基于PowerPC的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔俊亮,朱 弘（.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所； .孔徑陣列與空間探測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 30088）

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基于PowerPC的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔俊亮1,朱 弘2
（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所； 2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230088）

摘 要：結(jié)合數(shù)據(jù)采集在雷達(dá)技術(shù)中的應(yīng)用，介紹了一種基于PowerPC的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、運(yùn)行狀態(tài)及故障監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。介紹了系統(tǒng)整體架構(gòu)，給出了硬件原理框圖和軟件設(shè)計(jì)概要。經(jīng)測試表明，該設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足了設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，效果良好。

關(guān)鍵詞：PowerPC；FPGA；實(shí)時(shí)；數(shù)據(jù)采集

1 引言

近年來，隨著遠(yuǎn)程預(yù)警探測雷達(dá)的規(guī)模越來越大，集成的設(shè)備越來越多，快速準(zhǔn)確地收集和分析各工作單元工作是否正常就成為現(xiàn)實(shí)的需求。利用嵌入式技術(shù)對相應(yīng)的設(shè)備工作參數(shù)進(jìn)行采集，一方面可以及時(shí)了解各工作單元的工作狀態(tài)，另一方面也可將采集的參數(shù)集中送至主控單元，為主控單元做出控制命令提供參考依據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

電路設(shè)計(jì)上，選用Freescale公司的QorlQ P2020為主控芯片，配置系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，由于系統(tǒng)要與雷達(dá)的多個(gè)工作單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，為了減少接口芯片的種類，采用FPGA來進(jìn)行接口的銜接。

（1）QorlQ P2020芯片介紹。P2020處理器基于45nm技術(shù)低功耗平臺，最高主頻可達(dá)1.2G Hz。每個(gè)處理器包含兩個(gè)e500 Power Architecture核心與外設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)口在線下載并燒寫操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，并通過以太網(wǎng)固化和更新PowerPC程序，P2020憑借其低功耗設(shè)計(jì)及單線程高性能，非常適合雷達(dá)數(shù)據(jù)采集控制層面的應(yīng)用。

（2）FPGA芯片介紹。FPGA作為一種專用集成電路，解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)量有限的缺點(diǎn)，芯片編程配置靈活，開發(fā)周期短，系統(tǒng)簡單，具有集成度高、體積小、功耗低、高速I/O 端口多、可在線系統(tǒng)編程等優(yōu)點(diǎn)。在此選用Xilinx公司的XC7K325T。

（3）底層數(shù)據(jù)采集。大型雷達(dá)需要采集的數(shù)據(jù)眾多，且考慮到兼容性，我們通過多種方式來采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)：通過RS232/RS422、TTL、IIC，光纖、以太網(wǎng)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。整套硬件設(shè)備可在單板中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

（4）數(shù)據(jù)存儲。對于數(shù)據(jù)存儲，由于系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各工作模塊工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量不大，且系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)之后統(tǒng)一打包處理發(fā)送給主控單元，并不會(huì)有太長的時(shí)間延時(shí)，故數(shù)據(jù)存儲只需要進(jìn)行緩存，我們采用FIFO對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

FIFO的本質(zhì)，其實(shí)就是一種特殊的雙口RAM，通過編程實(shí)現(xiàn)的FPGA內(nèi)部有可用的雙口RAM資源，利用FPGA強(qiáng)大的內(nèi)部資源，在 FPGA內(nèi)部編寫程序集成 FIFO。XC7K325T內(nèi)部具有16020Kb的Block RAM，可以提供足夠的雙口RAM資源。本系統(tǒng)為了使代碼模塊共用，減少開發(fā)的工作量，取最大深度的FIFO進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，F(xiàn)IFO深度為2K*16bits。

（5）光纖接口設(shè)計(jì)。Xilinx公司在其XC7K325T中最多集成了16路高速GTX，為了方便用戶對GTX的使用，Xilinx公司提供了一個(gè)對GTX進(jìn)行Wrapper的IP core，其名稱是transceivers IP，本系統(tǒng)采用起始號（4字節(jié)）+功能號（4字節(jié)）+數(shù)據(jù)（128字節(jié)）+校驗(yàn)（2字節(jié)）+結(jié)束號（4字節(jié)）的簡化數(shù)據(jù)包模式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集。

（6）IIC接口設(shè)計(jì)。IIC總線是雙向、兩線、串行、多主控接口標(biāo)準(zhǔn)，具有總線仲裁機(jī)制，本系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)的集成度，將IIC控制器嵌入FPGA內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)把控制器從邏輯上分成兩個(gè)狀態(tài)機(jī)，分別為命令狀態(tài)機(jī)和時(shí)序狀態(tài)機(jī)，其中，命令狀態(tài)機(jī)用于管理IIC總線上的命令狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)IIC總線讀寫操作命令狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過程；時(shí)序狀態(tài)機(jī)用于實(shí)現(xiàn)IIC總線啟動(dòng)、停止、讀、寫、確認(rèn)等命令的具體時(shí)序關(guān)系。

3 FPGA與P2020通信

FPGA完成系統(tǒng)與外部接口的通信功能，而 P2020負(fù)責(zé)與主控進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，F(xiàn)PGA在其采集到數(shù)據(jù)后，通過localbus將按協(xié)議打包好的數(shù)據(jù)發(fā)送給P2020，localbus采用數(shù)據(jù)/地址線復(fù)用的形式，通過Buffer進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和隔離，采用16bits寬度，本設(shè)計(jì)中采用Motorola CPU總線架構(gòu)，即大端模式。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)采用Wind River公司的VxWorks6.5版本。軟件設(shè)計(jì)的主要工作是VxWorks操作系統(tǒng)BSP的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。它的主要功能為屏蔽硬件，提供操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)及硬件驅(qū)動(dòng)。Wind River公司在集成開發(fā)環(huán)境WorkBench中提供了許多典型設(shè)計(jì)的BSP軟件包，設(shè)計(jì)人員只需要在這些BSP上進(jìn)行針對修改即可。本設(shè)計(jì)根據(jù)需要，驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)包括NOR FLASH驅(qū)動(dòng)、以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)和RapidIO接口驅(qū)動(dòng)，因不是本文討論重點(diǎn)，不再一一贅述。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種對雷達(dá)各工作單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行狀態(tài)及故障監(jiān)視系統(tǒng)，將PowerPC引入系統(tǒng)應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信、處理功能，為大型雷達(dá)各設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)控提供了有力保障。同時(shí)，采用FPGA進(jìn)行外部接口互連設(shè)計(jì)，能夠很好的對未來雷達(dá)設(shè)備的擴(kuò)充提供兼容設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)具有硬件可裁減、可擴(kuò)充、可升級、軟件在線可編程的特點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在規(guī)模、功耗、體積上有很大的優(yōu)勢。經(jīng)測試表明，該設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的采集遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足了設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，效果良好。

參考文獻(xiàn)：

［1］付雪,卜雄洙，沈碧云.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀表技術(shù),2013（12）：6-9．

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.114

作者簡介：龔俊亮（1988-），江西豐城人，工程師，主要從事：雷達(dá)波控設(shè)計(jì)。