基于VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端設計

何源潔 田雨

摘要：數(shù)據(jù)鏈終端是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的重要組成部分。VPX總線是一種能夠適應惡劣環(huán)境的全新的總線標準。在分析了數(shù)據(jù)鏈綜合發(fā)展需求的基礎上，提出了一種基于VPX標準的多模數(shù)據(jù)鏈終端架構，并開展了總線架構、硬件架構、軟件架構、通用功能模塊架構的詳細設計和分析，為多模式數(shù)據(jù)鏈終端的集成化、通用化、模塊化、低功耗提供了一種全新的解決思路。

關鍵詞：VPX；多模數(shù)據(jù)鏈終端；星形交換

中圖分類號：TN919文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）16-56-4

0引言

數(shù)據(jù)鏈終端是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通信介質(zhì)的物理形態(tài)[1]。由于數(shù)據(jù)鏈種類繁多、通信體制各式各樣，單一體制的數(shù)據(jù)鏈終端已經(jīng)無法滿足數(shù)據(jù)鏈綜合發(fā)展的需求。本文提出了一種基于VPX架構的多模數(shù)據(jù)鏈終端，將VPX總線標準架構引入數(shù)據(jù)鏈終端設計中，實現(xiàn)了多種通信體制、多種通信協(xié)議，以及多個通信頻段的一體化、通用化設計。從分析VPX標準入手，提出了多模數(shù)據(jù)鏈終端的VPX總線架構，開展了硬件及軟件架構設計，并詳細設計了機箱背板和通用功能模塊。

1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

由于涉及保密因素，在國內(nèi)外文獻中很難查到采用VPX架構的數(shù)據(jù)鏈終端的相關報道和具體技術指標。為了解決國際貿(mào)易協(xié)會（VME）總線帶寬和功耗受限的問題，美國VITA組織在2004年對VME總線進行了修訂，并在2007年發(fā)布了全新的VPX標準。此后又在該標準化結構基礎上發(fā)布了機械加固型的VPX標準，即VITA48標準。該標準很好地解決了結構散熱問題，能夠滿足惡劣環(huán)境下超帶寬信號處理的需求，也能滿足軍工系統(tǒng)的嚴酷需求。目前，美軍已經(jīng)在F-16戰(zhàn)機、預警機的雷達系統(tǒng)上采用了VPX標準。由此可見，VPX標準具有很強的環(huán)境適應性，對產(chǎn)品的通用化設計表現(xiàn)出了優(yōu)越性。

國內(nèi)基于VPX總線架構的雷達系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等領域在近幾年有一些發(fā)展[2]，但在數(shù)據(jù)鏈領域的應用極為少見，尤其是在數(shù)據(jù)鏈終端方面才剛剛起步，且大部分還處于測試和試驗階段，還未形成成熟的產(chǎn)品。目前，國內(nèi)很多數(shù)據(jù)鏈終端都還是基于分體式獨立功能模塊方式在發(fā)展[3]，采用標準VPX總線技術的多模數(shù)據(jù)鏈終端產(chǎn)品還未見有報道，嚴重制約了我國數(shù)據(jù)鏈技術的應用和發(fā)展。

2 VPX標準

VPX標準是VITA組織于2007年公開發(fā)布的新一代高速串行總線標準[4]，即ANSI/VITA46標準。2010年VITA組織發(fā)布了Open VPX標準，隨后又發(fā)布了模塊機械加固型的VPX標準，即VITA48標準。

ANSI/VITA46標準規(guī)范繼承和延續(xù)VME總線的諸多優(yōu)點，對VPX總線的基本規(guī)范、總線信號、機械結構等方面做出了全面的定義。VITA46標準規(guī)定了模塊結構尺寸采用3U和6U兩種；連接器采用了Multigig RT連接器，并明確了連接器定位螺栓的位置、角度等；總線采用Serial RapidIO，PCI Express，10 Gbp/s以太網(wǎng)等高速串行總線，對系統(tǒng)的電源供電能力進行了提升，能夠提供近千瓦的供電能力；規(guī)范了空氣散熱、金屬傳導散熱和液體散熱3種散熱方式[5]。

VITA48標準是一種VPX模塊機械加固型的協(xié)議族規(guī)范[6]，對模塊的散熱和結構加固等方面進行了重新定義，以滿足航空、航天、軍事等領域惡劣嚴酷的使用環(huán)境[7]，該標準也被稱為VPX REDI規(guī)范。

VPX總線標準擁有如下突出特點：①具有超強的輸入輸出能力、強大的交換能力，同時其背板帶寬非常寬，能很好地滿足多種通信信號處理對帶寬和處理能力的需求。②VPX板卡（模塊）的尺寸以及背板的拓撲結構等均采用統(tǒng)一標準，利于數(shù)據(jù)鏈終端的通用化、模塊化[4]。③VPX架構的數(shù)據(jù)鏈終端采用加固結構規(guī)范，具有良好的散熱系統(tǒng)，同時能夠?qū)崿F(xiàn)超大的功率設計，具有非常好的穩(wěn)定性和可靠性。這些突出的優(yōu)點都能滿足多模數(shù)據(jù)鏈終端的高可靠使用要求。

3多模數(shù)據(jù)鏈終端架構設計

多模數(shù)據(jù)鏈終端不但要求能進行視距通信，而且能實現(xiàn)組網(wǎng)通信，還能利用不同的中繼平臺實現(xiàn)多種手段的數(shù)據(jù)中繼通信。因此，要求多模數(shù)據(jù)鏈終端具有開放性、擴展性、高可靠的系統(tǒng)架構。下面分別描述基于VPX標準的多模數(shù)據(jù)鏈終端總線架構、硬件架構、軟件架構、背板設計、通用功能模塊設計。

3.1總線架構設計

為了滿足多模數(shù)據(jù)鏈終端多速率交換的需求，減少數(shù)據(jù)鏈終端的種類、體積、重量和功耗，提出采用一種基于OPEN VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端系統(tǒng)開放式總線架構。多模數(shù)據(jù)鏈終端總線采用星型互聯(lián)架構，分為高速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡、中速數(shù)據(jù)控制網(wǎng)絡和低速健康狀態(tài)管理網(wǎng)絡。多模數(shù)據(jù)鏈終端與外部設備互連的總線包括：1553B總線、LVDS及以太網(wǎng)等總線。

采用基于中心交換的高速總線結構，總線架構如圖1所示。多模數(shù)據(jù)鏈終端機箱內(nèi)部RapidIO高速總線以接口及交換模塊為中心，構成星型互聯(lián)網(wǎng)絡，RapidIO總線主要用于高速傳輸各種業(yè)務數(shù)據(jù)、采樣數(shù)據(jù)及軟件升級數(shù)據(jù)等，最高支持6.25 Gbps的數(shù)據(jù)交換。

控制管理總線采用CAN總線，用于傳輸機箱內(nèi)部的各種參數(shù)控制和功能模塊回報信息，CAN總線采用主從模式，主控節(jié)點工作在主模式，從節(jié)點工作在從模式，主控節(jié)點采用廣播和查詢方式與從節(jié)點進行通信，控制管理總線架構如圖2所示，內(nèi)部CAN總線不對外開放，保證總線的可靠性，最大通信速率為1 Mbps。

I2C總線是內(nèi)部健康狀態(tài)管理總線，可對處理機內(nèi)部的每個模塊進行各種工作狀態(tài)在線測試，I2C總線是獨立供電的總線，采用雙總線熱備份方式，保證狀態(tài)監(jiān)控和管理的可靠性，健康狀態(tài)管理總線架構如圖3所示。I2C總線傳輸速率設計為400 kbps，用于對多模數(shù)據(jù)鏈終端內(nèi)部各個模塊的工作電壓、溫度、軟件加載運行狀態(tài)及功能模塊運行狀態(tài)等全面檢測。其中接口及交換模塊作為I2C的主控設備，其他模塊作為I2C從控設備對I2C總線進行管理。

除上述主要總線外，為增強系統(tǒng)的可靠性和可擴展性，同時采用LVDS總線和千兆以太網(wǎng)作為高速交換的備份手段，用RS485作為控制和狀態(tài)管理總線的備份。

3.2硬件架構及背板設計

為了實現(xiàn)設備的小型化、輕量化，多模數(shù)據(jù)鏈終端的硬件架構采用VITA48.2標準，將接口、數(shù)據(jù)交換、管理功能集成在一個硬件板卡中，電源轉(zhuǎn)換為單獨板卡。多模數(shù)據(jù)鏈終端的硬件架構如圖4所示。硬件架構以接口及交換管理為數(shù)據(jù)交換中心，其他模塊單元均是通用模塊單元，通過內(nèi)部總線與接口及交換管理模塊單元進行連接，硬件接口上完全兼容，單獨的電源模塊為各個模塊提供電源。

多模數(shù)據(jù)鏈終端機箱背板架構根據(jù)系統(tǒng)的總線架構采用高速互聯(lián)背板，以接口及交換管理模塊作為中心，各個模塊插卡位置等同，可以進行互換。機箱背板架構如圖5所示，接口及交換管理模塊位置采用標準的VPX接插件，通用模塊板卡的硬件定義完全一致，采用數(shù)模混裝的VPX接插件。

3.3軟件架構

多模數(shù)據(jù)鏈終端軟件架構參考SCA的核心系統(tǒng)軟件架構對系統(tǒng)的軟件架構進行了設計，系統(tǒng)軟件架構分成硬件支撐層、操作系統(tǒng)層、應用層3層。將應用軟件與底層的物理硬件資源進行隔離，中間通過硬件驅(qū)動程序和應用接口管理軟件將應用軟件與硬件資源進行連接，多模數(shù)據(jù)鏈終端系統(tǒng)軟件架構如圖6所示。

嵌入式操作系統(tǒng)采用開源的Linux操作系統(tǒng)。在嵌入式操作系統(tǒng)上將底層硬件運算和接口資源（如FFT、異步串口、QSPI接口、SRIO等）封裝成應用函數(shù)，提供給上層的應用軟件進行調(diào)用。上層應用軟件通過基礎應用函數(shù)的組合實現(xiàn)不同模式的數(shù)據(jù)鏈通信鏈路功能。

3.4通用功能模塊架構

基于VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端包含數(shù)據(jù)處理模塊（DPM）、信號處理模塊（SPM）、射頻處理模塊（RFPM）3類3U尺寸的標準通用功能模塊。

DPM采用FPGA加ARM處理器的架構，內(nèi)部采用PCI-E總線將各種接口和存儲器連接，DPM架構如圖7所示。DPM主要用于完成數(shù)據(jù)處理、內(nèi)外部數(shù)據(jù)交換、內(nèi)部各個通用模塊的數(shù)據(jù)交換、通用模塊的狀態(tài)及資源管理等。

SPM支持多種數(shù)字調(diào)制解調(diào)體制，如BPSK，QPSK，MSK，2CPFSK，OFDM等，支持多種信息傳輸速率，能夠?qū)崿F(xiàn)同一硬件設備完成不同信號處理功能。SPM根據(jù)不同通信模式的傳輸信號特點和信號處理的要求，通過動態(tài)重載的方式使系統(tǒng)具備相應的通信協(xié)議和功能。SPM采用FPGA，ZYNQ（ARM），DAC，ADC組合的架構，ZYNQ處理器作為核心的處理和管理芯片，F(xiàn)PGA作為協(xié)處理芯片，為模塊提供強大的并行計算能力；監(jiān)測ARM處理器作為模塊系統(tǒng)的第三方監(jiān)測芯片單獨供電，對模塊其他芯片的運行狀態(tài)和整個模塊的功能狀態(tài)進行采集，SPM架構如圖8所示。

數(shù)據(jù)處理模塊均實現(xiàn)射頻和數(shù)字化集成，可在線配置參數(shù)的開放式接口，具有動態(tài)配置FPGA和DSP運行參數(shù)的功能。在有限的空間內(nèi)，依靠目前的FPGA和高速DSP器件，采用并行處理結構，實現(xiàn)所需的高運算能力。

RFPM具有通用可配置接口，具備寬帶變頻功能，采用DSP作為核心處理器。RFPM具有高速SRIO接口，既可完成中頻信號的采樣輸出，又可以實現(xiàn)模擬中頻信號的輸出，RFPM架構如圖9所示。

4結束語

OPEN VPX標準能夠工作在惡劣的環(huán)境條件下，給種類繁多的數(shù)據(jù)處理提供各種接口，具有開放式的架構，并提供可靠的操作，非常適合多模數(shù)據(jù)鏈終端的應用場景。通過對基于VPX的多模數(shù)據(jù)鏈終端架構的設計和分析可知，采用VPX架構能實現(xiàn)多模通信模式數(shù)據(jù)鏈終端的硬件通用化、功能軟件化。多模數(shù)據(jù)鏈終端采用VPX標準不僅提升了系統(tǒng)的性能和可靠性，具有很強的時效性，而且也易于擴展升級，具備了前瞻性，為數(shù)據(jù)鏈終端的綜合化、通用化、模塊化、低功耗提供了一種新的解決思路。

參考文獻

[1] ANSI，Inc.ANSI/VITA46.0-2007，American National Standard for VPX Baseline Standard[S].Fountain Hills：VMEbus International Trade Association，2007.

[2]胡倩，陳善志，劉建妥，等.基于VPX架構的遙測采集平臺設計[J].宇航計測技術，2017，37（4）：43-48.

[3]邱里鑫，孟芳.基于VPX的自主可控交換板設計[J].計算機與網(wǎng)絡，2016，42（15）：60-63.

[4]吳穎奇，李衛(wèi)星，張月，等.基于OpenVPX平臺的寬帶數(shù)字陣列雷達接收系統(tǒng)設計[J].信號處理，2015，31（11）：1484-1488.

[5]付雅芳，楊任農(nóng).現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈應用[J].科技資訊，2008（2）：243-244.

[6]焦廣倫，孫治水.一種數(shù)據(jù)鏈集成架構[J].電訊技術，2013，53（11）：1401-1405.

[7] ANSI，Inc.ANSI/VITA48.0-2010， Mechanical Specification for Microcomputers Using Ruggedized Enhanced Design Implementation （REDI）[S].Fountain Hills：VMEbus International Trade Association，2010.