)支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ReWorks 支持包括TCP、UDP、IP、ICMP 和ARP 等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可通過工業(yè)標準socket 編程接口進行訪問;提供基于TCP/IP 的Internet 標準實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的管理信息庫，并能和交叉開發(fā)工具一起，建立單機或多機目標系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)下載和調(diào)試工具;支持多種常見的Internet 應(yīng)用協(xié)議如FTP、TFTP、Telnet 等。

(4)設(shè)備管理。I/O 設(shè)備通過設(shè)備驅(qū)動程序表進行管理，對設(shè)備的操作可抽象為初始化、打開、關(guān)閉、讀、寫、控制，當應(yīng)用程序進行I/O 操作時，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備驅(qū)動程序表決定調(diào)用哪一個設(shè)備驅(qū)動程序進入點。

(5)中斷管理。允許應(yīng)用將中斷服務(wù)例程(ISR)，連接到硬件中斷向量，通過提供允許從ISR退出時任務(wù)被搶占來改變?nèi)蝿?wù)執(zhí)行的臨界能力，許可快速中斷響應(yīng)時間，支持256 中斷優(yōu)先級。

(6)支持用戶擴展。為了不修改內(nèi)核而能夠向系統(tǒng)增加額外的任務(wù)相關(guān)的功能，ReWorks 提供了任務(wù)創(chuàng)建、切換和刪除的鉤子函數(shù)。允許在任務(wù)被創(chuàng)建、上下文切換和任務(wù)被刪除的時候額外的例程可被調(diào)用執(zhí)行。在關(guān)鍵的系統(tǒng)事件里提供的擴展例程中，用戶能夠針對自己的實際情況，設(shè)計適應(yīng)系統(tǒng)需要的前置處理，增強系統(tǒng)的功能。為滿足開放性要求，ReWorks 提供符合POSIX 1003。1b 實時擴展標準規(guī)范的基本系統(tǒng)調(diào)用。包括:進程原語，消息隊列，信號，內(nèi)存管理(頁面鎖定)，調(diào)度控制，文件目錄，I/O 原語，語言服務(wù)，以及目錄管理等。

6 系統(tǒng)軟件在Reworks 上的應(yīng)用

根據(jù)設(shè)備總體功能、運行環(huán)境、系統(tǒng)信息交互等需求，系統(tǒng)軟件包括BSP 及外設(shè)驅(qū)動，ReWorks 實時操作系統(tǒng)支撐環(huán)境層軟件組成，各層軟件按照構(gòu)件化模式進行設(shè)計，實現(xiàn)軟件的按需組裝和快速、靈活配置。系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件的體系構(gòu)架示意圖

ReWorks 嵌入式實時操作系統(tǒng)為整個軟件系統(tǒng)提供包括內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動、通信協(xié)議、圖形引擎等，是應(yīng)用軟件運行環(huán)境的重要組成部分，為上層應(yīng)用軟件提供對底層物理硬件的抽象和封裝，組織和管理軟硬件資源，控制程序執(zhí)行流程，提供系統(tǒng)調(diào)用接口、驅(qū)動程序等，為方便與其他軟件(如嵌入式數(shù)據(jù)庫、集成部署框架)集成，ReWorks 嵌入式實時操作系統(tǒng)還為上層軟件提供標準的硬件訪問接口和其他的基本操作系統(tǒng)服務(wù)。

作為實時操作系統(tǒng)，Reworks 編程的核心在于任務(wù)的制定與流程調(diào)度。系統(tǒng)程序?qū)壿嫼蜁r序要求比較嚴格，不僅任務(wù)響應(yīng)須實時，而且須在規(guī)定的時間內(nèi)完成事件的處理。Reworks 提供了任務(wù)的創(chuàng)建、關(guān)閉、掛起、恢復(fù)以及獲取任務(wù)信息等操作接口。不同的任務(wù)依靠任務(wù)制定時的TCB 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體確定優(yōu)先級，優(yōu)先級為一個無符號的字符數(shù)(0 ～255)，0 最高，255 最低。

本系統(tǒng)監(jiān)控程序任務(wù)相對單一，任務(wù)耦合度不高，因此系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度采用基于優(yōu)先級的調(diào)度，關(guān)閉輪轉(zhuǎn)調(diào)度。部分任務(wù)優(yōu)先級安排見表1。

表1 任務(wù)的優(yōu)先級安排表

在監(jiān)控軟件編寫和調(diào)試過程中，為便于程序功能與環(huán)境的擴展，軟件設(shè)計時控制參數(shù)不能提前確定，確定后也須根據(jù)實際情況修正。Reworks 系統(tǒng)采用文件實時存儲、讀取的方式，保證控制參數(shù)的有效性。當系統(tǒng)上電時，采用最新的配置文件初始化。如模擬采集數(shù)據(jù)的非線性化校正，采用配置文件中的區(qū)間分割曲線作二次映射后，即可實現(xiàn)對配置的合理調(diào)控。

ReWorks 具有與DOS 兼容的文件建立與讀寫功能，可實現(xiàn)類似DOS 下的文件讀寫操作?？刂栖浖仍诎遢d的電子盤內(nèi)建立dosFs 文件系統(tǒng)，即可通過I/O 讀寫函數(shù)讀寫文件。數(shù)據(jù)的存儲按照事先定義的結(jié)構(gòu)類型進行，讀出時取出字節(jié)到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)類型中即可。

7 實際測試運行結(jié)果

系統(tǒng)在研制完成后進行了，對系統(tǒng)性能、可靠性進行了全面的測量，監(jiān)控界面如圖7 所示。經(jīng)檢驗，本系統(tǒng)能較好的完成單路2 GHz 頻率8 bit 精度的采集任務(wù)，并能將信號在軟件上顯示和依據(jù)程序設(shè)置算法進行處理，除數(shù)據(jù)處理過程外，常用操作基本沒有明顯的延遲。系統(tǒng)常溫烤機工作72 小時，無明顯過溫現(xiàn)象，無發(fā)生任何死機崩潰故障，基本滿足可靠性需求。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)控軟件工作界面

按照系統(tǒng)最終成型后國產(chǎn)化率統(tǒng)計，雖然采集模塊某些部件采用了國外進口器件，但本系統(tǒng)總的元器件國產(chǎn)化率達到了91%，軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了純國產(chǎn)，滿足系統(tǒng)總體關(guān)于國產(chǎn)化的要求。

8 總 結(jié)

本系統(tǒng)采用自主可控的龍芯計算平臺、國產(chǎn)Reworks 操作系統(tǒng)與部分自研的軟硬件，實現(xiàn)了2 GHz 采樣率，8 bits 精度要求的信號采集處理系統(tǒng)。系統(tǒng)軟硬件國產(chǎn)化率高，工作穩(wěn)定可靠，可滿足大部分監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的需要。

但本系統(tǒng)還無法做到完全自主化，高速信號采集部分還有某些關(guān)鍵元器件要依賴進口，但按照如今國產(chǎn)元器件發(fā)展速度來看，本系統(tǒng)做到完全自主化應(yīng)該為時不遠。

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