一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)中柔性可重構(gòu)技術(shù)的研究

閻 嘯，楊宗武，王 茜，張?zhí)旌?/p>

（電子科技大學(xué) 航空航天學(xué)院，四川成都 611731）

一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)中柔性可重構(gòu)技術(shù)的研究

閻 嘯，楊宗武，王 茜，張?zhí)旌?/p>

（電子科技大學(xué) 航空航天學(xué)院，四川成都 611731）

該文針對高速空間飛行器承載能力與綜合任務(wù)需求之間的矛盾，基于一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一種面向通信、導(dǎo)航、測控、目標(biāo)探測與識別、飛行控制和信息支持等綜合任務(wù)的在線實時柔性系統(tǒng)重構(gòu)方法。該方法根據(jù)系統(tǒng)實時任務(wù)需求，利用一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)架構(gòu)中具備標(biāo)準(zhǔn)可編程接口的通用柔性功能模塊和可重構(gòu)高速信號鏈路矩陣，在軟硬件動態(tài)耦合與多任務(wù)一體化協(xié)同算法實時調(diào)度下，快速實現(xiàn)各種任務(wù)功能及參數(shù)的動態(tài)重構(gòu)及加載。在實現(xiàn)一體化綜合任務(wù)協(xié)同處理的同時有效節(jié)約系統(tǒng)資源，并利用動態(tài)冗余備份大幅度提高了系統(tǒng)可靠性。

一體化；柔性可重構(gòu)；信息處理載荷；在線重加載

信息處理載荷作為飛行器控制與信息處理中樞，是空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的有機組成部分和重要節(jié)點。為滿足日益增長的飛行器載荷任務(wù)種類和性能需求，信息載荷必須同時提供包括通信、導(dǎo)航、測控、目標(biāo)探測與識別、飛行控制和信息支持等綜合任務(wù)處理能力［1］。傳統(tǒng)飛行器受信息載荷功能單一的限制，必須搭載多個不同功能的載荷設(shè)備來同時實現(xiàn)所需的各種任務(wù)。同時考慮到系統(tǒng)可靠性，通常搭載多臺相同任務(wù)載荷實現(xiàn)系統(tǒng)冗余度要求。一方面要求空間飛行器必須具有較強的載荷承載能力；另一方面，隨著空間飛行器飛行速度、高度和機動性能等方面的不斷提高，機體設(shè)計普遍采用一體化設(shè)計，以獲得最小阻力和最大升阻比的乘波體氣動外形［2］，造成包括裝載空間、承載重量以及供電能力等方面在內(nèi)的飛行器載荷承載能力嚴(yán)格受限。因此，信息載荷系統(tǒng)正在向以統(tǒng)一、開放式架構(gòu)為基礎(chǔ)的模塊化綜合共享式系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展，其綜合方式由“功能綜合”向“結(jié)構(gòu)綜合”演進。

現(xiàn)有綜合信息處理載荷系統(tǒng)采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模塊化硬件平臺［3］，利用射頻綜合和光電綜合等技術(shù)，實現(xiàn)綜合信息處理載荷內(nèi)各功能模塊的硬綜合復(fù)用。這種綜合機制忽略了包括系統(tǒng)軟件一體化、信號與功能的多任務(wù)一體化協(xié)同、多源信息交鏈融合等在內(nèi)的系統(tǒng)軟件層面的重構(gòu)復(fù)用。這造成現(xiàn)有的綜合信息處理載荷系統(tǒng)設(shè)計軟／硬件綜合分離，無法從體制上融為一體，難以根據(jù)瞬變的應(yīng)用場景靈活進行多任務(wù)協(xié)同［4］工作。

針對高速空間飛行器承載能力與綜合任務(wù)需求之間的矛盾，以及現(xiàn)有綜合信息處理載荷存在的問題，本文基于一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)架構(gòu)，提出了一種面向通信、導(dǎo)航、測控、目標(biāo)探測與識別、飛行控制和信息支持等綜合任務(wù)的在線實時柔性系統(tǒng)重構(gòu)方法。一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)架構(gòu)由具備標(biāo)準(zhǔn)可編程接口的通用柔性模塊和可重構(gòu)高速信號鏈路矩陣等功能單元構(gòu)成。該方法利用功能單元的在線可編程特性，在軟硬件動態(tài)耦合與多任務(wù)一體化協(xié)同算法實時調(diào)度下，快速實現(xiàn)各種任務(wù)功能及參數(shù)的動態(tài)重構(gòu)及加載［5］。在實現(xiàn)一體化綜合任務(wù)協(xié)同處理的同時有效節(jié)約系統(tǒng)資源，并利用動態(tài)冗余備份大幅度提高了系統(tǒng)可靠性。

1 一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)架構(gòu)

一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)總體架構(gòu)

天線及柔性射頻微波收發(fā)陣列，根據(jù)任務(wù)需求動態(tài)切換天線頻段和信號傳輸路徑，并在線配置本振頻率、通道衰減量／放大量及濾波器等參數(shù)。多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊陣列將預(yù)處理信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。紅外信號掃描及伺服反饋模塊完成天線的全空間掃描轉(zhuǎn)向控制以便接紅外信號及可見光信號，再將接收的信號傳輸至紅外信號接收及預(yù)處理模塊陣列，依次進行識別、分選、壓縮處理。信號數(shù)據(jù)通過信號矩陣送到對應(yīng)的信號處理模塊中進行處理。平臺核心控制模塊組經(jīng)由VPX總線與一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)內(nèi)各個子模塊相連接，用于控制各個子模塊的功能實現(xiàn)與重組，進行軟硬件在線動態(tài)加載重構(gòu)。高速數(shù)據(jù)交換模塊經(jīng)由VPX總線與一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)內(nèi)各個子模塊相連接，使各個單元之間通過VPX總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。AFDX網(wǎng)絡(luò)接口通過內(nèi)部AFDX網(wǎng)絡(luò)與飛行器其他子系統(tǒng)互聯(lián)，如可以與飛控子系統(tǒng)相連，制定并裝載的飛行任務(wù)，從而控制飛行器的飛行。

同時，一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)可針對不同任務(wù)需求分別對系統(tǒng)內(nèi)部各個功能模塊在線動態(tài)配置其硬／軟件和參數(shù)，實現(xiàn)包括雷達、測控導(dǎo)航設(shè)備、通信機等在內(nèi)的不同任務(wù)功能。而其他沒有配置的功能模塊一方面作為系統(tǒng)各個功能模塊的冗余備份；另一方面可以支持新型任務(wù)功能的加載。系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)部各個功能模塊運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)工作異常時迅速定位系統(tǒng)故障，在線重構(gòu)并無縫切換至冗余備份功能模塊，確保系統(tǒng)正常工作。一體化機載綜合電子系統(tǒng)各個模塊互為冗余備份，在提高系統(tǒng)可靠性的同時，大大節(jié)省了有效載荷空間，降低了系統(tǒng)功耗，如圖2所示。

2 一體化柔性可重構(gòu)硬件接口設(shè)計

典型的一體化柔性可重構(gòu)硬件接口基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。該硬件接口用于一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)各個功能模塊與系統(tǒng)控制器的互聯(lián)，由系統(tǒng)控制器通過VPX總線協(xié)議的控制平面對各功能模塊內(nèi)的可編程功能單元進行重構(gòu)和控制。

一體化柔性可重構(gòu)硬件接口由基于ARM雙核的Xilinx Zynq Soc微系統(tǒng)構(gòu)成。該微系統(tǒng)包含了可編程系統(tǒng)（PS）中的ARM子系統(tǒng)和可編程邏輯（PL）中的重構(gòu)控制器兩部分，二者通過AXI總線互聯(lián)［6］。當(dāng)功能模塊處于工作狀態(tài)且需要重新加載控制命令或在線更新配置文件時，系統(tǒng)控制器通過VPX控制平面中的千兆以太網(wǎng)將控制命令或配置文件發(fā)送至對應(yīng)功能模塊的一體化柔性可重構(gòu)硬件接口。接口中的ARM子系統(tǒng)利用自帶的兩個千兆以太網(wǎng)控制器，將控制命令或配置文件接收并緩存在外部DDR3存儲器中。待數(shù)據(jù)緩存完畢后，再由ARM子系統(tǒng)從外部DDR3存儲器中讀出，對數(shù)據(jù)進行校驗后，通過PL中重構(gòu)控制器對模塊中可編程功能單元進行在線重構(gòu)和控制。由于各個模塊中可編程功能單元具有較大區(qū)別，各個功能模塊PL中重構(gòu)控制器邏輯實現(xiàn)也不相同［7］。如基于FPGA的實時信號處理模塊，重構(gòu)控制器應(yīng)根據(jù)對應(yīng)的FPGA配置時序進行定制設(shè)計［8］。

圖2 一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)冗余備份

圖3 一體化柔性可重構(gòu)系統(tǒng)硬件框圖

3 一體化柔性重構(gòu)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件由系統(tǒng)控制器上運行的主控及功能重構(gòu)程序和運行在信號處理功能板接口單元中的重構(gòu)邏輯程序兩部分構(gòu)成。

3.1主控及功能重構(gòu)程序設(shè)計

系統(tǒng)控制器中的主控及功能重構(gòu)程序流程圖如圖4所示。

程序首先初始化通信網(wǎng)絡(luò)，然后進入命令監(jiān)聽狀態(tài)，飛行器主控制器會根據(jù)任務(wù)要求，通過AFDX網(wǎng)絡(luò)向一體化綜合信息載荷系統(tǒng)的控制器發(fā)送重構(gòu)命令。系統(tǒng)控制器接收到該重構(gòu)命令后進入接收重構(gòu)文件狀態(tài)，待接收完上層發(fā)送的重構(gòu)文件和參數(shù)后，系統(tǒng)控制器通過VPX接口利用TCP／IP協(xié)議向?qū)?yīng)的信號處理功能模塊發(fā)送重構(gòu)命令，在和信號處理功能模塊協(xié)商完后，繼續(xù)給信號處理功能模塊發(fā)送重構(gòu)文件，最后通過功能模塊反饋的信息來判斷重構(gòu)是否成功。如果重構(gòu)不成功，主控程序返回到發(fā)送重構(gòu)命令狀態(tài)；如果重構(gòu)成功，返回到命令監(jiān)控狀態(tài)。

圖4 系統(tǒng)控制器主控程序流程圖

3.2 信號處理功能模塊重構(gòu)程序設(shè)計

信號處理功能模塊重構(gòu)程序流程圖如圖5所示。

該程序運行在功能模塊接口微系統(tǒng)中。重構(gòu)程序首先初始化底層相關(guān)的硬件設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)，然后進入監(jiān)聽狀態(tài)，監(jiān)聽是否有來自系統(tǒng)控制器的重構(gòu)命令。如果接收到系統(tǒng)控制器發(fā)送的重構(gòu)命令則進入命令解析狀態(tài)；否則繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)。接口微系統(tǒng)根據(jù)命令解析的結(jié)果接收來自系統(tǒng)控制器的重構(gòu)文件，并校驗接收該重構(gòu)文件。如果重構(gòu)文件有誤則向系統(tǒng)控制器發(fā)送重發(fā)重構(gòu)文件的請求，進入接收重構(gòu)文件的狀態(tài)；如果重構(gòu)文件完整，則將重構(gòu)文件通過重構(gòu)控制器寫入到模塊可編程功能單元，對模塊可編程單元開始重構(gòu)。當(dāng)重構(gòu)文件寫入到模塊可編程功能單元后，根據(jù)其反饋的信息判斷模塊可編程功能單元是否重構(gòu)成功。如果重構(gòu)成功，重構(gòu)程序返回到監(jiān)聽狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)聽是否有來自系統(tǒng)控制器的重構(gòu)命令，為下次重構(gòu)做準(zhǔn)備；如果重構(gòu)失敗，重構(gòu)程序重新將重構(gòu)文件寫入到模塊可編程單元，再次對其進行重構(gòu)，直到重構(gòu)成功。

圖5 信號處理功能模塊重構(gòu)程序流程圖

4 測試與分析

重構(gòu)時間是重構(gòu)性能的重要技術(shù)指標(biāo)［9］，在某些強實時應(yīng)用場景下，重構(gòu)時間對飛行器載荷系統(tǒng)性能和任務(wù)執(zhí)行情況起到了決定性作用。因此，下面以基于FPGA的實時信號處理模塊為例，對本文提出方法的系統(tǒng)重構(gòu)時間進行了驗證。

柔性可重構(gòu)方法的重構(gòu)時間t主要由兩部分組成［10］：1）重構(gòu)文件從系統(tǒng)控制器傳輸?shù)叫盘柼幚砉δ苣K并存儲到接口微系統(tǒng)存儲器的時間t0，這段時間可以通過在軟件代碼中添加時間戳的方法來測出；2）重構(gòu)程序?qū)⒅貥?gòu)文件從接口微系統(tǒng)存儲器讀出并寫入模塊中可編程功能單元的時間t1，這段時間也可以通過在軟件代碼中添加時間戳的方法測出，即重構(gòu)程序開始向模塊可編程單元寫入重構(gòu)文件的起始時間與重構(gòu)程序檢測到來自模塊可編程單元重構(gòu)完成的標(biāo)志信號［11］之間的時間差，即t＝t0＋t1。

根據(jù)上述測試方法，在一體化綜合信息處理載荷系統(tǒng)驗證平臺上對基于FPGA的實時信號處理模塊重構(gòu)時間進行了測試，結(jié)果如表1所示。

An Innovative Flexible Reconfiguration Approach for the Integrated Information Processing Payload System

YAN Xiao，YANG Zongwu，WANG Qian，ZHANG Tianhong
（School of Astronautics and Aeronautic，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Based on integrated information processing payload architecture，a novel real－time flexible reconfiguration method for the integrated information support is presented.The proposed approach can dynamically reload the firmware and parameters into the corresponding the function modules in the integrated information processing payloads through their standard programmable interfaces and reconfigurable high speed signal matrices according to the assigned missions.Then，the integrated signal processing for the information payloads，such as TT＆C communication，navigation，target detection and identification，can be dynamically implemented on one unified information processing architecture.The system resources can be dramatically saved，and the reliability of the information payload system can be improved by the dynamic redundancy backup.

integrated；flexible reconfigurable；information processing payload；online reload

V243

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.002

2016－09－21

國家自然科學(xué)基金（61601091）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目（ZYGX2015J121）。

閻嘯（1981－），博士，副教授，主要從事空天地一體化測控通信體制、空天信息科學(xué)與技術(shù)、空間系統(tǒng)仿真測試驗證與評估等方面的研究。