面向無人機(jī)任務(wù)載荷的通用數(shù)據(jù)記錄技術(shù)

林天靜，沈 浩，杭 飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 310012）

1 引 言

現(xiàn)代無人機(jī)航空偵察與探測(cè)平臺(tái)會(huì)同時(shí)裝載多種傳感器載荷以適應(yīng)各種任務(wù)需要，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光電偵察、SAR雷達(dá)偵察、高光譜偵察、大氣檢測(cè)、地理測(cè)繪等多種任務(wù)的需求［1］。通過這些載荷采集到的原始數(shù)據(jù)信息需要與飛行姿態(tài)、經(jīng)緯度、飛行高度等多種參數(shù)保持同步才能正確的形成情報(bào)；在某些特殊情況下，兩種或多種傳感器信息需要同步合成處理才能準(zhǔn)確描述現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)。所以，現(xiàn)代偵察系統(tǒng)一般要求裝載的所有傳感器載荷信息同步采集保持，并實(shí)行集中存儲(chǔ)與管理［2-5］。

為適應(yīng)無人機(jī)機(jī)載平臺(tái)任務(wù)載荷綜合化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求，系統(tǒng)性的規(guī)劃研發(fā)一套面向無人機(jī)任務(wù)載荷的高密度、大容量的通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備勢(shì)在必行［6-8］。

2 常見數(shù)據(jù)記錄設(shè)備架構(gòu)

常見數(shù)據(jù)記錄設(shè)備包括以下幾種架構(gòu)：

圖1（a）（b）所示的兩種常見數(shù)據(jù)記錄設(shè)備架構(gòu)是以高性能CPU為核心，通過PCIe總線前端擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集模塊，后端由PCIe Switch或Raid 卡擴(kuò)展PCIe SSD或SATA SSD，該種架構(gòu)為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)展性、通用性較好，但功耗較大（100W以上），不利于小型化設(shè)計(jì)，且由于數(shù)據(jù)總線經(jīng)過了CPU，使得CPU自身的總線交互能力會(huì)成為實(shí)現(xiàn)高速記錄的瓶頸［9-11］。

圖1（c）所示的記錄設(shè)備架構(gòu)，是以PCIe交換為核心。外圍擴(kuò)展CPU、FPGA和存儲(chǔ)陣列，其中存儲(chǔ)陣列可以直接是PCIe SSD或通過PCIe轉(zhuǎn)SATA橋連接SATA SSD，該種架構(gòu)是目前構(gòu)建高速數(shù)據(jù)記錄設(shè)備比較主流的一種架構(gòu)，具有密度大、速率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于PCIe SSD以面向商用領(lǐng)域?yàn)橹鳎h(huán)境適應(yīng)性較差，無法滿足機(jī)載產(chǎn)品的高低溫使用要求，在PCIe SSD自身的可靠性未達(dá)到惡劣環(huán)境下的使用要求之前，不適于在機(jī)載環(huán)境下使用。另外，雖然PCIe SSD自身速度優(yōu)勢(shì)較大，但自身功耗偏大，由多塊PCIe SSD構(gòu)建存儲(chǔ)陣列時(shí)，整體功耗較大，增加無人機(jī)機(jī)載電源負(fù)荷，不利于無人機(jī)平臺(tái)的持續(xù)長(zhǎng)航時(shí)工作［12，13］。

圖1 數(shù)據(jù)記錄設(shè)備常見架構(gòu)

3 通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備使用模式規(guī)劃

通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的工作模式主要包括：記錄模式、回放模式、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)模式和卸載模式。其中前3種工作模式為機(jī)載功能（記錄、回放和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)可同時(shí)進(jìn)行），卸載模式為地面功能［14，15］。

（1）記錄模式

機(jī)載控制平臺(tái)可以通過RS422向通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備發(fā)送記錄指令，通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備按照控制命令的要求實(shí)時(shí)采集各路載荷（可見光相機(jī)、成像光譜儀、激光雷達(dá)、SAR等高分傳感器）發(fā)送的非格式化流式數(shù)據(jù)，進(jìn)行格式化封裝后存入記錄設(shè)備內(nèi)部存儲(chǔ)模塊中，并在記錄過程中建立參數(shù)索引表。

（2）回放模式

機(jī)載控制平臺(tái)可以通過RS422串口查詢已記錄在記錄設(shè)備內(nèi)部各載荷數(shù)據(jù)的任務(wù)信息，并按任務(wù)號(hào)、數(shù)據(jù)類型、時(shí)間、地理位置等索引信息，將記錄數(shù)據(jù)通過光纖回放給指定機(jī)載處理設(shè)備。

（3）實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)模式

通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備在接收到圖像類數(shù)據(jù)時(shí)，可以根據(jù)設(shè)置，將該類數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮后，通過設(shè)備的同步422接口轉(zhuǎn)發(fā)到機(jī)載鏈路單元中，再由機(jī)載鏈路單元將實(shí)時(shí)壓縮圖像下傳至地面接收站。

（4）卸載模式

飛機(jī)返航后可將通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備上的可插拔存儲(chǔ)體取下，安裝至地面卸載設(shè)備，再由地面卸載設(shè)備將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)管理設(shè)備，并進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)管理，提供數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)［16，17］。

圖2顯示的是通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的工作模式及連接關(guān)系。

4 通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備架構(gòu)規(guī)劃

通過對(duì)傳統(tǒng)架構(gòu)記錄設(shè)備的對(duì)比分析，并結(jié)合無人機(jī)任務(wù)載荷的實(shí)際使用要求，本文提出了一種以低功耗ARM處理器與FPGA相結(jié)合方式構(gòu)建通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的核心架構(gòu)，如圖3所示。

圖2 通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的應(yīng)用層次關(guān)系及功能組成框圖

借助FPGA靈活的可編程能力，在其內(nèi)部集成RapidIO控制器、DDR控制器、SATA控制器、RAID控制器等邏輯單元，體現(xiàn)硬件集成電路軟件化的設(shè)計(jì)思想，既可最大限度的節(jié)約電路布板面積和整體功耗，又可在不改變硬件設(shè)計(jì)的前提下，通過在線軟件重構(gòu)，靈活適應(yīng)前后端的需求變化。前端傳感器輸出無法調(diào)節(jié)為指定接口標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以由記錄設(shè)備主動(dòng)適應(yīng)傳感器接口，后端存儲(chǔ)模塊接口由FPGA的GTX總線構(gòu)建，可以適應(yīng)多種協(xié)議變化、各級(jí)容量（數(shù)量）配置的存儲(chǔ)體。此外，考慮到無人機(jī)系統(tǒng)常見的圖像實(shí)時(shí)壓縮下傳的應(yīng)用要求，主控模塊上預(yù)布圖像處理模塊，最大可支持4K×3K分辨率圖像的壓縮處理。

圖3 通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備新架構(gòu)框圖

在該架構(gòu)中，ARM負(fù)責(zé)命令調(diào)度，可充分發(fā)揮其命令管理性能和低功耗的優(yōu)勢(shì)；FPGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)調(diào)度，可充分發(fā)揮高速管理并行數(shù)據(jù)流的優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)流程均為高速串行GTX總線（支持RadpidIO、SATA等協(xié)議）和高度DDR4緩沖，確保整體記錄、訪問帶寬滿足指標(biāo)要求；圖像處理模塊可根據(jù)需要完成對(duì)圖像類數(shù)據(jù)的壓縮處理。

4.1 小型低功耗設(shè)計(jì)

以高集成度的FPGA為核心，采用FPGA+低功耗處理器芯片ARM的架構(gòu)通過擴(kuò)展外圍電路來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的各項(xiàng)功能。FPGA作為數(shù)據(jù)交互中心，將RapidIO控制器、DDR控制器、SATA控制器、RAID控制器等，由嵌入其內(nèi)的可編程功能模塊來實(shí)現(xiàn)，既達(dá)到了簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)的目的，也顯著降低了電路的整體功耗。集成于主控模塊的圖像壓縮功能由海思專用視頻處理芯片完成，與傳統(tǒng)圖像處理使用的DSP芯片相比，專用視頻處理芯片的外圍電路簡(jiǎn)潔、功耗較低。主控模塊組成圖見圖4。

圖4 低功耗架構(gòu)框圖

針對(duì)通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的工作運(yùn)行方式，為降低設(shè)備在運(yùn)行中的功耗，優(yōu)化設(shè)備的供電模式。在設(shè)備電源設(shè)計(jì)時(shí)為各個(gè)功能模塊規(guī)劃獨(dú)立的供電開關(guān)電路，在不影響任務(wù)執(zhí)行的前提下，獨(dú)立關(guān)閉不參與當(dāng)前任務(wù)的電路單元。例如，沒有圖像數(shù)據(jù)壓縮處理要求時(shí)，可以對(duì)視頻處理模塊的供電采用低功耗休眠模式；當(dāng)數(shù)據(jù)記錄速率和存儲(chǔ)容量需求降低時(shí)，可以關(guān)閉部分SSD電源。

4.2 多源同步記錄設(shè)計(jì)

多源同步記錄工作原理如圖5所示，多源同步記錄功能由數(shù)據(jù)采集單元、存儲(chǔ)控制單元、存儲(chǔ)單元三部分協(xié)同完成。

數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)對(duì)用戶的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和緩存。數(shù)據(jù)采集接口負(fù)責(zé)對(duì)用戶數(shù)據(jù)的直接采集，并按照特定格式對(duì)采集到的數(shù)據(jù)打包后送入數(shù)據(jù)緩沖單元。各個(gè)通路的數(shù)據(jù)采集單元之間一般是相互獨(dú)立、并發(fā)工作的，因此具有靈活性強(qiáng)、總帶寬高等優(yōu)點(diǎn)。

存儲(chǔ)控制單元負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)采集單元送來的各種數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)和預(yù)分配的暫存地址按類型一一匹配，組成一定數(shù)據(jù)格式并發(fā)往存儲(chǔ)單元。主要由數(shù)據(jù)判斷與分發(fā)單元、數(shù)據(jù)暫存單元和地址暫存單元、地址數(shù)據(jù)匹配與數(shù)據(jù)包生成單元、元數(shù)據(jù)管理以及存儲(chǔ)體接口物理層構(gòu)成。

存儲(chǔ)單元提供海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，可接收外部命令執(zhí)行對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的讀寫。存儲(chǔ)單元采用輕量級(jí)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，把各類傳感器產(chǎn)生的文件索引信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。不同類型的數(shù)據(jù)存入不同的文件，多個(gè)文件打包存入一個(gè)文件中，文件系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫(kù)中的索引快速訪問每一個(gè)文件，用于實(shí)現(xiàn)讀寫刪除等功能。

4.3 接口通用化設(shè)計(jì)

從現(xiàn)狀及未來幾年的發(fā)展需求來看，選擇SRIO（Serial RapidIO）接口作為機(jī)上傳感器載荷與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備之間的傳輸接口，在傳輸率要求、擴(kuò)展性要求及集成設(shè)計(jì)要求等方面都非常合適。

圖5 多源同步記錄工作原理框圖

SRIO是面向嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提出的高可靠、高性能、基于包交換的新一代高速互聯(lián)技術(shù)，于2004年被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電工協(xié)會(huì)（IEC）批準(zhǔn)為ISO/IECDIS18372標(biāo)準(zhǔn)。SRIO速率高、延時(shí)小，可以實(shí)現(xiàn)最低引腳數(shù)量，采用DMA傳輸，支持復(fù)雜的可拓展拓?fù)?，支?.25Gbps、2.5Gbps、3.125Gbps、5Gbps、6.25Gbps等波特率，適用于嵌入式系統(tǒng)/設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)交互。

SRIO包含三層結(jié)構(gòu)的協(xié)議，物理層、傳輸層、邏輯層。物理層：定義電氣特性、鏈路控制、低級(jí)錯(cuò)誤管理、底層流控制數(shù)據(jù)；傳輸層：定義包交換、路由和尋址機(jī)制；邏輯層：定義總體協(xié)議和包格式。其層級(jí)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 SRIO的層級(jí)結(jié)構(gòu)

它具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）基于GTX，速度快，引腳少；（2）可交換，擴(kuò)展性強(qiáng)；（3）支持事務(wù)多，有SWRITE、NWrite、NRead、Message、DoorBell，能適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景；（4）效率高，基于SWRITE協(xié)議的傳輸效率最高能達(dá)到91%以上。

統(tǒng)一SRIO的三層設(shè)計(jì)，是傳感器載荷與通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備建立通訊的基礎(chǔ)。通過FPGA的GTX總線例化SRIO協(xié)議，可靈活編程，實(shí)現(xiàn)X1、X4等各種組合模式。GTX總線自身支持的線速率為12.5Gbps，可以滿足當(dāng)前速率最高6.25Gbps SRIO的例化需要，并具備一定擴(kuò)展使用潛力。

統(tǒng)一SRIO的物理層、傳輸層、邏輯層三層協(xié)議之后，傳感器載荷與通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備就可以建立起正常通訊，但為了便于更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與后期的數(shù)據(jù)挖掘分析，以及通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備能夠自適應(yīng)各種類型的傳感器載荷接入，需要在SRIO自身的三層協(xié)議之外，綜合考慮各傳感器載荷數(shù)據(jù)特點(diǎn)，規(guī)劃一層普遍適用于高分系統(tǒng)各傳感器載荷與通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備互聯(lián)通訊的應(yīng)用層協(xié)議。傳感器載荷向通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需將自身數(shù)據(jù)按應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行封裝。

表1所示的應(yīng)用層協(xié)議結(jié)構(gòu)是初步推薦的一種比較常見且較為實(shí)用的結(jié)構(gòu)，當(dāng)傳感器載荷數(shù)據(jù)由可編程器件輸出時(shí)，可以在線編程實(shí)現(xiàn)封裝。結(jié)構(gòu)表中第二部分的參數(shù)區(qū)主要保存后期回放、卸載時(shí)用戶可用其作為特征檢索的參數(shù)，該參數(shù)區(qū)盡量簡(jiǎn)潔，只保存檢索參數(shù)，以提高通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備提取特征參數(shù)，建立索引的效率。對(duì)于部分用于數(shù)據(jù)分析而不用于數(shù)據(jù)檢索的參數(shù)，需保留在第三部分的數(shù)據(jù)區(qū)。

表1 應(yīng)用層協(xié)議結(jié)構(gòu)示例

通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備規(guī)劃12路RapidIO光纖接口，可設(shè)置為8路X1或2路X4數(shù)據(jù)采集接口和1路X4 的卸載接口，也可在載荷增加的情況下將1路X4卸載接口配置為4路X1或1路X4數(shù)據(jù)采集接口；對(duì)于低速的載荷數(shù)據(jù)，設(shè)備預(yù)留一個(gè)RS422接口作為采集接口；設(shè)備通過一個(gè)RS422接口同機(jī)載控制設(shè)備進(jìn)行命令交互及狀態(tài)上傳；圖像類數(shù)據(jù)經(jīng)通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備內(nèi)嵌的圖像壓縮單元壓縮后可以由同步422接口轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)載鏈路單元；設(shè)備內(nèi)部預(yù)留1路X4 RapidIO電接口，用于擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與無法引出RapidIO光纖接口的傳感器載荷對(duì)接。

5 通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備設(shè)計(jì)創(chuàng)新

5.1 靈活通用

通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備重點(diǎn)面向無人機(jī)領(lǐng)域的特定使用要求，建立以ARM+FPGA為核心，擴(kuò)展外圍接口單元和存儲(chǔ)單元的整體架構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)小型低功耗設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?？稍诓桓淖冇布O(shè)計(jì)的前提下，通過在線軟件重構(gòu)，靈活適應(yīng)前后端的需求變化。前端傳感器輸出無法調(diào)節(jié)為指定接口標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以由記錄設(shè)備主動(dòng)適應(yīng)傳感器接口，后端存儲(chǔ)單元接口由FPGA的GTX總線構(gòu)建，可定義為SATA2.0、SATA3.0、PCIE2.0、PCIE3.0等多種多個(gè)通用存儲(chǔ)器接口，可以適應(yīng)多種協(xié)議變化、各級(jí)容量（數(shù)量）配置的存儲(chǔ)模塊。

5.2 數(shù)據(jù)安全

為保證記錄數(shù)據(jù)的可靠性，從多種類型數(shù)據(jù)優(yōu)先管理控制、硬件故障時(shí)RAID冗余、異常斷電時(shí)數(shù)據(jù)保護(hù)等方面入手展開研究。多種類型數(shù)據(jù)共享存儲(chǔ)空間時(shí)可建立優(yōu)先機(jī)制，保證重要等級(jí)較高數(shù)據(jù)優(yōu)先獲得存儲(chǔ)空間。建立基于FPGA的RAID冗余機(jī)制，在存儲(chǔ)顆粒發(fā)生硬件故障時(shí)，保證記錄數(shù)據(jù)的延續(xù)性和可恢復(fù)性。實(shí)現(xiàn)緊急情況下數(shù)據(jù)快速銷毀，包括數(shù)據(jù)銷毀（軟銷毀）和介質(zhì)銷毀（硬銷毀）兩種實(shí)現(xiàn)方案。數(shù)據(jù)銷毀采用軟件方式銷毀，實(shí)現(xiàn)對(duì)已記錄數(shù)據(jù)的凈格處理，但不破壞存儲(chǔ)介質(zhì)，硬件可復(fù)用；介質(zhì)銷毀采用物理方式銷毀，徹底破壞存儲(chǔ)介質(zhì)，硬件不可復(fù)用。在異常斷電時(shí)，保證已記錄數(shù)據(jù)不應(yīng)受斷電瞬間影響而被破壞。

6 結(jié)束語

本文介紹了一種在無人機(jī)平臺(tái)上具有廣泛應(yīng)用前景的通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備設(shè)計(jì)方案，其采樣速率高達(dá) 2GB/s，可以滿足多種任務(wù)載荷數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、處理、分析的需求。作為一種設(shè)計(jì)精煉而又實(shí)用的通用數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，采用ARM+FPGA的SOPC技術(shù)，解決了無人機(jī)載荷中經(jīng)常遇到的高速大容量存儲(chǔ)要求和小型低功耗之間的矛盾，可以與各種偵察/探測(cè)載荷配合使用，實(shí)現(xiàn)情報(bào)數(shù)據(jù)的高速采集、安全存儲(chǔ)、高效管理及有效使用。