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遙測數據處理系統在航空、航天等軍工試驗領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。在航空飛行試驗中．遙測數據處理系統為各類(lèi)試飛測試數據的實(shí)時(shí)處理提供了手段和平臺，試飛員、試飛指揮員及試飛工程師協(xié)同完成新機試飛必不可少的重要設施，是確�，F代飛機試飛安全、提高試飛效率、縮短試飛周期、實(shí)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(shù)上經(jīng)歷了從分立式、智能式到嵌入式的快速發(fā)展。我遙測前端處理器的研發(fā)經(jīng)歷了從引進(jìn)、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(shí)時(shí)計算機系統，承擔著(zhù)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(shí)時(shí)處理任務(wù)。它和遙測系統管理服務(wù)器、工作站等設備通過(guò)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)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�？梢哉f(shuō)，遙測前端處理器的技術(shù)水平代表了遙測數據處理系統的技術(shù)水平。 系統功能和主要技術(shù)指標 遙測前端處理器的功能簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是把來(lái)自遙測接收設備送來(lái)的多路串行PCM(Pulse Code Modulation)數據流進(jìn)行同步、分路、合并、存儲，并對轉換后的并行數據進(jìn)行工程單位轉換、導出數計算等實(shí)時(shí)處理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )把數據傳送給顯示工作站。再通過(guò)遙測記錄數據重放，為用戶(hù)提供同實(shí)時(shí)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(shù)指標為： (1)可同時(shí)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(shí)時(shí)數據處理速率：20Mbps。 (3)數據傳輸：交換式以太網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò )帶寬1000Mbps、廣播方式和“點(diǎn)對點(diǎn)”方式。 (4)數據存儲：滿(mǎn)足在最大速率下數據存儲不丟失，磁盤(pán)容量滿(mǎn)足不小于4小時(shí)的記錄時(shí)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(shí)的計算機技術(shù)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(xiàn)的計算機平臺和雙總線(xiàn)、多CPU、百兆以太網(wǎng)接口的體系結構，其技術(shù)復雜、成本高、軟件開(kāi)發(fā)難度大、系統研制周期。 當前計算機技術(shù)的發(fā)展，使得CPU速度和總線(xiàn)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(xiàn)和千兆以太網(wǎng)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(shí)碼發(fā)生器等作為計算機的一個(gè)插件板，嵌到工業(yè)計算機系統中，其組成已簡(jiǎn)化為：19英寸計算機箱、CPU板、多功能PCM分路器板、時(shí)碼板、D／A板和存儲設備，其典型結構與組成見(jiàn)圖1所示。新一代嵌入式遙測前端處理器體系結構簡(jiǎn)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(xiàn)平臺和OEM板卡的選擇 計算機總線(xiàn)平臺是嵌入式遙測前端處理器的關(guān)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(xiàn)平臺。該平臺吸收了PC機商用技術(shù)的最新成果，數據傳輸速率滿(mǎn)足新一代嵌入式遙測前端處理器實(shí)時(shí)處理多條PCM數據流時(shí)的傳輸要求，環(huán)境條件、可靠性等都滿(mǎn)足運輸類(lèi)飛機機載、地面活動(dòng)車(chē)載等環(huán)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(chǎn)品。機箱選用12槽Compact PCI機箱(包括電源組件和磁盤(pán))；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(gè)1000Mb以太網(wǎng)口，1個(gè)SCSI口。時(shí)碼板選用了美國DATUM公司帶GPS授時(shí)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(shí)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(shí)現 PCM分路器板是嵌入式遙測前端處理器的關(guān)鍵插件，國外也有不少單板、單PCM分路的OEM產(chǎn)品。但高端產(chǎn)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(shù)途經(jīng)，研制成功了基于Compact PCI總線(xiàn)的多功能雙路。PCM分路器板，其技術(shù)水平達到當前國際先進(jìn)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(shí)序控制邏輯等)、PCM模擬器、語(yǔ)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(shí)現。 CPLD選用了Latfice公司的ISP 4512V系統在線(xiàn)可編程器件。由于ISP便于現場(chǎng)更改，降低了研發(fā)成本，縮短了系統調試時(shí)間。 在眾多通用的PCI接口芯片中，選用了目前業(yè)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(xiàn)接口控制器，它可以作為PCI總線(xiàn)的主控設備去控制總線(xiàn)，也可以作為目標設備去響應總線(xiàn)。PIX9054提供了PCI總線(xiàn)、EWROM、IDCAL總線(xiàn)3個(gè)接口，作為一種“橋”芯片，在PCI總線(xiàn)和LOCAL總線(xiàn)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(jiǎn)單的用戶(hù)接口，為PCI總線(xiàn)接口的開(kāi)發(fā)提供了一種簡(jiǎn)潔的方法，設計者只需設計本地總線(xiàn)接口控制電路，即可實(shí)現與PCI總線(xiàn)的高速數據傳輸。 3．2．2 幀、子幀同步及同步策略的實(shí)現 PCM數據一個(gè)參數是以一個(gè)字或多個(gè)字的方式表達的，每個(gè)字由若干碼元組成，而在一個(gè)PCM采集系統中，所有測試參數組成一個(gè)參數群，該參數群稱(chēng)為幀/子幀結構。怎樣才能準確地區分每個(gè)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(shí)刻相一致的脈沖序列，其過(guò)程即稱(chēng)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(gè)起始時(shí)間標志，以便對每個(gè)參數字進(jìn)行正確地分路，其特點(diǎn)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(guān)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(jìn)行的，因此，幀同步檢測器起著(zhù)至關(guān)重要的作用。其框圖如圖3所示。 按照數據采集方案的格式要求，預先由處理器進(jìn)行初始化設置，包括幀同步碼組、同步碼組的長(cháng)度和允許同步碼組的錯誤位數。隨著(zhù)時(shí)間的推移，PCM數據在CLDCK信號的控制下，逐位進(jìn)入移位寄存器，移位寄存器的輸出數據進(jìn)入比較器，隨時(shí)與幀同步碼組進(jìn)行比較，在同步碼組長(cháng)度邏輯的控制下，一旦檢測到可能的同步碼組，則比較器輸出同步信號，該同步信號還必須由判決器來(lái)進(jìn)行判決才能決定其是否有效。其方法是：預先設置允許的錯誤容限也就是允許的錯誤位數，然后根據比較器的輸出信號是否滿(mǎn)足錯誤容限的要求來(lái)決定真正的同步信號的輸出。幀同步信號的產(chǎn)生為整個(gè)PCM分路器板提供了最基本、最重要的時(shí)序依據。 幀同步策略是PCM分路的關(guān)鍵技術(shù)之一，其意義在于最大限度地解決數據傳輸過(guò)程中造成的“漏同步”和“假同步”現象，以降低誤碼率，進(jìn)一步提高數據檢測的可靠性和有效性。一種基本的且經(jīng)實(shí)踐檢驗行之有效的幀同步策略是：在幀同步檢測完成后，按照PCM格式定義的PCM字長(cháng)和幀長(cháng)，連續找到幾個(gè)(一般為3個(gè))相匹配的同步碼組后，即認為幀確為同步。 幀同步策略的邏輯實(shí)現如圖4所示。由圖4可以看出，幀同步的正確性可以依據以下條件： (1)同步碼組的正確性。 (2)幀長(cháng)的正確性(通過(guò)幀長(cháng)計數器與幀長(cháng)預置值的比較實(shí)現)。 (3)同步、檢測和失步的判別。不同的設計者可采用不同的方法，目的是消除假同步和漏同步的影響�？梢圆扇∫韵路椒ǎ喝舯容^器連續出現3個(gè)相等值時(shí)同步，當有一個(gè)不等值時(shí)，進(jìn)入檢測狀態(tài)；而當出現連續3個(gè)不等值或檢測一定時(shí)間后不能同步時(shí)，則進(jìn)入失步狀態(tài)。 以上解決了幀同步的問(wèn)題，也就是找到了每一幀的起止位置。然而，每一幀的各數據字在特定的測試方案中又不可能相同，如何來(lái)確定某個(gè)參數字在哪一幀的哪個(gè)位置?幀同步以后，數據傳輸的正確位置是否可靠?就是子幀同步要解決的問(wèn)題。多年來(lái)，國內外廣泛采用的于幀同步方式為ID同步方式。 子幀同步策略是PCM分路的另一關(guān)鍵技術(shù)，其意義在于：在幀同步的基礎上，對數據的可靠性作進(jìn)一步的容錯檢測。一種常用的且經(jīng)實(shí)踐檢驗較為可靠的子幀同步策略是：連續檢查幾個(gè)子幀數據(一般為3個(gè))，其子幀同一位置的ID字如果相同或相鄰子幀相應的ID字連續，則判決為子幀同步，否則子幀不同步。 子幀同步策略邏輯實(shí)現如圖5所示。由圖5可以看出，子幀同步與策略的正確性依據以下條件： (1)ID字位置及其值的正確性(如過(guò)零檢測)。 (2)子幀長(cháng)的正確性(通過(guò)子幀長(cháng)與幀計數器值的比較判斷)。 (3)同步、檢測和失步的判別，方法與幀同步策略類(lèi)似。 在本設計中，雙PCM幀同步檢測、幀/子幀同步策略均通過(guò)CPLD邏輯器件實(shí)現，不僅提高了設計的集成度，而且提高了系統的可靠性及其性能，使每路PCM分路速率達到20Mbps的國際先進(jìn)水平。 4 軟件平臺選擇及軟件組成 目前常用的遙測前端處理器操作系統有Windows2000和VxWorks二種。 通用、軟件資源豐富、易于使用和擴展；而VxWorks是一個(gè)用途廣泛的實(shí)時(shí)操作系統，具有良好的實(shí)時(shí)性、可靠性和可裁減性。根據遙測數據處理的實(shí)際需求，本設計選用了Windows2000，程序設計語(yǔ)言選用C++。 遙測前端處理器軟件組成與實(shí)時(shí)數據處理流程框圖如圖6所示。 圖6 遙測前端處理器軟件組成與實(shí)際*時(shí)數據處理流程 遙測前端處理器中的軟件由PCM數據采集、參數提取、工程單位轉換、數據合并與導參數計算、報警參數處理、數據存儲、網(wǎng)絡(luò )通信與數據分配等模塊組成。其中，采集、參數提取、工程單位轉換模塊與數據流相對應，每個(gè)數據流單獨一套。PCM數據經(jīng)采集后，接事先定義對參數進(jìn)行提取、工程單位轉換和必要的處理、存儲。按事先設置，需要模擬輸出的數據直接由D/A板輸出，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )把工程單位數據和原始數據傳輸給工作站，由工作站完成遙測數據的各種方式的可視化顯示和飛行試驗專(zhuān)用數據分析與處理。 基于cPCI總線(xiàn)的新一代嵌入式遙測前端處理器的設計和實(shí)現，使遙測數據處理系統的集成更加容易。其20Mbps的速率、雙路PCM數據的分路和實(shí)時(shí)處理能力�？蓾M(mǎn)足現代軍、民機飛行試驗遙測數據處理要求。它的應用使我國的飛行試驗遙測數據處理技術(shù)水平得到很大的提升。同時(shí)，cPCI總線(xiàn)的加固特性，使以嵌人式遙測前端處理器為核心而組成的實(shí)時(shí)遙測數據處理系統，滿(mǎn)足了運輸類(lèi)飛機機載要求和地面車(chē)載環(huán)境要求，拓寬了遙測前端處理器在軍工試驗和民用工業(yè)試驗等領(lǐng)域內的應用范圍，有著(zhù)廣闊的應用前景。 |
