嵌入式遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸技術的研究與實現(xiàn)

余松濤

(中航工業(yè)西安航空計算技術研究所 10室，陜西西安 710119)

為適應未來飛機作戰(zhàn)需求，研制高度綜合化航空電子系統(tǒng)［1］。第三代飛機中的多個子系統(tǒng)，在新一代飛機中被大規(guī)模集成為核心處理機(ICP)。原有各子系統(tǒng)內部的傳感器和作動器也要進行集成。為防止傳感器之間或傳感器和作動器之間的互相干擾，要求傳感器數(shù)字化前移;信息戰(zhàn)和提高戰(zhàn)斗力等需求，對各種接口的性能又提出了更高的要求。針對這些需求，需要研制先進的嵌入式接口計算機，業(yè)界又稱為遠程數(shù)據(jù)集中器(RDC)［2］。研究先進的RDC設計綜合技術以及傳感器接口、作動器接口、航電網(wǎng)絡接口技術是提升嵌入式電子設備設計的重要基礎。

1 關鍵技術研究

RDC的主要功能是提供飛機上各傳感器/作動器與核心處理機之間的接口，它將傳感器信號進行一定的預處理，通過航電總線接口傳送給各數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，同時接收從數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送來的控制數(shù)據(jù)，控制作動器接口工作。這要求RDC有較強的運算能力，豐富的傳感器接口和多種航電總線接口。由于RDC的安裝位置更靠近傳感器和作動器，對功耗、體積和重量有嚴格的要求。

為防止大功率信號對小信號的干擾，RDC劃分為主RDC和從RDC。大功率信號全部集中在大功率控制盒從RDC內。大功率控制盒通過RS232接口接受主RDC計算機的命令。RDC計算機系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 RDC系統(tǒng)結構框圖

通過對飛機上的各種接口信號進行分析，將RDC的外部接口定義為傳感器/作動器接口和航電接口。研究涉及的傳感器接口包括高速A/D采樣接口、小信號采樣接口、離散量輸入接口和模擬量采樣接口。作動器接口包括離散量輸出接口、模擬量輸出接口、PWM(脈寬調制)信號輸出和大功率開關控制。航電接口包括 1553B接口、AS5643接口和 AFDX接口［3－4］。

2 技術實現(xiàn)

由于串行總線具有線數(shù)少、傳輸能力可選的特點，能有效地解決以往并行數(shù)據(jù)傳輸帶來的連線數(shù)多的問題，小型化潛力大，因此主RDC內部模塊之間通過串行底板總線交連。采用 PCI－express總線［5－6］作為主RDC計算機內部各模塊間的互連總線。數(shù)據(jù)處理板通過PCI－express交換機制實現(xiàn)和通用I/O接口模塊，高速A/D接口模塊，小信號接口模塊間的互聯(lián)。通用I/O接口模塊上的RS232接口用以向大功率控制盒發(fā)送動作命令。

PCI－express交換模塊設計為上行1路X4的PCI－express總線接口和下行4路X1的PCI－express總線接口。還提供5路系統(tǒng)差分時鐘100 MHz供PCI－express設備使用。上行的X4 PCI－express總線接口連接數(shù)據(jù)處理板。下行的X1 PCI－express總線接口分別連接高速A/D接口模塊、通用I/O接口模塊和小信號接口模塊。數(shù)據(jù)處理板的CPU采用Motorola的處理器 MPC8568E［7］，主頻 1.3 GHz，支持 X8 PCI －express總線，可配置為Root complex。在實際使用中設置為X4方式。

高速A/D接口模塊提供了兩通道 ADC，最高1 GHz的采樣頻率，8位數(shù)據(jù)精度，每個通道配置64 MB DDR SDRAM用于保存采樣數(shù)據(jù)，1 MB SRAM用于數(shù)據(jù)緩存。

通用I/O接口模塊提供了RS422/232串行數(shù)據(jù)通訊接口，模擬量和離散量輸入/輸出接口。小信號接口模塊提供了 －5～50 mV電壓信號采集和223～373μA電流信號采集功能，適用于來自溫度和壓力傳感器的模擬量的數(shù)字化。

大功率控制盒提供了PWM(脈寬調制)信號輸出，大功率開關控制。它與主RDC間進行通訊，執(zhí)行主RDC發(fā)來的命令并向主RDC報告執(zhí)行狀態(tài)。1553B接口，AS5643接口和AFDX接口設計為三種PMC背板，通過PCI總線和數(shù)據(jù)處理板互聯(lián)。

為同時支持 PCI［8］和 PCI－express總線，主 RDC采用Vxworks6.8作為操作系統(tǒng)，在此基礎上進行應用程序的開發(fā)?？偩€雙總線的即插即用功能，可對交換板和接口板的地址空間進行自動配置。

由于RDC接口眾多、功能復雜，提供一個功能強大的仿真環(huán)境對應用的開發(fā)是有益的。在航電總線接口端，研究了Matlab Simulink與航電總線接口之間的互聯(lián)技術。使用Simulink可以采集航電總線上傳的數(shù)據(jù)并加以解析。反之，Simulink可以通過航電總線發(fā)送命令。

3 系統(tǒng)綜合

在系統(tǒng)綜合開始階段，數(shù)據(jù)處理板和 PCI－express交換模塊之間的傳輸一直處于時通時斷的狀態(tài)。后來發(fā)現(xiàn)，初始設計中，數(shù)據(jù)處理板和 PCI－express交換模塊之間使用了分布式的Reference Clock設計。根據(jù)PCI express規(guī)范的描述，Reference Clock信號可以集中產生，也可以分布產生。對于分布產生的Reference Clock信號的要求是100 MHz(±3×10－4)，由于所使用的晶振和時鐘產生電路的偏差，PCI－express總線傳輸不穩(wěn)定。查出原因后，數(shù)據(jù)處理板也使用了的交換板提供的100 MHz差分時鐘，連續(xù)讀取交換板ID號半個小時，均正確。穿過交換模塊訪問接口板也較穩(wěn)定。

圖2 中間層服務軟件的基本流程

為仿真RDC連接的核心處理機，在工控機上開發(fā)了Simulink［9］和AFDX PC卡之間互通的中間層服務軟件。Simulink通過UDP接口［10］將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務軟件，服務軟件調用AFDX驅動將數(shù)據(jù)通過AFDX網(wǎng)卡轉發(fā)出去。反方向，AFDX網(wǎng)絡接受的數(shù)據(jù)也通過服務軟件轉發(fā)給Simulink。圖2是服務軟件的基本流程。服務軟件包括兩個相對獨立的線程，其中一個調用阻塞的AFDX讀取API，讀出RDC通過航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡交換機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，作為客戶端通過UDP協(xié)議主動發(fā)送至Simulink仿真軟件進行處理。另一個線程是UDP服務器端，它等待Simulink仿真軟件發(fā)來的UDP包，調用AFDX發(fā)送API將數(shù)據(jù)通過航電數(shù)據(jù)網(wǎng)絡交換機發(fā)送給RDC。

圖3 Simulink發(fā)送界面

圖3是Simulink發(fā)送界面的設計實例，運行這個模型可以交互式地將命令發(fā)送給RDC，控制模擬量/輸出，離散量輸出和大功率控制盒的輸出。實現(xiàn)了Simulink和RDC間的基本通信能力，結合Simulink本身強大的算法庫和固有的信號發(fā)生/采集功能，使得通過Simulink進行軟硬件綜合仿真成為可能。

4 結束語

探討了綜合環(huán)境下嵌入式遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸技術的研究和實現(xiàn)中的關鍵技術。經(jīng)試驗證明，本技術具備高性能、高可靠性特點，各項指標符合新一代航空電子技術的要求，適合在惡劣復雜的嵌入式環(huán)境中使用。

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