綜合信息處理平臺設(shè)計與實現(xiàn)

于曉慶,王景琰

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.中國人民解放軍32069部隊天津軍事代表室，天津 300211)

0 引言

隨著社會高速發(fā)展，人們對電子信息技術(shù)越來越依賴，目前數(shù)據(jù)采集技術(shù)在移動通信、遙測、雷達等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集都是采集信號如：電壓、電流、振動等相應(yīng)的信號，一般應(yīng)用在產(chǎn)品或小型系統(tǒng)中，具有不易集成、資源多以及利用率低等[1-2]特點。而大型系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與采集具有資源多、功能復(fù)雜以及性能強大等特點，當前大型系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸具有以下要求：

① 各功能信息要統(tǒng)一與服務(wù)器建立數(shù)據(jù)交互，便于遠程執(zhí)行操作；

② 與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)通信模式，建立高效的數(shù)據(jù)傳輸方案。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸無法滿足大型工程領(lǐng)域技術(shù)要求。如何采用一種高效、靈活的解決方案，優(yōu)化目前數(shù)據(jù)傳輸機制，重要性不言而喻，為了滿足大型系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，設(shè)計了一種綜合信息處理平臺，實現(xiàn)了功能信息與服務(wù)器之間統(tǒng)一管理及處理的數(shù)據(jù)交互過程，最后在工程實踐中驗證了該平臺的可行性。

1 總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)信息傳輸機制，綜合信息處理平臺主要包括兩部分：背板設(shè)計和監(jiān)控平臺，具體設(shè)計方案如圖1所示。具體實現(xiàn)過程：通用機箱背板主要是將各功能控制單元信息均采用PXI總線方式匯集背板上，在機箱背板預(yù)留一個插槽集合各功能控制單元與監(jiān)控平臺通信。監(jiān)控平臺主要完成信息集合、解析、控制及分發(fā)等功能。信息轉(zhuǎn)發(fā)就是集合功能控制單元的工作狀態(tài)以及業(yè)務(wù)信息，并將這些信息統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器；控制就是接收服務(wù)器下發(fā)的控制指令識別相應(yīng)代號，解析處理后轉(zhuǎn)發(fā)給各功能控制單元。

圖1 綜合信息處理平臺

根據(jù)通用機箱監(jiān)控平臺功能及性能指標，硬件設(shè)計框架采用DSP+FPGA處理架構(gòu)，實現(xiàn)低功耗、高實時性及高穩(wěn)定性的監(jiān)控平臺。DSP具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)接口，主要用于數(shù)據(jù)解析以及與計算機軟件實現(xiàn)信息管理、資源共享和遠程監(jiān)控等功能。FPGA具有系統(tǒng)級的用戶可編程及并行處理能力，滿足監(jiān)控平臺的多通道并行數(shù)據(jù)交互功能。

TMS320C6455是TI公司近年推出的一款面向高端用戶的定點數(shù)字信號處理器，其主頻最高為1.2 GHz，內(nèi)部集成的千兆以太網(wǎng)MAC支持4種以太網(wǎng)媒體接口：MII、RMII、GMII和RGMII。其中MII支持10 M和100 M的操作；RMII是簡化的MII接口，同樣支持10 M和100 M的總線接口速度；GMII是千兆網(wǎng)的MII接口。TMS320C6455的高速數(shù)據(jù)處理能力及千兆以太網(wǎng)接口非常適合監(jiān)控平臺的設(shè)計[3-5]。

FPGA采用Xilinx公司最新高性能Kintex-7系列的XC7K325T，它基于28nm技術(shù)，有著高通用性、高性能以及低功耗等特點[6-10]，內(nèi)部支持LTE、WiMAX、WCDMA以及PCIExpress等多種傳播接口[11-13]。另外，Xilinx公司提供了一體化的設(shè)計平臺，可縮短項目開發(fā)周期，便于用戶開發(fā)，滿足監(jiān)控平臺的設(shè)計需求[7]。

2 硬件設(shè)計

2.1 背板設(shè)計

通用機箱背板主要由標準PXI插卡區(qū)、時鐘卡區(qū)、電源區(qū)以及監(jiān)控平臺區(qū)組成。標準PXI插卡區(qū)主要插入各單元板卡，最多支持16個；電源區(qū)主要給各單元板卡提供電源；時鐘區(qū)主要給各單元板卡提供信號；背板硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 背板硬件設(shè)計

J1、J2均采用PXI標準定義，其中，J1按照PXI規(guī)范進行電氣連接，J2插件引腳實現(xiàn)自定義，各單元信息通過PXI與監(jiān)控平臺可靠傳輸。

2.2 監(jiān)控平臺設(shè)計

監(jiān)控平臺硬件設(shè)計主要由DSP模塊、FPGA模塊和PXI模塊組成，F(xiàn)PGA模塊主要負責集合各功能模塊的信息；DSP模塊主要完成信息解析、處理過程；PXI模塊匯集各單元的數(shù)據(jù)交互接口，監(jiān)控平臺硬件設(shè)計框架如圖3所示。

圖3 監(jiān)控平臺硬件設(shè)計

TMS320C6455的EMIFA接口時鐘頻率可達300 MHz，可連接外部存儲器或其他外設(shè)。本平臺通過EMIFA接口外接1片16 MB的NOR FLASH，在CE2地址空間內(nèi)實現(xiàn)代碼的存儲；EMIFA接口同時還和FPGA內(nèi)的FIFO相連，使FPGA內(nèi)的FIFO間映射到DSP的CE3地址空間，CE3控制FPGA端的FIFO[13]。

控制信號線：在FPGA內(nèi)部和DSP相連的是一個輸出FIFO，它的片選信號、時鐘信號和寫使能信號分別對應(yīng)于TMSC6455的信號EMA_CE3、EMA_CLK和EMA_WE信號；而讀使能信號由EMA_OE、EMA_CE3和EMA_CLK共同產(chǎn)生，因為EMIA的每一個讀時序包含多個EMA_CLK時鐘周期，在EMA_OE有效電平期間，F(xiàn)IFO的讀使能信號只能持續(xù)一個時鐘周期，否則多個數(shù)據(jù)將被讀出[4]。

通過外擴的ET1011C PHY芯片及TMS320C6455片內(nèi)的EMAC/MDIO模塊，可以快速地實現(xiàn)OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能[7]。ET1011C PHY芯片是千兆以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器，支持IEEE802.3標準，提供RGMII、GMII、MII、RTBI和TBI接口，能夠與TMS320C6455中的EMAC/MDIO模塊無縫連接，支持10/100/1000 Mb/s全雙工數(shù)據(jù)傳輸。主要接口信號包括時鐘、控制和監(jiān)測信號與數(shù)據(jù)總線[14,18]。

監(jiān)控平臺電源采用5 V供電，經(jīng)過多種電源芯片輸出3.3 V,1.2 V,2.5 V,1.8 V,1 V,DSP和FPGA芯片供電分別采用獨立電源，利用電壓可靠及調(diào)試，具體電源設(shè)如圖4所示。

圖4 監(jiān)控平臺電源設(shè)計

3 軟件設(shè)計

DSP軟件設(shè)計采用TI的集成開發(fā)環(huán)境CCS5.4，DSP軟件配合FPGA上的FIFO一起控制信號的采集和數(shù)據(jù)的實時處理。軟件實現(xiàn)功能分3部分：系統(tǒng)初始化、EDMA傳輸控制和中斷服務(wù)程序。

FPGA模塊軟件設(shè)計采用Vivado開發(fā)環(huán)境，軟件實現(xiàn)分3部分：與DSP通信接口、多單元FIFO緩沖存儲器和地址譯碼。

監(jiān)控平臺將數(shù)據(jù)信息分為控制信息和業(yè)務(wù)信息2種，監(jiān)測平臺軟件設(shè)計主要實現(xiàn)各功能板卡并行與計算機應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)信息交互。具體實現(xiàn)工作流程：計算機應(yīng)用軟件按照軟件接口協(xié)議通過監(jiān)控平臺給各單元板卡下發(fā)配置地址指令，監(jiān)控平臺通過配置地址指令將配置地址與單元板卡槽位號建立對應(yīng)表，計算機下發(fā)控制命令時監(jiān)控平臺根據(jù)地址映射關(guān)系將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給各單元板卡，各單元模塊收到指令的信息進行判斷，產(chǎn)生回執(zhí)，表明已收到相關(guān)信息正確性；各功能單元將上報的業(yè)務(wù)信息按地址映射匯總到監(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺通過網(wǎng)絡(luò)通信組播模式將業(yè)務(wù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給計算機軟件，具體實現(xiàn)流程如圖5和圖6所示。

圖5 監(jiān)控平臺控制命令工作流程

圖6 監(jiān)控平臺業(yè)務(wù)信息工作流程

在FPGA內(nèi)部開辟N路FIFO_RX/TX接收模塊，設(shè)置FIFO空間為64 KB，通過DSP控制線對N路FIFO進行讀寫操作。各單元板卡信息并行寫入對應(yīng)FIFO_RX接收模塊中，當FIFO_RX接收模塊中有數(shù)據(jù)時，對應(yīng)FIFO模塊產(chǎn)生一個信號，DSP實時讀取信號狀態(tài)，當判斷FIFO有數(shù)據(jù)時，首先按照軟件協(xié)議判別幀頭是否為有效數(shù)據(jù)幀，然后依據(jù)信息長度將信息內(nèi)容存儲在DSP外擴的SDRAM中，信息長度依次遞減，當信息長度減為零，即接收完整信息幀，啟動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸將信息轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器，其余FIFO模塊按照上述過程依次執(zhí)行。

監(jiān)控平臺在接收服務(wù)器指令時，首先按照協(xié)議判斷是否為有效幀，依據(jù)數(shù)據(jù)類別判斷是自身信息還是轉(zhuǎn)發(fā)給單元板卡信息，如自身信息執(zhí)行自身操作；如轉(zhuǎn)發(fā)給單元板卡信息，判斷地址映射對應(yīng)表，將控制信息寫入FPGA的FIFO_TX模塊，F(xiàn)IFO_TX按照讀寫時序?qū)⑿畔l(fā)至各單元板卡，統(tǒng)一與服務(wù)器進行網(wǎng)絡(luò)通信。

4 功能驗證

綜合信息處理平臺測試性能以監(jiān)控平臺采集各單元板卡業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)包為傳輸基礎(chǔ)，測試綜合信息處理平臺網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸穩(wěn)定性。本文采用的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議是在標準802.3以太網(wǎng)協(xié)議幀格式的基礎(chǔ)上，采用UDP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸。

將綜合信息處理平臺集成在通用機箱，通過母板插槽區(qū)接入16塊單元板卡，以16塊單元板卡信息地址、業(yè)務(wù)信息的周內(nèi)秒及校驗為判斷數(shù)據(jù)包傳輸準確性的依據(jù)，通過監(jiān)控平臺轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器，服務(wù)器進行數(shù)據(jù)存儲，經(jīng)長期拷機驗證分析數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論：監(jiān)控平臺能夠最大數(shù)傳信息達到800 MB左右，基本接近千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率的80%；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸成功率為99.9%；控制指令傳輸成功率為99.9%；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸延遲為≤20 μs，均滿足系統(tǒng)指標要求。相對于傳統(tǒng)監(jiān)控單元，提高了系統(tǒng)傳輸速度、集成性。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種綜合信息處理平臺設(shè)計方案，對機箱母板設(shè)計，在TMS320C6455+XC7K325T硬件平臺設(shè)計架構(gòu)下開發(fā)相應(yīng)軟件程序，經(jīng)長期調(diào)試拷機驗證滿足系統(tǒng)指標要求。最后證明了所設(shè)計的綜合信息處理平臺可行且具有時效性、正確性和穩(wěn)定性，在實際應(yīng)用中能夠?qū)卧蹇ê头?wù)器之間進行統(tǒng)一管理，建立統(tǒng)一傳輸信息機制，對相關(guān)的工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。