基于PowerPC的高速處理系統設計

        摘要：本文針對結構健康監測系統對高速、復雜運算和快速數據傳輸能力的要求，設計并實現了基于PowerPC的高速處理系統。該系統以高性能Power架構處理器P1010為核心，配備高速DDR3內存，通過CPCI總線進行數據傳輸，可實現數據的高效處理并有效減少傳輸延時。測試結果表明，該系統在具有高速數據處理和傳輸能力的同時具有小體積、低功耗的特點，非常適合應用于結構健康監測系統中。

　　引言

　　隨著現代大型系統和設備復雜性、綜合化、智能化程度的不斷提高，PHM(Prognostic and Health Management，故障預測與健康管理)技術應運而生，并在提高系統可靠性、安全性以及降低設備的維護和保障費用等方面表現出了巨大的發展潛力和應用前景[1-2]。

　　結構健康監測系統是對各種大型系統和設備健康狀態進行監測、診斷、預測和管理的典型嵌入式應用系統。用于飛機等大型設備的結構健康監測系統是目前PHM技術的研究熱點[3-5]，該系統的應用可以有效改善飛機系統的維護方式，降低系統故障發生率和維護保障費用。

　　本項目研制的高速處理系統主要負責結構健康監測系統的整體控制、接收采集系統和傳感器接口系統采集到的大量監測數據以及運用復雜算法和智能模型對結構的健康狀況的進行整體監控、診斷、預測和管理。該系統在處理能力和數據傳輸速度方面相比于以前的系統都有了較大的提高，外形符合CPCI-3U規范。

　　1 硬件總體設計

　　高速處理系統主要由中央處理器、存儲模塊、配置模塊、接口模塊和時鐘、電源電路組成，整體結構圖如圖1所示。

　　本項目選用飛思卡爾公司具有高度整合性的PowerPC處理器P1010作為中央處理器。存儲模塊由內存芯片DDR3、系統和應用程序存儲器FLASH和配置信息存儲器EEPROM組成。配置模塊包括POR配置電路和CPLD，其中CPLD也是整個系統的輔助控制模塊，對于系統上電時序、POR引腳設置、復位、LED控制和IO擴展等都有重要作用。接口模塊包括串口、網口、SATA口和CPCI接口，用于實現本系統與外部的高速數據交互。

　　2 硬件功能模塊設計

　　2.1 中央處理器

　　飛思卡爾的QorIQ P1010是一款采用先進安全技術的高性能處理器，內部集成了高性能、Power架構的e500v2內核，有32KB的一級指令緩存和32KB的一級數據緩存，256KB的二級緩存，支持浮點運算和最高800MHz的內核時鐘頻率，最高數據處理速度可達1600DMIPS[6]，可滿足PHM技術對于數據處理能力的要求。同時P1010為用戶提供了GPIO、串口、網口、PCI-E、I2C、SATA等豐富的外設接口，具有強大的控制功能，1.1W的運行功耗和19mm×19mm的BGA封裝也符合嵌入式設備對于低功耗和小體積的要求。P1010正常工作需要為其配置外圍時鐘、電源、存儲模塊和配置模塊。

　　P1010有兩個時鐘信號，系統時鐘SYSCLK和實時時鐘RTC。本設計采用66.667MHz的有源晶振產生SYSCLK，經內部鎖相環電路倍頻后為P1010內核和所有與內核同步的設備和接口提供時鐘。RTC由實時時鐘模塊PT7C4338和32.768kHz的無源晶振實現，連接在P1010的I2C控制器上，為系統提供日期、時間信息，也可以用作內核和PIC(可編程中斷控制器)的計時器時鐘。

　　P1010的內核電壓為1V±50mV，工作電流較大，本設計選用Intersil的ZL6100芯片為P1010供電。ZL6100是一個集成了MOSFET驅動的數字電壓控制器，它的輸出電壓誤差在±1%以內，輸出電流最高為3A，可以滿足P1010內核對電壓精度和電流大小的要求。