雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，隨著現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)任務(wù)對運(yùn)算處理速度、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、總線傳輸帶寬、數(shù)據(jù)處理能力等需求不斷提高，傳統(tǒng)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足技術(shù)發(fā)展的要求。提出了一種基于ＶＰＸ總線的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)處理平臺的組成和各功能模塊的設(shè)計(jì)原理。該數(shù)據(jù)處理平臺具有通用化、模塊化、易擴(kuò)充、可靠性高等特點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)際雷達(dá)的工程驗(yàn)證，性能優(yōu)越，穩(wěn)定可靠。
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是雷達(dá)整機(jī)的重要組成部分，其任務(wù)是完成雷達(dá)點(diǎn)跡和航跡跟蹤處理、雷達(dá)時(shí)間和能量資源的調(diào)度管理和目標(biāo)情報(bào)顯示，并將目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行通信上報(bào)。數(shù)據(jù)處理平臺是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件工作運(yùn)行的硬件載體，其設(shè)計(jì)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性和可靠性對雷達(dá)整體性能的提升具有至關(guān)重要的作用。
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隨著現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)任務(wù)對目標(biāo)運(yùn)算處理速度、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、總線傳輸帶寬、數(shù)據(jù)處理能力和高可靠性等需求不斷提高，傳統(tǒng)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足技術(shù)發(fā)展的要求。基于ＶＰＸ架構(gòu)的數(shù)據(jù)處理平臺具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、高性能網(wǎng)絡(luò)交換能力以及豐富的Ｉ／Ｏ 接口能力。因此，ＶＰＸ架構(gòu)代表了新一代雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和方向。鑒于此，本文結(jié)合某項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，主要介紹一種基于ＶＰＸ架構(gòu)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺的設(shè)計(jì)。
１ 數(shù)據(jù)處理平臺的設(shè)計(jì)
１。１ 系統(tǒng)功能需求和平臺設(shè)計(jì)思路
現(xiàn)代雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要功能是：完成雷達(dá)目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡的實(shí)時(shí)處理；完成雷達(dá)時(shí)間和能量資源的調(diào)度管理；完成雷達(dá)回波顯示和目標(biāo)點(diǎn)跡、航跡信息顯示；雷達(dá)目標(biāo)情報(bào)信息的通信上報(bào)。
為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性能，結(jié)合ＶＰＸ總線的特點(diǎn)，基于ＶＰＸ總線架構(gòu)的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺設(shè)計(jì)思路是：
１）運(yùn)用高性能ＶＰＸ計(jì)算刀片，利用其高速數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，實(shí)時(shí)完成雷達(dá)大容量目標(biāo)的點(diǎn)跡處理和航跡跟蹤等運(yùn)算處理和信息顯示；
２）充分運(yùn)用ＶＰＸ 總線的高速傳輸性能，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)內(nèi)外部數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)傳輸和交換；
３）利用ＶＰＸ總線的低時(shí)延特性，實(shí)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)波束實(shí)時(shí)編排和掃描；
４）利用ＶＰＸ 可帶電熱插拔、結(jié)構(gòu)緊湊抗震性好等優(yōu)點(diǎn)，可在復(fù)雜惡劣環(huán)境下可靠工作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高可靠性。
１。２ 平臺的總體設(shè)計(jì)
根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的功能需求和平臺的設(shè)計(jì)思路，基于ＶＰＸ總線架構(gòu)的高性能雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺的總體設(shè)計(jì)如圖１所示，由多塊ＶＰＸ功能板卡組成，主要包括ＶＰＸ計(jì)算刀片、ＶＰＸ架構(gòu)的時(shí)序接口板、ＶＰＸ通信處理計(jì)算機(jī)、ＶＰＸ顯示計(jì)算機(jī)、交換刀片以及平臺底板。該平臺設(shè)計(jì)按功能劃分為３個(gè)功能處理單元：
１）數(shù)據(jù)處理單元由兩塊高性能ＶＰＸ計(jì)算機(jī)板組成，完成雷達(dá)大容量目標(biāo)的點(diǎn)跡處理和航跡跟蹤等數(shù)據(jù)處理功能。
２）任務(wù)管理單元 主要由１塊ＶＰＸ計(jì)算機(jī)板、１塊ＶＰＸ架構(gòu)的時(shí)序接口板和１塊ＶＰＸ通信處理計(jì)算機(jī)，完成雷達(dá)回波信號的接收和轉(zhuǎn)發(fā)、雷達(dá)情報(bào)信息的通信上報(bào)。ＶＰＸ計(jì)算機(jī)板和時(shí)序接口板通過高速ＳＲＩＯ（Ｓｅｒｉａｌ ＲａｐｉｄＩＯ）總線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸和實(shí)時(shí)控制。
３）顯控處理單元 主要由３塊ＶＰＸ顯示計(jì)算機(jī)組成。顯示計(jì)算機(jī)通過ＳＲＩＯ總線和千兆網(wǎng)與航跡計(jì)算機(jī)和波束調(diào)度計(jì)算機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)和點(diǎn)跡、航跡數(shù)據(jù)的傳輸，完成雷達(dá)的回波顯示、點(diǎn)航跡顯示以及人機(jī)交互等功能。
上述３個(gè)功能處理單元通過交換刀片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，使ＶＰＸ?cái)?shù)據(jù)處理平臺具有易于擴(kuò)充、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
圖１ 數(shù)據(jù)處理平臺的總體設(shè)計(jì)
１。３ 平臺組成單元的詳細(xì)設(shè)計(jì)
１。３。１ 時(shí)序接口板
時(shí)序接口板為符合ＶＰＸ 總線標(biāo)準(zhǔn)的６Ｕ 插件，該板卡硬件原理框圖如圖２所示。ＦＰＧＡ芯片采用高性能ＦＰＧＡ，容量大，處理速度快，支持高速傳輸。本設(shè)計(jì)中選用的芯片型號為ＥＰ２ＳＧＸ９０ＦＦ１５０８，器件中等價(jià)邏輯單元（ＬＥ）高達(dá)９０ ９６０個(gè)，片內(nèi)存儲器達(dá)到４。３Ｍｂｉｔ，可滿足對存儲器要求較多的應(yīng)用。時(shí)序接口板主要功能電路模塊包括匹配驅(qū)動(dòng)電路、ＶＰＸ高速總線接口電路、系統(tǒng)對時(shí)、方位信息處理、光電轉(zhuǎn)換電路、ＦＰＧＡ外圍電路等。除匹配驅(qū)動(dòng)電路、光電轉(zhuǎn)換電路、ＦＰＧＡ外圍電路外，相關(guān)功能處理模塊均在ＦＰＧＡ內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。時(shí)序接口板主要完成以下功能：
圖２ 時(shí)序接口板設(shè)計(jì)原理
１）通過ＳＲＩＯ 總線，接收來自波束調(diào)度計(jì)算機(jī)的控制參數(shù)，產(chǎn)生雷達(dá)整機(jī)時(shí)序，并可通過ＴＴＬ或ＲＳ４２２電平送出，波束編排信息可通過光纖輸出至其他分系統(tǒng)。
２）接收來自時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的秒脈沖信號和時(shí)間信息，完成整機(jī)時(shí)統(tǒng)設(shè)計(jì)，為雷達(dá)各分系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。
３）根據(jù)雷達(dá)各種工作模式，完成雷達(dá)頻率源的變頻控制功能。
時(shí)序接口板對外信號接口如下：１路ＳＲＩＯ×４接口；１２路光纖入／出，每路光纖最高傳輸速率可達(dá)６。３７５Ｇｂｉｔ／ｓ；１２８ 路ＴＴＬ 電平接口；６４ 路ＲＳ４２２電平接口。
１。３。２ ＶＰＸ計(jì)算機(jī)板
計(jì)算機(jī)板在本數(shù)據(jù)處理平臺中擔(dān)任兩個(gè)角色：
１）作為數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)，完成雷達(dá)點(diǎn)跡處理和航跡跟蹤任務(wù)；
２）作為波束調(diào)度計(jì)算機(jī)和通信處理計(jì)算機(jī)，完成雷達(dá)資源管理、波束調(diào)度處理和通信控制功能。
ＶＰＸ計(jì)算機(jī)板主要性能指標(biāo)如下：
１）處理器性能：Ｉｎｔｅｌ Ｘｅｏｎ Ｅ５處理器或以上，單個(gè)ＣＰＵ為１２核或以上，單精度浮點(diǎn)理論峰值計(jì)算能力≥４９０ＧＦＬＯＰＳ；
２）內(nèi)存：容量≥３２ＧＢ；
３）ＳＲＩＯ傳輸接口：２路ＳＲＩＯ ５Ｇ×４接口；
４）網(wǎng)絡(luò)接口：不少于３路千兆以太網(wǎng)；
５）４０Ｇ以太網(wǎng)接口：２路４０Ｇ以太網(wǎng)接口；
６） 管理與監(jiān)控：２路ＩＰＭＢ（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｌａｔｆｏｒｍ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｓ）接口。
１。３。３ ＶＰＸ顯示計(jì)算機(jī)
顯示計(jì)算機(jī)是一款基于通用處理器和高性能ＧＰＵ的ＶＰＸ計(jì)算機(jī)，通用處理器負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的管控和調(diào)度，ＧＰＵ負(fù)責(zé)２Ｄ／３Ｄ圖形計(jì)算。顯示計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)如下：
１）處理器 性能優(yōu)于Ｉｎｔｅｌ ＣｏｒｅＴＭ Ｉ７處理器及以上，主頻２。２ＧＨｚ及以上；
２）內(nèi)存 板載３２ＧＢ ＤＤＲ３雙通道內(nèi)存，數(shù)據(jù)速率１３３３ＭＨｚ以上；
３）ＧＰＵ 控制器 ＡＭＤＲａｄｅｏｎ Ｅ６７６０嵌入式顯示控制器，４ＧＢ獨(dú)立顯存，驅(qū)動(dòng)接口符合ＯｐｅｎＧＬ２。２ 及以上和ＯｐｅｎＧＬ４。２標(biāo)準(zhǔn)，支持２Ｄ／３Ｄ硬件加速；
４）顯示分辨率 最高分辨率１ ９２０×１ ２００＠６０Ｈｚ，支持１９２０×１ ０８０，１ ６００×１ ２００等常用分辨率。
顯示計(jì)算機(jī)通過４０Ｇ以太網(wǎng)與航跡計(jì)算機(jī)、波束調(diào)度計(jì)算機(jī)和通信處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行雷達(dá)點(diǎn)／航跡信息、波束調(diào)度指令和雷達(dá)通信控制信息的交換；完成雷達(dá)參數(shù)顯示、二維顯示、三維顯示和監(jiān)控信息顯示，接收顯控臺輸入指令，完成人機(jī)交互功能。顯示計(jì)算機(jī)通過ＳＲＩＯ 總線接收來自信號處理送來的回波數(shù)據(jù)，通過回波顯示軟件模塊實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的原始回波的顯示。顯示計(jì)算機(jī)的功能框圖如圖３所示。
圖３ 顯示計(jì)算機(jī)功能框圖
１。３。４ 交換刀片
本數(shù)據(jù)處理平臺交換刀片的主要功能包括兩個(gè)部分：數(shù)據(jù)分發(fā)和機(jī)箱管理。
１）數(shù)據(jù)分發(fā)：交換刀片支持ＳＲＩＯ 和以太網(wǎng)雙交換，負(fù)責(zé)建立平臺內(nèi)各計(jì)算機(jī)之間以及各計(jì)算機(jī)與外部其他設(shè)備之間的通信鏈路。以太網(wǎng)交換支持千兆以太網(wǎng)和４０Ｇ以太網(wǎng)交換。
２）機(jī)箱管理：交換刀片負(fù)責(zé)整個(gè)數(shù)據(jù)處理平臺的監(jiān)控和管理，收集各功能模塊的電壓、溫度和工作狀態(tài)等參數(shù)信息，據(jù)此進(jìn)行風(fēng)扇調(diào)速和設(shè)備切換等管理。交換刀片的原理框圖如圖４所示。
圖４ 交換刀片原理框圖
１。３。５ 平臺背板設(shè)計(jì)
根據(jù)數(shù)據(jù)處理平臺各處理單元的任務(wù)劃分和各處理板卡的性能特點(diǎn)，進(jìn)行平臺印制背板的設(shè)計(jì)。分機(jī)高度為６Ｕ，１９英寸寬度，共有１６個(gè)槽位。槽位布局如圖５所示，具體分布如下：最左側(cè)４個(gè)槽位為兩個(gè)電源模塊；背板中間為兩個(gè)交換模塊，同時(shí)工作，互為備份；交換模塊左側(cè)為航跡處理計(jì)算機(jī)、波束調(diào)度計(jì)算機(jī)和時(shí)序接口槽位；交換模塊右側(cè)為３個(gè)顯示計(jì)算機(jī)槽位和通信處理計(jì)算機(jī)槽位。這種采用將交換板放置在中間的布局設(shè)計(jì)，可方便背板信號的互連互通。
圖５ 數(shù)據(jù)處理平臺底板板卡的槽位布局
背板信號互聯(lián)示意圖如圖６所示，主要信號連接關(guān)系如下：
圖６ 數(shù)據(jù)處理平臺背板信號互聯(lián)示意圖
１）平臺供電設(shè)計(jì) 電源槽位為各功能板卡提供＋１２Ｖ 的電源；
２）高速信號互聯(lián)各功能模塊通過交換模塊實(shí)現(xiàn)１路ＳＲＩＯ×４交換；
數(shù)據(jù)處理平臺的內(nèi)外接口設(shè)計(jì)示意圖如圖７所示。
圖７ 數(shù)據(jù)處理平臺內(nèi)外接口示意圖
各功能模塊除時(shí)序接口模塊外，通過交換模塊實(shí)現(xiàn)１路４０Ｇ以太網(wǎng)和１路千兆以太網(wǎng)交換。
１。４ 平臺內(nèi)外接口設(shè)計(jì)
１）內(nèi)部接口設(shè)計(jì)：平臺內(nèi)部各功能板卡通過交換模塊實(shí)現(xiàn)ＳＲＩＯ、４０Ｇ以太網(wǎng)和千兆網(wǎng)接口互連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和傳輸。
２）對外接口設(shè)計(jì)：光纖接口主要用于接收雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，發(fā)送波束調(diào)度參數(shù)等；網(wǎng)絡(luò)接口主要用于接收信號處理送來的雷達(dá)點(diǎn)跡參數(shù)等信號，發(fā)送控制指令至其他雷達(dá)分系統(tǒng)；時(shí)統(tǒng)接口接收來自北斗／ＧＰＳ等時(shí)統(tǒng)設(shè)備送來的時(shí)統(tǒng)信號；時(shí)序輸出接口輸出ＴＴＬ電平或ＲＳ４２２電平的時(shí)序信號至其他分系統(tǒng)。
２ 平臺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)
２。１ ＶＰＸ總線技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用
在雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺的工程設(shè)計(jì)中，時(shí)序接口板、航跡計(jì)算機(jī)板、通信處理計(jì)算機(jī)板、顯示計(jì)算機(jī)板和平臺印制背板全部基于標(biāo)準(zhǔn)ＶＰＸ總線架構(gòu)和協(xié)議設(shè)計(jì)。各功能板卡通過高速串行ＳＲＩＯ總線或者４０Ｇ以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的高速交換，突破了傳統(tǒng)地面雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理平臺并行低速總線為主的技術(shù)路線。ＶＰＸ 總線是基于ＶＩＴＡ４６協(xié)議的新一代工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，采用了最新的接插件技術(shù)和高速串行技術(shù)，其傳輸速度快，理論傳輸速率可達(dá)１０Ｇｂｉｔ／ｓ，實(shí)時(shí)響應(yīng)好，可顯著提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理和控制性能；ＶＰＸ采用專用的ＲＴ２高速高密度接插件，可提供更多的自定義信號，擴(kuò)展性強(qiáng)；同時(shí)ＶＰＸ總線支持熱插拔，也便于系統(tǒng)維護(hù)，全面提升平臺性能。
２。２ 基于物理位置的板卡槽位自動(dòng)識別技術(shù)
在數(shù)據(jù)處理平臺的總體設(shè)計(jì)中，航跡處理計(jì)算機(jī)和通信處理計(jì)算機(jī)的硬件板卡是相同的，３塊顯示計(jì)算機(jī)對應(yīng)不同的任務(wù)席位，但其硬件板卡也是相同的。以上各功能計(jì)算機(jī)板卡通過運(yùn)行各自的應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)航跡處理、通信處理、顯示處理等不同的任務(wù)。各計(jì)算機(jī)板卡運(yùn)行的操作系統(tǒng)也是不同的。例如，波束調(diào)度計(jì)算機(jī)和通信處理計(jì)算機(jī)因?qū)崟r(shí)性要求采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；顯示計(jì)算機(jī)因便于雷達(dá)界面顯示和人機(jī)交互采用Ｗｉｎｄｏｗｓ桌面操作系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)各種不同功能的計(jì)算機(jī)板卡在同一數(shù)據(jù)處理平臺中混合使用，需要采用板卡槽位自動(dòng)識別技術(shù)來解決以上問題。具體實(shí)現(xiàn)如下：
１）在平臺背板上的各個(gè)計(jì)算機(jī)板卡槽位設(shè)計(jì)硬件撥碼開關(guān)，本平臺共有７塊計(jì)算機(jī)板卡，需要采用三位二進(jìn)制撥碼開關(guān)。
２）依序?qū)Ω饔?jì)算機(jī)槽位的撥碼開關(guān)進(jìn)行編碼設(shè)置，如圖５所示，２塊航跡計(jì)算機(jī)、１塊波束調(diào)度計(jì)算機(jī)、３塊顯示計(jì)算機(jī)和１塊通信處理計(jì)算機(jī)依次編碼為０００，００１，０１０，０１１，１００，１０１和１１０。
３）計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)后，首先識別該槽位已分配的硬件編碼值，根據(jù)編碼值在引導(dǎo)區(qū)自動(dòng)選擇運(yùn)行對應(yīng)的操作系統(tǒng)和工作軟件，同時(shí)根據(jù)已分配的槽位編碼，各應(yīng)用軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)本計(jì)算機(jī)板卡ＩＰ地址的分配，可避免ＩＰ地址沖突等問題。
３ 結(jié)束語
本雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺在設(shè)計(jì)中采用了先進(jìn)的ＶＰＸ總線技術(shù)，合理劃分并設(shè)計(jì)了各功能模塊，具有高性能、模塊化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸速率高、設(shè)備易于擴(kuò)充等技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)具有較高的可靠性。能適應(yīng)現(xiàn)代大規(guī)模相控陣?yán)走_(dá)對數(shù)據(jù)處理的計(jì)算能力和外部接口的需求。本數(shù)據(jù)處理平臺主要性能指標(biāo)為：
１）數(shù)據(jù)處理能力 點(diǎn)跡處理能力１００００點(diǎn)／１０秒，航跡處理能力１０００批／１０秒；
２）顯示能力能對雷達(dá)目標(biāo)進(jìn)行Ｐ顯、Ａ顯、Ｂ顯和三維顯示；
３）對外接口能力具備網(wǎng)絡(luò)和光纖等數(shù)據(jù)接口，支持ＴＴＬ，ＲＳ４２２等硬件接口。該雷達(dá)數(shù)據(jù)處理平臺已成功應(yīng)用于工程項(xiàng)目中，通過各種環(huán)境試驗(yàn)和測試驗(yàn)證，性能優(yōu)越，穩(wěn)定可靠。
ＶＰＸ總線以其超大帶寬、高速傳輸能力和高可靠性成為了軍用新一代總線的較佳選擇，將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。（參考文獻(xiàn)略）