CN106502957A - 一种基于vpx总线的星载雷达数据处理及管控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其数据处理系统和管控系统采用两块完全一样的处理计算机，每块处理计算机包括两片同构的PowerPC 440芯核。两个系统通过四片同构的PowerPC 440芯核形成两种工作模式。并行模式：4个同构的PowerPC 440芯核彼此独立工作，但是通过互联通信总线彼此之间都有互联通道。容错模式：4个同构的PowerPC 440芯核采用四模冗余的形式进行容错。本发明以解决星载雷达数据处理点航迹处理能力高，雷达情报数据的坐标转化、点迹与航迹粗相关、点迹与暂时航迹相关、航迹相关、点迹融合和航迹滤波与预测处理时间短，航天使用环境恶劣的要求。

Description

一种基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置
技术领域
本发明涉及星载雷达领域的一种数据处理及管控装置，特别是涉及一种基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置。
背景技术
雷达数据处理与管控系统的功能主要包括：(1)数据处理，包括目标点迹预处理、目标全自动起始、航迹相关和跟踪处理，航迹状态维持等；(2)系统管控，包括雷达波束资源编排和调度控制、雷达工作模式管理、雷达与卫星数管计算机或地面系统之间的通信、全机BIT等任务。
根据数据处理性能分析的要求和雷达管控的需求，目前国产最高性能具有航天经历的BM3803FMGRH指标不满足本单机需求，而国外具有抗辐照指标的高性能CPU可获得性极差，故本单机的硬件平台选择抗辐照筛选后的军品级Xilinx Virtex-5Q FXT系列芯片，该芯片内置2个PowerPC440处理器核，同时使用2片共4个核能够满足数据处理及管控单机的性能和任务要求。
发明内容
针对目前星载雷达数据处理要求，本发明提出一种基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，以解决星载雷达数据处理点航迹处理能力高，雷达情报数据的坐标转化、点迹与航迹粗相关、点迹与暂时航迹相关、航迹相关、点迹融合和航迹滤波与预测处理时间短，航天使用环境恶劣的要求。
本发明具体技术方案如下：一种基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其包括数据处理系统和管控系统；该数据处理系统和该管控系统采用两块完全一样的处理计算机，每块处理计算机包括两片同构的PowerPC 440芯核；两个系统通过四片同构的PowerPC 440芯核形成两种工作模式；
并行模式：4个同构的PowerPC 440芯核彼此独立工作，但是通过互联通信总线彼此之间都有互联通道；作为通信管理模块的PowerPC 440芯核接收地面上注软件，作为任务管理模块的PowerPC 440芯核实现对所有PowerPC 440芯核内软件的在线升级，作为点迹处理模块的PowerPC 440芯核实现目标点迹预处理，作为航迹跟踪模块的PowerPC 440芯核实现目标全自动起始、航迹相关和跟踪处理；
容错模式：4个同构的PowerPC 440芯核采用四模冗余的形式进行容错。
作为上述方案的进一步改进，通信管理模块的处理后信息码速率小于2Mbps。
作为上述方案的进一步改进，在容错模式时，每个PowerPC 440芯核的运算结果要进行表决。
进一步地，每个PowerPC 440芯核的运算结果通过表决器进行表决。
再进一步地，表决方式为：基于数据包的表决，对于PowerPC 440芯核产生的数据，通过串口送到软件实现的表决器中，逐个字节进行表决。
再进一步地，表决方式为：基于流的表决，对于大容量数据，数据流送利用硬件实现的表决器电路，逐个数据位进行表决。
作为上述方案的进一步改进，每块处理计算机还包括两片Virtex-5Q FXT、两片扩展DDR2存储器，两片扩展存储器DDR2分别连接到两片Virtex-5Q FXT的FPGA上，作为相应处理计算机内部负责显示处理PowerPC 440芯核的内存和共享显存。
进一步地，两片扩展存储器DDR2均采用数据宽度为16位的DDR2存储器，一片作为数据总线的低16位，一片作为数据总线的高16位，组成数据总线字长为32位、大小为256MByte的内存系统。
作为上述方案的进一步改进，该通信管理模块通过1553B总线与卫星平台的星务管理计算机连接，完成与地面指挥系统的遥控遥测信息交互；该点迹处理模块通过光纤和LVDS接口与地面指挥系统的信号处理单元完成点迹数据的传递，完成天线单元BIT信息传输，通过标准RS422通信接口完成遥控遥测信息交互。
进一步地，1553B总线通讯系统中，通讯节点分为：总线控制器、总线监控器和远程终端；该总线控制器是总线系统组织信息传输的终端，该总线监控器是总线系统中指定作为接收且记录总线上传输的信息并有选择地提取信息以备后用的终端，该远程终端是总线系统中不作为总线控制器或总线监控器的所有终端。
本发明提供的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，采用两块完全一样得处理计算机，内嵌4个PowerPC440处理器互联通信的方式，以解决星载雷达数据处理点航迹处理能力高，雷达情报数据的坐标转化、点迹与航迹粗相关、点迹与暂时航迹相关、航迹相关、点迹融合和航迹滤波与预测处理时间短，航天使用环境恶劣的要求，数据处理系统和管控系统实现可重构的多核嵌入式系统设计。
附图说明
图1是本发明的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置的硬件框图。
图2是外接外部存储器电路框图。
图3是高速串行电路框图。
图4是高速网络接口电路框图。
图5是1553B总线电路框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置属于一种可配置的星载雷达数据处理及管控系统装置，可以解决解决星载雷达数据处理点航迹处理能力高，航天使用环境恶劣的要求。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，星载雷达数据处理及管控装置采用标准VPX机箱架构形式，包括数据处理系统和管控系统。该数据处理系统和该管控系统采用两块完全一样的处理计算机，每块处理计算机包括两片同构的PowerPC 440芯核。在本实施例中，处理计算机主要有两片Virtex-5Q FXT及各自独立的PowerPC 440处理器扩展DDR2、FLASH、LAN和其他接口电路组成，FPGA加载、刷新、数据比较控制电路，接口驱动、4核互联通信及总线电路，板载电源电路。两个系统通过四片同构的PowerPC 440芯核PPC1～PPC4形成两种工作模式。
一、并行模式
4个同构的PowerPC 440芯核彼此独立工作，但是通过互联通信总线彼此之间都有互联通道。作为通信管理模块的PowerPC 440芯核PPC4接收地面上注软件，作为任务管理模块PPC3的PowerPC 440芯核实现对所有PowerPC 440芯核内软件的在线升级，作为点迹处理模块的PowerPC 440芯核PPC1实现目标点迹预处理，作为航迹跟踪模块的PowerPC 440芯核PPC2实现目标全自动起始、航迹相关和跟踪处理。
因此，4个同构的PowerPC 440芯核彼此独立的工作。通信管理模块接收地面上注软件，任务管理模块可以实现对其他几个模块软件的在线升级，通信管理模块的处理后信息码速率小于2Mbps。
二、容错模式
4个同构的PowerPC 440芯核采用四模冗余的形式进行容错。四模冗余(QMR)：由于Virtex-5Q FXT具有很好的TID指标，对于SEU很敏感。因此对于4个同构的PowerPC 440芯核进行四模冗余，PowerPC 440的运算结果在加载刷新控制电路中的表决器进行表决。如下有两种表决方式。
(1)基于数据包的表决。对于PowerPC产生的数据，通过串口送到表决器中，逐个字节进行表决。数据可靠性要求高、数据量低。
(2)基于流的表决。对于大容量数据，诸如Ethernet或者高速串口。数据流送到Virtex-5Q FXT中的FIFO中，利用硬件实现的表决器电路，逐个数据位进行表决。
在基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置的外部扩展存储器电路设计上，如图2所示，采用两片数据宽度为16位的DDR2存储器连接到Virtex-5Q FXT的FPGA上，作为其内部负责显示处理PowerPC440处理器核的内存和共享显存。一片作为数据总线的低16位，一片作为数据总线的高16位，组成数据总线字长为32位、大小为256MByte的内存系统。将Virtex-5Q FXT产生的DDR2控制器的时钟信号及控制信号与两片DDR2内存相连。采用1片数据宽度为16位的FLASH存储器连接到Virtex-5Q FXT的FPGA上。
在基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置的高速RocketIO电路设计上，如图3所示，采用Virtex-5Q FXT的FPGA芯片内部集成的可编程高速串行收发器RocketIO来负责数据的发送和接收。在数据发送端，硬件通过DMA方式读取与序列和交换管理有关的队列，然后根据队列中的信息，确定每个帧头的内容，再通过DMA方式读取管理内存中的数据并组装成帧发送出去；在数据接收端，硬件接收到帧后，通过DMA方式写到内存中，软件负责将帧重组为序列，再将序列重组成交换。
总线控制单元可授权主设备对PLB的访问并允许通过竞争获得总线的控制权。BRAM是FPGA芯片内的Black RAM，可作为系统的程序存储器和数据存储器。
在基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置的高速网络接口电路设计上，如图4所示，以PPC440嵌入式CPU为核心，通过PLB总线可实现与程序存储器、数据存储器的高速通信。PLB是128位处理器本地总线，可支持多主从设备。总线控制单元可授权主设备对PLB的访问并允许通过竞争获得总线的控制权。BRAM是FPGA芯片内的Black RAM，可作为系统的程序存储器和数据存储器。
TEMAC为以太网控制器，用于完成处理器与以太网之间的正确配置，以实现数据信息的高速传输。
基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置的通信管理模块通过1553B总线与卫星平台的星务管理计算机连接，完成与地面指挥系统的遥控遥测信息交互；通过光纤和LVDS接口与信号处理单元完成点迹数据的传递，完成天线单元BIT信息传输，通过标准RS422通信接口完成遥控遥测信息交互；单机提供OC遥控指令控制配电器天线单元二次电源的遥控开关机，同时采集配电器回传的OC遥测信息。
如图5所示，1553B总线通讯系统中，通讯节点分为：总线控制器(BC)、总线监控器(BM)和远程终端(RT)。BC是总线系统组织信息传输的终端，BM是总线系统中指定作为接收且记录总线上传输的信息并有选择地提取信息以备后用的终端，RT是总线系统中不作为总线控制器或总线监控器的所有终端。标准1553B总线的传输速度是1Mbit/s，采曼切斯特II型编码，半双工工作方式。传输字的长度为20个比特，数据有效长度为16个比特，每个字包含有16个信息位、一个奇偶校验位和3个位长的同步头，信息量最大长度为32个字，传输方式为半双工方式，传输协议为命令/响应方式；故障容错有典型的双冗余方式，第二条总线处于热备份状态；总线系统能挂31个终端，传输媒介为屏蔽双绞线。适用于变压器耦合方式，通过电缆可靠传输的长度可以超过30米。
选用1553B协议芯片的BU-61580来实现1553B总线功能，BU-61580包含微处理器和1553B总线之间完备的接口，可以实现BC、RT、BM三种工作模式，封装为70引脚的DIP，传输时使用1.41:1的变压器。集成一个半双工编码/解码器，完整的总线控制协议，存储器管理电路和中断逻辑电路，处理器接口逻辑，提供4K×16的片内静态共享RAM与处理器总线之间的缓冲接口，为微处理器和1553B总线之间提供了完整、灵活的接口电路。
基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置的接口电路的设计上，由于数据处理和管控单机采用主备冷备份设计，光纤接口主备4+4路至DBF分机，实现DBF分机的遥控遥测及点迹数据的传输；二次电源的遥控在单机内部完成主备冷备份交换设计，OC指令输出。本系统装置外部接口可采用RS422接口和LVDS电平接口。
基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置的电源电路设计上，本装置采用的核电压为1.0V，IO电压为3.3V，辅助电压为2.5V，高速串行模块收发电压为1.2V，DDR2参考电压为0.9V。本系统装置可采用LTM系列电源模块和LDO电源模块进行电路设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其包括数据处理系统和管控系统；其特征在于：该数据处理系统和该管控系统采用两块完全一样的处理计算机，每块处理计算机包括两片同构的PowerPC 440芯核；两个系统通过四片同构的PowerPC 440芯核形成两种工作模式；
并行模式：4个同构的PowerPC 440芯核彼此独立工作，但是通过互联通信总线彼此之间都有互联通道；作为通信管理模块的PowerPC 440芯核接收地面上注软件，作为任务管理模块的PowerPC 440芯核实现对所有PowerPC 440芯核内软件的在线升级，作为点迹处理模块的PowerPC 440芯核实现目标点迹预处理，作为航迹跟踪模块的PowerPC 440芯核实现目标全自动起始、航迹相关和跟踪处理；
容错模式：4个同构的PowerPC 440芯核采用四模冗余的形式进行容错。
2.如权利要求1所述的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其特征在于：通信管理模块的处理后信息码速率小于2Mbps。
3.如权利要求1所述的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其特征在于：在容错模式时，每个PowerPC 440芯核的运算结果要进行表决。
4.如权利要求3所述的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其特征在于：每个PowerPC 440芯核的运算结果通过表决器进行表决。
5.如权利要求4所述的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其特征在于：表决方式为：基于数据包的表决，对于PowerPC 440芯核产生的数据，通过串口送到软件实现的表决器中，逐个字节进行表决。
6.如权利要求5所述的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其特征在于：表决方式为：基于流的表决，对于大容量数据，数据流送利用硬件实现的表决器电路，逐个数据位进行表决。
7.如权利要求1所述的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其特征在于：每块处理计算机还包括两片Virtex-5Q FXT、两片扩展DDR2存储器，两片扩展存储器DDR2分别连接到两片Virtex-5Q FXT的FPGA上，作为相应处理计算机内部负责显示处理PowerPC 440芯核的内存和共享显存。
8.如权利要求7所述的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其特征在于：两片扩展存储器DDR2均采用数据宽度为16位的DDR2存储器，一片作为数据总线的低16位，一片作为数据总线的高16位，组成数据总线字长为32位、大小为256MByte的内存系统。
9.如权利要求1所述的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其特征在于：该通信管理模块通过1553B总线与卫星平台的星务管理计算机连接，完成与地面指挥系统的遥控遥测信息交互；该点迹处理模块通过光纤和LVDS接口与地面指挥系统的信号处理单元完成点迹数据的传递，完成天线单元BIT信息传输，通过标准RS422通信接口完成遥控遥测信息交互。
10.如权利要求9所述的基于VPX总线的星载雷达数据处理及管控装置，其特征在于：1553B总线通讯系统中，通讯节点分为：总线控制器、总线监控器和远程终端；该总线控制器是总线系统组织信息传输的终端，该总线监控器是总线系统中指定作为接收且记录总线上传输的信息并有选择地提取信息以备后用的终端，该远程终端是总线系统中不作为总线控制器或总线监控器的所有终端。
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