應(yīng)用于無人機的新體系數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計

王偉偉，王 卿

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，浙江 杭州310012）

0 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是一種通過無線遙控或規(guī)劃航線飛行的無人駕駛飛行器，它一般由動力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、無線通訊遙控系統(tǒng)、有效載荷等部分組成。無人機技術(shù)與全球定位系統(tǒng)技術(shù)、遙感技術(shù)、高分辨率攝影技術(shù)相結(jié)合，使其具備了快速反應(yīng)、長航時工作、數(shù)據(jù)實時采集、作業(yè)效率高、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境等特點，應(yīng)用范圍變得越來越廣。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的林業(yè)監(jiān)測、牧群定位、農(nóng)情遙感等方面，在電力行業(yè)的電力巡檢、電網(wǎng)鋪設(shè)、線路勘測等方面，在地質(zhì)行業(yè)的地圖測繪、地質(zhì)勘探等方面，甚至在森林防護(hù)、抗災(zāi)救災(zāi)等方面，無人機都有著廣泛的應(yīng)用。目前，無人機按不同用途及性能劃分已達(dá)數(shù)百種之多。時間跨度上，無人機留空從一小時至幾十個小時不等。承重能力上，從幾千克至幾百千克均可。多種傳感器與不同無人機的協(xié)同作業(yè)，使大規(guī)模、高強度的不同數(shù)據(jù)采集成為可能。

無人機的廣泛應(yīng)用促使相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)加速發(fā)展，首當(dāng)其沖的就是無人機數(shù)據(jù)的記錄及處理技術(shù)。數(shù)據(jù)記錄設(shè)備是無人機系統(tǒng)中的重要組成部分，在載荷數(shù)據(jù)的采集與存儲領(lǐng)域扮演著重要角色。在數(shù)據(jù)形成后，一般都要把這些數(shù)據(jù)完好無損地存入數(shù)據(jù)記錄設(shè)備中，事后供相關(guān)人員參考使用。

在實際應(yīng)用中，勘測目標(biāo)分布范圍廣、隱蔽性高，探測難度越來越大，客觀上要求綜合運用多種傳感器，多角度、連續(xù)觀測，才能全方位獲取實際需要的目標(biāo)信息。如在農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、電力等多行業(yè)領(lǐng)域使用中，逐漸呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)源種類多、數(shù)據(jù)容量大等特點，同時數(shù)據(jù)傳輸和分析的難度也越來越大。以無人機載荷成像技術(shù)為例，其發(fā)展就凸顯如下的特點：（1）高空間分辨率和高時間分辨率的成像精度使得數(shù)據(jù)帶寬和數(shù)據(jù)量越來越大；（2）多平臺多傳感器組網(wǎng)融合與集成的需求，對各個傳感器的同步性要求十分高；（3）圖像解譯技術(shù)研發(fā)和圖像數(shù)據(jù)處理判讀顯得越來越重要，要求數(shù)據(jù)存儲設(shè)備具備一定的分析能力。

最近幾年，隨著固態(tài)存儲技術(shù)的成熟應(yīng)用，尤其是Nand Flash存儲介質(zhì)在數(shù)據(jù)記錄設(shè)備中的普及應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)采集記錄的速度飛速提高，業(yè)界最高采集存儲速度陸續(xù)突破了幾十GB/s的水平。目前無人機領(lǐng)域的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，功能還比較單一，主要是實現(xiàn)了載荷數(shù)據(jù)的高速采集與存儲。然而，在當(dāng)前的應(yīng)用中，往往還要求數(shù)據(jù)具有快速回放、快速分析等諸多功能，同時對多源數(shù)據(jù)的同步性也提出了要求。雖然數(shù)據(jù)記錄設(shè)備和工控計算機的配合使用，能夠解決數(shù)據(jù)回放、分析的需求，但是現(xiàn)場復(fù)雜的物理連線、額外的互聯(lián)測試以及設(shè)備互聯(lián)帶來的可靠性、兼容性問題等都加大了現(xiàn)場快速部署的難度。特別是在外場進(jìn)行這種數(shù)據(jù)采集作業(yè)時，更對設(shè)備的體積、重量、功耗、可靠性提出了要求，故分立的多設(shè)備互連使用方案不太適合現(xiàn)場的快速部署應(yīng)用。同時也要看到，當(dāng)前的某些工控計算機雖然也可以集成數(shù)據(jù)采集功能，但是其常規(guī)的CPCI總線帶寬限制了采集速度的提升，故單個工控機設(shè)備也無法滿足高速數(shù)據(jù)采集、回放、分析的要求。所以有必要對高速數(shù)據(jù)采集、存儲、回放、分析等功能進(jìn)行綜合考慮，在單機設(shè)備中進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，用一種先進(jìn)、可靠同時又具備抗惡劣環(huán)境的技術(shù)架構(gòu)來集成所有這些功能。

本文給出的數(shù)據(jù)采集、存儲、分析一體化設(shè)計方案，以高速串行交換技術(shù)架構(gòu)為框架，是一種集成了數(shù)據(jù)接收與采集、存儲與轉(zhuǎn)儲、處理與分析等多種功能于一體的新型電子設(shè)備，適用于農(nóng)業(yè)、電力、勘探和測繪等多領(lǐng)域應(yīng)用場景下的數(shù)據(jù)采集、記錄與分析。該設(shè)備采用系統(tǒng)功能一體化的設(shè)計方法，具備機械加固與抗惡劣環(huán)境的特性，并擁有便攜的良好特點。

1 高速串行交換技術(shù)介紹

在本方案的設(shè)計中，最大的難點是如何克服數(shù)據(jù)帶寬的瓶頸問題，使得數(shù)據(jù)不管在采集環(huán)節(jié)，還是在處理、分析、存儲環(huán)節(jié)，都能夠滿足高帶寬的要求。經(jīng)過比較、分析，并考慮到抗惡劣環(huán)境性能的要求，選用新型VITA46標(biāo)準(zhǔn)作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架總線。

VITA 46標(biāo)準(zhǔn)是自VME引入后的25年來，對VME總線架構(gòu)的最重大也是最重要的改進(jìn)。它增加背板帶寬，集成更多的I/O，擴展了格式布局。新串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)使得航空嵌入式計算機系統(tǒng)獲得更高的性能，同時減少系統(tǒng)成本和重量。如今有多種高性能交換結(jié)構(gòu)技術(shù)可供選擇。其中Gigabit Ethernet（GbE），Serial RapidIO（SRIO），和 PCI Express（PCIe）尤其突出，優(yōu)點最多。

GbE是基于IP數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)，無論是平臺間網(wǎng)絡(luò)還是在同一個背板中的子系統(tǒng)。SRIO是DSP應(yīng)用中高密度多處理簇互聯(lián)的最好方式。PCIe事實上已經(jīng)是核心處理器到外圍設(shè)備高帶寬數(shù)據(jù)流傳輸應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。因為不可能有一種網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)可以滿足航空嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中所有的需求，所以Curtiss-Wright公司提出了分層（hierarchy）解決方案——使用GbE作為平臺間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并且使用SRIO和PCIe作為底板總線交換網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。通過這種方式，航空系統(tǒng)集成商可以在他們系統(tǒng)中應(yīng)用交換結(jié)構(gòu)技術(shù)。

GbE、SRIO以及PCIe各有優(yōu)勢，如果將這些交換結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，將形成一種新的功能強大的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過應(yīng)用，主要芯片、板子的大量真實評估，以及主板整體設(shè)計，一種被稱為VPX的新的高性能底板問世。無論采用分布的、集中的還是混合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種存在多種網(wǎng)絡(luò)交換的計算平臺，允許用戶選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)來滿足系統(tǒng)需求設(shè)計。GbE可以應(yīng)用于松散耦合系統(tǒng)的鏈接；SRIO、PCIe或兩者結(jié)合使用適合于處理器、外圍設(shè)備以及板卡之間的緊密耦合通信簇；SRIO更適用于組建網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)字信號處理器應(yīng)用；PCIe更適用于核心處理器到外圍設(shè)備的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。

在本方案中，根據(jù)實際情況，靈活運用這二種高速串行交換技術(shù)?；赩ITA46技術(shù)平臺，能夠在同一個設(shè)備內(nèi)同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集、存儲、處理和分析功能。

2 數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案如圖1所示，主要由信號采集模塊、信號處理模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和串行數(shù)據(jù)交換模塊組成。

采集模塊的主要功能是對各種載荷數(shù)據(jù)信號進(jìn)行采集和預(yù)處理。為了適應(yīng)多種類信號的采集需求，在不影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，可以按信號類型把采集模塊分類別制作成標(biāo)準(zhǔn)模塊。

信號處理模塊負(fù)責(zé)載荷數(shù)據(jù)信號的處理，并把處理結(jié)果送給主控模塊分析及顯示。根據(jù)實際的數(shù)據(jù)帶寬和處理要求，可以更換或擴展信號處理模塊，使其處理能力達(dá)到實際應(yīng)用需求。信號處理模塊通常要求采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，使用統(tǒng)一的硬件平臺通過加載不同的軟件實現(xiàn)不同的處理功能，這樣可提高設(shè)備的可靠性，增加系統(tǒng)的可擴展性和靈活性，以滿足不同任務(wù)的需求。

圖1 數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主控模塊作為系統(tǒng)的主控CPU模塊。在主控模塊上安裝本地采集控制軟件，系統(tǒng)顯示界面由主控模塊的顯示接口輸出。主控模塊可以采用標(biāo)準(zhǔn)單板計算機來實現(xiàn)。用戶可以運行采集控制軟件來進(jìn)行射頻信號或數(shù)字信號的接收、采集、存儲工作，通過人機交互設(shè)備發(fā)送控制命令或接收由一體化系統(tǒng)反饋回來的系統(tǒng)狀態(tài)信息。

下面以PAL模擬視頻圖像為例，說明設(shè)備的工作流程。在進(jìn)行PAL視頻數(shù)據(jù)采集存儲操作時，模擬信號從信號采集模塊輸入，經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后，成為數(shù)字信號。數(shù)字信號經(jīng)過圖像數(shù)據(jù)的壓縮后，再經(jīng)數(shù)據(jù)存儲模塊將數(shù)據(jù)送入Flash進(jìn)行存儲。采集模塊輸出的數(shù)字信號，也可以送往信號處理模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，處理完成后再送往顯示器顯示并送往數(shù)據(jù)存儲模塊。在不影響設(shè)備的正常采集存儲工作的情況下，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過高速串行總線送至主控模塊進(jìn)行圖像處理，在顯示屏上實現(xiàn)對載荷數(shù)據(jù)的實時顯示和分析。存儲結(jié)束后，可以通過千兆網(wǎng)絡(luò)接口從系統(tǒng)中將載荷數(shù)據(jù)導(dǎo)出到大容量存儲系統(tǒng)（如磁盤陣列）中去，也可以通過采集控制軟件的回放操作，將存儲的數(shù)據(jù)在顯示屏上進(jìn)行回放顯示。

數(shù)據(jù)存儲模塊是整套設(shè)備的數(shù)據(jù)存放中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲，能夠接收網(wǎng)絡(luò)命令、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及內(nèi)部總線數(shù)據(jù)，通過高速串行總線（如SATA）將數(shù)據(jù)寫入到對應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲模塊。隨著固態(tài)存儲技術(shù)的發(fā)展，采用Flash作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，可以達(dá)到很高的速度，能夠滿足現(xiàn)場高速數(shù)據(jù)記錄的要求。

串行數(shù)據(jù)交換模塊作為新體系數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，為信號采集、信號處理及數(shù)據(jù)存儲提供高帶寬的交換框架支撐，可以擴展物理采集接口，提升信號并行處理能力，提高數(shù)據(jù)存儲帶寬，提升整個系統(tǒng)的靈活性及可拓展性。

下面對系統(tǒng)方案中的主要模塊進(jìn)行介紹。

2.1 信號處理模塊

信號處理模塊基于VITA46標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，采用DSP作為處理節(jié)點，以SRIO、PCIe和GbE作為數(shù)據(jù)和控制命令傳輸?shù)目偩€?；谇度胧较到y(tǒng)的VITA46標(biāo)準(zhǔn)，單對線的速率達(dá)到10Gbps，解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題。多核DSP處理器浮點處理能力強大，帶來數(shù)據(jù)處理能力的極大提升。信號處理模塊的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計為6U板卡，插入VPX背板的相應(yīng)插槽，通過數(shù)據(jù)交換板與其它板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，各板卡相互之間的數(shù)據(jù)傳輸通過高速串行總線實現(xiàn)。信號處理模塊的接口定義按VITA46標(biāo)準(zhǔn)確定。根據(jù)實際的處理能力需求，信號處理模塊的數(shù)量可擴展至多個。

2.2 信號采集模塊

由于信號類型是多種多樣的，而采集模塊的前端物理接口種類和數(shù)量都是有限的，因此可根據(jù)實際情況，設(shè)計不同物理接口類型的板卡，滿足各種個性化的需求。

下面以典型的載荷圖像數(shù)據(jù)（Camera-Link接口可見光攝像機）為例，給出采集模塊的設(shè)計方案。如圖2所示為Camera-Link圖像采集原理框圖。原始圖像數(shù)據(jù)通過Camera-Link接口進(jìn)入采集模塊，通過接口芯片的格式轉(zhuǎn)換后成為原始的RGB視頻圖像數(shù)據(jù)。RGB數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA的控制，逐幀送往DSP進(jìn)行視頻壓縮處理。經(jīng)過壓縮后的數(shù)據(jù)帶寬可以下降到原來的1/10至1/100之間，且圖像質(zhì)量無明顯改變。數(shù)據(jù)經(jīng)DSP壓縮后，又返回到FPGA中，并以高速串行接口的方式送往其他模塊，如信號處理模塊、主控模塊或數(shù)據(jù)存儲模塊。

圖2 Camera-Link圖像采集部分原理框圖

當(dāng)原始圖像數(shù)據(jù)的帶寬小于系統(tǒng)允許的傳輸帶寬，且圖像不允許被壓縮時，則圖2中DSP的圖像壓縮功能將被關(guān)閉。當(dāng)有多路數(shù)據(jù)同時進(jìn)入采集模塊時，通過FPGA的時序處理，可以使多路信號的同步性得到保證。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊中的FPGA芯片具備Flash控制器功能，在整個Flash控制技術(shù)中融入了糾錯技術(shù)、均衡管理技術(shù)、實時壞塊剔除技術(shù)等多項技術(shù)，保證存儲數(shù)據(jù)的正確性、安全性及穩(wěn)定性。這幾項關(guān)鍵技術(shù)已在多個數(shù)據(jù)記錄設(shè)備項目中成熟應(yīng)用。

其中，糾錯技術(shù)采用LDPC算法，用硬件高速電路并行工作，實現(xiàn)高性能的LDPC編碼、解碼算法，保證Flash數(shù)據(jù)的正確性。

均衡管理技術(shù)采用自主設(shè)計的算法，按照系統(tǒng)對數(shù)據(jù)讀寫訪問的特性，在整個存儲空間的BLOCK中均衡地進(jìn)行ERASE、PROGRAM操作，從而保證整體壽命。

實時壞塊剔除技術(shù)采用壞塊實時監(jiān)測電路，在讀寫過程對Flash的BLOCK狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，識別整個存儲空間的BAD BLOCK，并進(jìn)行標(biāo)識和替換，從而保證對BAD BLOCK的實時剔除。產(chǎn)品上電時，硬件故障自動檢測功能會對存儲板的所有NAND Flash進(jìn)行硬件狀態(tài)檢測，如果發(fā)現(xiàn)硬件故障，則向上層報告硬件故障的區(qū)域。

2.4 顯示單元

顯示單元是人機交互的接口，采用工業(yè)級液晶屏進(jìn)行加固，已在多個加固計算機產(chǎn)品上批量應(yīng)用，高低溫工作及振動、沖擊檢驗項目下均工作正常。顯示屏配合一體化的鍵盤鼠標(biāo)，可滿足各種人機交互的輸入輸出功能。

2.5 應(yīng)用軟件設(shè)計

軟件是一體化系統(tǒng)的核心，有合理的硬件平臺架構(gòu)作為基礎(chǔ)，系統(tǒng)的性能和通用性很大程度上取決于軟件設(shè)計和開發(fā)環(huán)境的選擇。應(yīng)用軟件包含的功能如圖3所示。

圖3 應(yīng)用軟件設(shè)計

（1）采集設(shè)置

硬件安裝完成后，通過軟件配置，可以選擇不同信號類型的采集，比如信號類型的選擇和配置、采集頻率的配置、通道的開關(guān)設(shè)置等。

（2）同步采集

對各個接口采集到的數(shù)字信號進(jìn)行持續(xù)同步采集存儲。由于載荷數(shù)據(jù)分析時對多個傳感器的同步性要求十分高，所以在傳感器數(shù)據(jù)采集的時候，就必須考慮同步性問題。本方案中，同步性指標(biāo)主要通過FPGA可編程電路對多路信號源的時序處理來實現(xiàn)，在各路數(shù)據(jù)流中添加時間屬性。

（3）數(shù)據(jù)打包

為了滿足數(shù)據(jù)管理的要求，可對原始的數(shù)據(jù)按照特定的格式進(jìn)行打包處理，添加各種數(shù)據(jù)屬性信息，比如采集時間、通道數(shù)、使用的板卡類型等。

（4）實時顯示

采集到的載荷數(shù)據(jù)，除了被送往存儲介質(zhì)進(jìn)行保存外，也可以實時顯示在液晶顯示屏上，便于分析查看信號的實時狀態(tài)。比如視頻圖像數(shù)據(jù)，一般在壓縮存儲的同時，需要將圖像數(shù)據(jù)送往顯示器顯示，便于操作人員實時掌握現(xiàn)場的實況。

（5）數(shù)據(jù)回放

根據(jù)需要，可以對存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，用于分析載荷數(shù)據(jù)。

（6）數(shù)據(jù)處理

信號處理模塊與完備的人機交互設(shè)備（鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等）相結(jié)合，并依靠相應(yīng)的計算機軟件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理任務(wù)。常用處理算法具有一定的通用性，如圖像數(shù)據(jù)壓縮處理、抽幀處理、分辨率變換等。常用處理算法外，本軟件系統(tǒng)也提供用戶算法接口，實現(xiàn)用戶特定的數(shù)據(jù)處理算法。數(shù)據(jù)處理分為實時數(shù)據(jù)處理（在線處理）與歷史數(shù)據(jù)處理（離線處理）。實時數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)源來自信號接口模塊，歷史數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)源來自數(shù)據(jù)存儲模塊。數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)可在顯示屏顯示或存入數(shù)據(jù)存儲模塊。

3 典型應(yīng)用

下面以某無人機的多源視頻圖像為例，說明高速數(shù)據(jù)記錄設(shè)備在載荷數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理、分析中的應(yīng)用。如圖4所示，該設(shè)備實現(xiàn)八路視頻圖像信號的接收、存儲、同步記錄、顯示與回放。

硬件配置上，一體機配置一塊視頻圖像采集模塊（具有4個Camera-Link接口、4個PAL接口）、一個信號處理模塊（加載視頻圖像分析軟件）、一個主控模塊及存儲部分的板卡。信號處理模塊完成視頻圖像實時分析（如目標(biāo)物體的偵測、識別與鎖定），并把分析結(jié)果送往存儲模塊和主控模塊。

應(yīng)用軟件上，包括平臺軟件和應(yīng)用軟件。平臺軟件包括主控模塊的Windows操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲和管理軟件、板卡配置和驅(qū)動軟件等。應(yīng)用軟件包括圖像實時顯示軟件。

圖4 兩路載荷數(shù)據(jù)同步記錄的實現(xiàn)框圖

最終，在存儲介質(zhì)中形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件（原始視頻數(shù)據(jù)文件、圖像特征量數(shù)據(jù)文件），在顯示畫面形成原始數(shù)據(jù)和特征量信息。

在實際的工程應(yīng)用中，會涉及更多及更復(fù)雜的處理算法，可以在計算機的Windows平臺上集成相應(yīng)的用戶算法。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種在無人機系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景的高速數(shù)據(jù)采集、存儲、分析一體化設(shè)計方案，其存儲性能高達(dá)5GB/s，可以滿足多種載荷數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、實時存儲、處理、分析的需求。本系統(tǒng)作為一種設(shè)計簡單而又實用的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用高性能的串行交換VITA46技術(shù)，解決了采集系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的存儲速率瓶頸的問題，可以與各種載荷設(shè)備配合使用，實現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)的高速采集、安全存儲、高效管理及有效使用。同時，該平臺同時具備計算機和高性能信號處理的功能，故在存儲功能的基礎(chǔ)上還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、現(xiàn)場回放、實時分析等功能，適用于農(nóng)業(yè)、電力、勘探和測繪等多領(lǐng)域應(yīng)用場景下的載荷數(shù)據(jù)采集、記錄與分析。