基于cPCI總線的遙測前端處理器系統設計

遙測數據處理系統在航空、航天等軍工試驗領域有著廣泛的應用。在航空飛行試驗中.遙測數據處理系統為各類試飛測試數據的實時處理提供了手段和平臺，是試飛員、試飛指揮員及試飛工程師協同完成新機試飛必不可少的重要設施，是確保現代飛機試飛安全、提高試飛效率、縮短試飛周期、實現綜合試飛的重要手段。

遙測數據處理系統中的核心設備——遙測前端處理器，技術上經歷了從分立式、智能式到嵌入式的快速發展。我國遙測前端處理器的研發經歷了從引進、合作研制到完全自行研制的歷程。

遙測前端處理器是一套嵌入式實時計算機系統，承擔著遙測PCM數據的同步、分路、工程單位轉換、數據計算、數據分配等實時處理任務。它和遙測系統管理服務器、工作站等設備通過網絡聯接和系統集成，組成當前流行的基于C/S結構的遙測數據處理系統。可以說，遙測前端處理器的技術水平代表了遙測數據處理系統的技術水平。

1 系統功能和主要技術指標

遙測前端處理器的功能簡單地說，就是把來自遙測接收設備送來的多路串行PCM(Pulse Code Modulation)數據流進行同步、分路、合并、存儲，并對轉換后的并行數據進行工程單位轉換、導出參數計算等實時處理，通過網絡把數據傳送給顯示工作站。再通過遙測記錄數據重放，為用戶提供同實時方式一樣的處理功能和更為詳細的數據分析功能。

遙測前端處理器主要技術指標為：

(1)可同時完成2路PCM數據流的同步和分路，每路PCM速率不大于20Mbps。

(2)實時數據處理速率：20Mbps。

(3)數據傳輸：交換式以太網、網絡帶寬1000Mbps、廣播方式和“點對點”方式。

(4)數據存儲：滿足在最大速率下數據存儲不丟失，磁盤容量滿足不小于4小時的記錄時間。

(5)D/A輸出：12位、16路模擬信號輸出。

2 系統組成和體系結構設計

二十世紀90年代，因受當時的計算機技術限制，國內外大多數嵌入式遙測前端處理器都采用了基于VME總線的計算機平臺和雙總線、多CPU、百兆以太網接口的體系結構，其技術復雜、成本高、軟件開發難度大、系統研制周期長。

當前計算機技術的發展，使得CPU速度和總線速率已不再是新一代嵌入式遙測前端處理器的瓶頸，基于單CPU、單總線和千兆以太網接口的體系結構成為新一代嵌入式遙測前端處理器的主流設計。板卡化后的遙測前端設備，如碼同步器、分路器、時碼發生器等作為計算機的一個插件板，嵌人到工業計算機系統中，其組成已簡化為：19英寸計算機箱、CPU板、多功能PCM分路器板、時碼板、D/A板和存儲設備，其典型結構與組成見圖1所示。新一代嵌入式遙測前端處理器體系結構簡化，性能和可靠性提高，成本降低，研制周期縮短，更容易集成為基于C/S結構的多數據流遙測數據處理系統。

3 硬件設計

3.1 總線平臺和OEM板卡的選擇

計算機總線平臺是嵌入式遙測前端處理器的關鍵，當前國外嵌入式遙測前端處理器均選用了目前流行的Compact PCI計算機總線平臺。該平臺吸收了PC機商用技術的最新成果，數據傳輸速率滿足新一代嵌入式遙測前端處理器實時處理多條PCM數據流時的傳輸要求，環境條件、可靠性等都滿足運輸類飛機機載、地面活動車載等環境使用要求。

遙測前端處理器中的其他硬件，除PCM分路器板外，均選用了OEM產品。機箱選用12槽Compact PCI機箱(包括電源組件和磁盤);根據處理要求，本設計的CPU板選用了美國SBS公司的C7系列，CPU PⅢ1GHz，RAM 1GB，2個1000Mb以太網口，1個SCSI口。時碼板選用了美國DATUM公司帶GPS授時的BC637;D/A板選用了美國NI公司的 N16713系列，每板8通道.每通道lMSps，D/A分辨率為12位。

考慮到單片式全數字碼同步器在國外已有使用，因此在多功能雙PCM分路器板設計時已預留了單片碼同步器的芯片位置。本設計碼同步器選用外置式碼同步器。

3.2 多功能雙PCM分路器板的設計與實現

PCM 分路器板是嵌入式遙測前端處理器的關鍵插件，國外也有不少單板、單PCM分路的OEM產品。但高端產品的購置受到西方國家諸多限制，因此，選取了自行設計的技術途經，研制成功了基于Compact PCI總線的多功能雙路。PCM分路器板，其技術水平達到當前國際先進水平。

3.2.1 PCM分路器板的硬件邏輯設計

多功能雙PCM分路器的原理框圖如圖2所示，由雙PCM分路器(包括幀同步檢測、幀/子幀同步策略及相應的時序控制邏輯等)、PCM模擬器、語音采集等功能模塊組成。主要功能均由大規模集成電路CPLD可編程邏輯芯片實現。

CPLD選用了Latfice公司的ISP 4512V系統在線可編程器件。由于ISP便于現場更改，降低了研發成本，縮短了系統調試時間。

在眾多通用的PCI接口芯片中，選用了目前業界設計選用的主流芯片：PLX公司的PLX9054。PLX9054是一種功能強、使用靈活并符合 PCIV2.2規范的32位、33MHz的。PCI總線接口控制器，它可以作為PCI總線的主控設備去控制總線，也可以作為目標設備去響應總線。 PIX9054提供了PCI總線、EWROM、IDCAL總線3個接口，作為一種“橋”芯片，在PCI總線和LOCAL總線之間有3種直接的數據傳輸模式。本設計選用了DMA數據傳輸模式。PLX9054以其強大的功能和簡單的用戶接口，為PCI總線接口的開發提供了一種簡潔的方法，設計者只需設計本地總線接口控制電路，即可實現與PCI總線的高速數據傳輸。

3.2.2 幀、子幀同步及同步策略的實現

PCM 數據一個參數是以一個字或多個字的方式表達的，每個字由若干碼元組成，而在一個PCM采集系統中，所有測試參數組成一個參數群，該參數群稱為幀/子幀結構。怎樣才能準確地區分每個字的起始位置.正確地恢復采集參數的并行數據，也就是獲取幀/子幀以及表示各參數的數據字的起始時刻相一致的脈沖序列，其過程即稱為幀/子幀同步。幀，子幀同步信號的作用在于在一串信號群中，給出一個起始時間標志，以便對每個參數字進行正確地分路，其特點是：它本身的信息量不大，但對傳輸的可靠性要求很高。幀同步檢測器是PCM分路器板的關鍵部分，其他工作都是在幀同步檢測器完成正確的檢測后進行的，因此，幀同步檢測器起著至關重要的作用。其框圖如圖3所示。