作戰(zhàn)試驗(yàn)中的信息存儲(chǔ)技術(shù)研究

趙儒桐，劉鵬，王曉曼

（1.長春理工大學(xué) 電子信息學(xué)院，長春 130022；

2.長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

作戰(zhàn)試驗(yàn)中的信息存儲(chǔ)技術(shù)研究

趙儒桐1，劉鵬2，王曉曼1

（1.長春理工大學(xué) 電子信息學(xué)院，長春 130022；

2.長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

為使武器裝備在投入實(shí)戰(zhàn)使用前就能準(zhǔn)確掌握其真實(shí)的作戰(zhàn)能力和對戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)程度，要求軍隊(duì)在逼真實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下對武器進(jìn)行全面綜合性試驗(yàn)。作戰(zhàn)試驗(yàn)中對戰(zhàn)場環(huán)境和目標(biāo)的高速成像信息以及設(shè)備跟蹤的測量信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集記錄提出了更高的要求。根據(jù)這一需求，采用FPGA+ARM架構(gòu)設(shè)計(jì)一套完整的火控系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)視頻信息接收、解碼及存儲(chǔ)系統(tǒng)，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以FPGA為核心的采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)作戰(zhàn)試驗(yàn)中信息存儲(chǔ)功能，為優(yōu)化武器實(shí)戰(zhàn)性能提供可靠依據(jù)。

火控；作戰(zhàn)試驗(yàn)；ARM；FPGA

坦克是機(jī)械化戰(zhàn)爭的產(chǎn)物，現(xiàn)代坦克在戰(zhàn)場中殺傷能力高，反應(yīng)速度快，防護(hù)能力好，依然是目前世界各國陸軍武器裝備體系中的突擊兵器。開展武器裝備作戰(zhàn)試驗(yàn)是當(dāng)今裝備試驗(yàn)工作發(fā)展的新方向和新領(lǐng)域。當(dāng)今時(shí)代，伴隨著軍事變革的不斷發(fā)展，復(fù)雜條件下的一體聯(lián)合作戰(zhàn)將會(huì)是未來戰(zhàn)爭的主流作戰(zhàn)形式。為使武器裝備在投入實(shí)戰(zhàn)使用前就能夠準(zhǔn)確掌握其真實(shí)的作戰(zhàn)能力和對戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)程度，就需要在逼真的實(shí)戰(zhàn)條件下對武器進(jìn)行全方位的綜合性試驗(yàn)，以此保證裝備的實(shí)戰(zhàn)戰(zhàn)技可以在批量投入生產(chǎn)和列裝部隊(duì)前就能得到充分的錘煉，使裝備在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境中發(fā)揮到其最佳的戰(zhàn)斗力［2］。因此，對作戰(zhàn)試驗(yàn)中對戰(zhàn)場環(huán)境和目標(biāo)的高速成像信息以及設(shè)備跟蹤的測量信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集記錄研究具有十分重要的意義。本文主要對坦克火控系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)中的視頻信息存儲(chǔ)技術(shù)做具體研究和分析。

1 系統(tǒng)硬件框圖

基于ARM和FPGA的火控系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)中視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)如圖1所示，主要由視頻采集部分、控制部分、存儲(chǔ)部分和讀取模塊等組成。硬件電路設(shè)計(jì)主要包括ARM外圍電路的設(shè)計(jì)、FPGA邏輯設(shè)計(jì)、USB電路的設(shè)計(jì)、SATA存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)。其中嵌入式ARM和FPGA共同構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的管理核心，ARM主要負(fù)責(zé)作戰(zhàn)試驗(yàn)視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)的控制和管理工作，F(xiàn)PGA主要完成時(shí)序的轉(zhuǎn)換工作。

圖1 系統(tǒng)框圖

相機(jī)采集過來的視頻信號(hào)經(jīng)CameraLink連接器和電平轉(zhuǎn)換電路后，輸出LVTTL電平類型的數(shù)據(jù)送給主控單元部分FPGA進(jìn)行接收。FPGA把接收的圖像數(shù)據(jù)先存入異步FIFO中，為使后續(xù)的視頻流可以無縫隙的輸出，以此來保證每幅圖像的實(shí)時(shí)性處理，當(dāng)異步FIFO中存取的視頻數(shù)據(jù)到一定量后，F(xiàn)PGA再把數(shù)據(jù)從其里往外讀，然后再將其以100MHz的頻率交替乒乓緩存到兩片SDRAM中，ARM發(fā)送指令給FPGA，將緩存在SDRAM中的視頻流存儲(chǔ)在SSD中。通過USB可以像訪問移動(dòng)硬盤一樣對火控作戰(zhàn)試驗(yàn)中存儲(chǔ)的視頻信息進(jìn)行讀取操作及后期數(shù)據(jù)處理。

2 搭建開發(fā)平臺(tái)

2.1 處理器選取

對于ARM處理器本系統(tǒng)采用三星出的S5PV210芯片，它采用ARM Cortex-A8內(nèi)核，主頻可達(dá)到1GHz，64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32KB的數(shù)據(jù)/指令一級緩存和512KB的二級緩存，能夠?qū)崿F(xiàn)2000DMIPS（每秒運(yùn)算2億條指令集）的高性能運(yùn)算能力［3］。在視頻處理上多格式支持，最高為1080p，3D加速，內(nèi)部包含強(qiáng)大的硬件視頻編碼器（MFC）。包含豐富的外設(shè)接口，也為ARM作為本系統(tǒng)的核心提供了硬件上的支持。

FPGA采用的是Altera公司最新一代SRAM工藝中等規(guī)模的Cyclone II系列，其成本低，結(jié)構(gòu)類似Stratix，且配置芯片也改用新的FPGA系列產(chǎn)品［4］。新推出的Cyclone II系列FPGA比Cyclone成本低30%，邏輯容量多三倍，各型號(hào)性能如表1所示。

在I/O資源方面，整個(gè)系統(tǒng)FPGA的I/O口需要至少255針，從表1看出，EP2C20、EP2C35、EP2C50、EP2C70都滿足系統(tǒng)要求；而從邏輯門要求上說，經(jīng)過軟件仿真，需要的數(shù)目在1000左右；從存儲(chǔ)器資源來說，F(xiàn)PGA只要緩存4簇?cái)?shù)據(jù)就足用，其數(shù)據(jù)量為512B×8×4=16384bit，每個(gè)M4K RAM大小為4096bit，所以EP2C20型號(hào)足以滿足系統(tǒng)需求。

2.2 系統(tǒng)移植

由于ARM負(fù)責(zé)管理和控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，要完成各模塊的功能就必須構(gòu)建linux操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)主要包括內(nèi)核，根文件系統(tǒng)和系統(tǒng)引導(dǎo)程序［6］。根據(jù)模塊功能設(shè)計(jì)需求對內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)的裁剪、移植。在ARM里掛載磁盤文件系統(tǒng)，進(jìn)而對磁盤視頻信息存儲(chǔ)及時(shí)更新，uboot作為操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序。嵌入式Linux系統(tǒng)移植流程圖如圖2所示。簡要步驟如下：

（1）設(shè)計(jì)Bootloader模塊，將其燒錄進(jìn)NandFlash，完成ARM初始化工作，并將系統(tǒng)控制權(quán)交內(nèi)核。

（2）移植根文件系統(tǒng)。本系統(tǒng)移植的是JFFS2文件系統(tǒng)，其底層驅(qū)動(dòng)主要是對Flash的訪問控制。

（3）移植內(nèi)核。首先搭建交叉編譯環(huán)境，編譯工具gcc用來編譯內(nèi)核代碼，然后根據(jù)實(shí)際需求，裁剪內(nèi)核，以此達(dá)到節(jié)約資源和提高速度。進(jìn)而對內(nèi)核進(jìn)行相關(guān)配置，使其適用于實(shí)際的PCB開發(fā)板，最后利用交叉編譯環(huán)境將內(nèi)核燒入Flash指定地址處。

表1 Cyclone II的性能比較

圖2 系統(tǒng)移植流程圖

3 視頻采集及存儲(chǔ)介質(zhì)

3.1 視頻采集

由于針對的是作戰(zhàn)試驗(yàn)中對戰(zhàn)場環(huán)境和目標(biāo)的高速成像信息以及設(shè)備跟蹤的測量信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集記錄，所以必須選取高速相機(jī)作為視頻采集源，本系統(tǒng)選擇的是CCD高速相機(jī)。從高速相機(jī)獲取的高速成像信息和設(shè)備跟蹤的測量信息經(jīng)Camera Link電平轉(zhuǎn)換電路后，將輸出的LVDS信號(hào)模式轉(zhuǎn)換到TTL模式的信號(hào)作為輸入FPGA的信源。Camera Link的總線連接圖如圖3所示。圖中的左半部分是Camera Link發(fā)送部分，把28位的TTL/ CMOS信號(hào)轉(zhuǎn)變成4對LVDS差分信號(hào)，這28位里包括24位有效視頻和4位視頻控制。另外，時(shí)鐘單獨(dú)使用了一對差分來進(jìn)行傳輸；相反右半部分把4對視頻控制差分信號(hào)和1對像素時(shí)鐘差分信號(hào)分別再轉(zhuǎn)換回28位的視頻和時(shí)鐘輸出給采集部分［5］。

圖3 Camera Link總線連接示意圖

3.2 存儲(chǔ)介質(zhì)

本系統(tǒng)采用SATA接口的SSD作為存儲(chǔ)介質(zhì)。SSD相對傳統(tǒng)機(jī)械硬盤主要有以下三大優(yōu)勢：

（1）隨機(jī)I/O次數(shù)高，適合安裝系統(tǒng)及應(yīng)用軟件；

（2）讀寫速度快，存儲(chǔ)穩(wěn)定，適合大數(shù)據(jù)高速存儲(chǔ)；

（3）體積小、功耗低、耐低溫、抗震等環(huán)境特性好。

SSD有效突破機(jī)械磁盤的存儲(chǔ)速度和穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下高速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的理想介質(zhì)，非常適用于火控作戰(zhàn)試驗(yàn)下運(yùn)動(dòng)載體視頻圖像采集存儲(chǔ)的應(yīng)用。SSD實(shí)物圖如圖4所示。此外，跟其他類型的接口相比，SATA總線不僅支持對傳輸數(shù)據(jù)的檢查，還支持對傳輸指令的檢查，使用嵌入式時(shí)鐘信號(hào)，具有好的糾錯(cuò)能力，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤會(huì)自動(dòng)進(jìn)行糾正操作，在很大程度上提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕硗獯薪涌诰哂兄С譄岵灏?，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)［3］。

SATA協(xié)議規(guī)定了相應(yīng)的編碼方法，本系統(tǒng)采用在FPGA內(nèi)部對SATA協(xié)議進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)直接進(jìn)行控制。SATA數(shù)據(jù)傳送采用的是連續(xù)串行的方式進(jìn)行，能夠比較好的解決并行傳輸中帶來的串?dāng)_問題。

圖4 SSD接口實(shí)物

4 USB接口

本設(shè)計(jì)中USB模塊主要的功能就是跟PC電腦連接通信，對存儲(chǔ)的視頻回放處理。通過USB可以像訪問移動(dòng)硬盤一樣對火控作戰(zhàn)試驗(yàn)中存儲(chǔ)的視頻信息進(jìn)行讀取操作，以便于為后期的作戰(zhàn)試驗(yàn)優(yōu)化論證武器裝備作戰(zhàn)性能提供可靠依據(jù)。

本系統(tǒng)為提高視頻流傳輸效率采用USB2.0接口協(xié)議，數(shù)據(jù)傳送的實(shí)現(xiàn)是利用PCI總線和PC的內(nèi)部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線［4］。本系統(tǒng)選用CYPRESS公司生產(chǎn)的USB芯片CY7C68013當(dāng)接口處理器，此芯片具有智能的SIE，能使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到高速模式下的速度（480Mbps）。

5 測試結(jié)果

整體系統(tǒng)硬件需要：焊接好的PCB板、CCD相機(jī)一套、電腦一臺(tái)、SSD固態(tài)存儲(chǔ)盤等。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬環(huán)境對系統(tǒng)測試如圖5所示，為整個(gè)系統(tǒng)的板級調(diào)試平臺(tái)，根據(jù)搭建好的平臺(tái)來完成相機(jī)的配置、圖像的采集、SDRAM控制、乒乓緩存、以及視頻圖像回放等各模塊的硬件語言設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。最后再將編寫好的系統(tǒng)整體代碼下載后進(jìn)行綜合調(diào)試。圖6顯示的是存儲(chǔ)在固態(tài)盤的部分視頻數(shù)據(jù)信息。

圖5 整個(gè)系統(tǒng)的板級調(diào)試平臺(tái)

圖6 部分視頻存儲(chǔ)列表

6 結(jié)論

采用FPGA+ARM架構(gòu)設(shè)計(jì)一套完整的火控系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)視頻信息接收、解碼及存儲(chǔ)系統(tǒng)，在作戰(zhàn)試驗(yàn)中對戰(zhàn)場環(huán)境和目標(biāo)的高速成像信息以及設(shè)備跟蹤的測量信息實(shí)時(shí)采集記錄，為優(yōu)化論證武器裝備作戰(zhàn)性能提供可靠依據(jù)。這樣武器裝備在投入實(shí)戰(zhàn)使用前就可以準(zhǔn)確掌握其真實(shí)環(huán)境下的作戰(zhàn)能力和對戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)程度，實(shí)戰(zhàn)效能就可以在批量投入生產(chǎn)和列裝部隊(duì)前就能使其得到充分錘煉，在真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境中發(fā)揮其最佳的戰(zhàn)斗力。

［1]武小悅，劉琦.裝備試驗(yàn)與評價(jià)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：20-35.

［2]楊榜林，岳全發(fā).軍事裝備試驗(yàn)學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009：9-20.

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［6]陳壽巖.基于SATA硬盤的視頻采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009.

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［8]趙儒桐.火控系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)中的信息存儲(chǔ)技術(shù)研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2018.

Research on Information Storage Technology in Operational Test

ZHAO Rutong1，LIU Peng2，WANG Xiaoman1
（1.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to use weapons and equipment into combat before mastering its real combat ability and battlefield environment adaptation，the comprehensive experiments of weapon equipment under the combat conditions are required.Carrying out combat weapons test is a new direction and a new field for the development of the equipment test work and the higher requirements of realtime data acquisition and recording operation test of battlefield environment and the target of high speed imaging information and equipment tracking measurement information are put forward.According to the demand，a complete fire control system with op?erational test video information receiving，decoding and storage is design by using FPGA+ARM architecture，instead of using FPGA as the core collection of the traditional storage system.Experimental results show that the function of information storage the system can be realizes and a reliable basis for optimizing the actual combat capability of the weapon is provided.

fire control；operational test；ARM；FPGA

TN919

A

1672-9870（2017）02-0102-04

2016-11-08

某基地靶場測試項(xiàng)目（KYC-XZ-XM-2016-013）

趙儒桐（1991-），男，碩士研究生，E-mail：1028609761@qq.com

王曉曼（1956-），女，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：wmftys@126.com