基于PowerPC的遠程數據實時采集系統設計

龔俊亮,朱 弘（.中國電子科技集團公司第三十八研究所； .孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室,合肥 30088）

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基于PowerPC的遠程數據實時采集系統設計

龔俊亮1,朱 弘2
（1.中國電子科技集團公司第三十八研究所； 2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室,合肥 230088）

摘 要：結合數據采集在雷達技術中的應用，介紹了一種基于PowerPC的遠程數據實時采集、運行狀態及故障監視系統的設計方法。介紹了系統整體架構，給出了硬件原理框圖和軟件設計概要。經測試表明，該設計能實時準確的采集遠程數據，運行穩定可靠，滿足了設計的技術指標，效果良好。

關鍵詞：PowerPC；FPGA；實時；數據采集

1 引言

近年來，隨著遠程預警探測雷達的規模越來越大，集成的設備越來越多，快速準確地收集和分析各工作單元工作是否正常就成為現實的需求。利用嵌入式技術對相應的設備工作參數進行采集，一方面可以及時了解各工作單元的工作狀態，另一方面也可將采集的參數集中送至主控單元，為主控單元做出控制命令提供參考依據。

2 系統硬件構成

電路設計上，選用Freescale公司的QorlQ P2020為主控芯片，配置系統的各個參數，由于系統要與雷達的多個工作單元進行數據交互，為了減少接口芯片的種類，采用FPGA來進行接口的銜接。

（1）QorlQ P2020芯片介紹。P2020處理器基于45nm技術低功耗平臺，最高主頻可達1.2G Hz。每個處理器包含兩個e500 Power Architecture核心與外設，可以實現通過網口在線下載并燒寫操作系統和應用程序，并通過以太網固化和更新PowerPC程序，P2020憑借其低功耗設計及單線程高性能，非常適合雷達數據采集控制層面的應用。

（2）FPGA芯片介紹。FPGA作為一種專用集成電路，解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數量有限的缺點，芯片編程配置靈活，開發周期短，系統簡單，具有集成度高、體積小、功耗低、高速I/O 端口多、可在線系統編程等優點。在此選用Xilinx公司的XC7K325T。

（3）底層數據采集。大型雷達需要采集的數據眾多，且考慮到兼容性，我們通過多種方式來采集現場數據：通過RS232/RS422、TTL、IIC，光纖、以太網直接進行數據采集，系統的總體設計框圖如圖1所示。整套硬件設備可在單板中設計實現。

（4）數據存儲。對于數據存儲，由于系統實時采集各工作模塊工作狀態數據，數據量不大，且系統收到數據之后統一打包處理發送給主控單元，并不會有太長的時間延時，故數據存儲只需要進行緩存，我們采用FIFO對數據進行存儲。

FIFO的本質，其實就是一種特殊的雙口RAM，通過編程實現的FPGA內部有可用的雙口RAM資源，利用FPGA強大的內部資源，在 FPGA內部編寫程序集成 FIFO。XC7K325T內部具有16020Kb的Block RAM，可以提供足夠的雙口RAM資源。本系統為了使代碼模塊共用，減少開發的工作量，取最大深度的FIFO進行統一設計，FIFO深度為2K*16bits。

（5）光纖接口設計。Xilinx公司在其XC7K325T中最多集成了16路高速GTX，為了方便用戶對GTX的使用，Xilinx公司提供了一個對GTX進行Wrapper的IP core，其名稱是transceivers IP，本系統采用起始號（4字節）+功能號（4字節）+數據（128字節）+校驗（2字節）+結束號（4字節）的簡化數據包模式進行遠程數據的采集。

（6）IIC接口設計。IIC總線是雙向、兩線、串行、多主控接口標準，具有總線仲裁機制，本系統為了提高系統的集成度，將IIC控制器嵌入FPGA內，系統設計把控制器從邏輯上分成兩個狀態機，分別為命令狀態機和時序狀態機，其中，命令狀態機用于管理IIC總線上的命令狀態，并實現IIC總線讀寫操作命令狀態的轉移過程；時序狀態機用于實現IIC總線啟動、停止、讀、寫、確認等命令的具體時序關系。

3 FPGA與P2020通信

FPGA完成系統與外部接口的通信功能，而 P2020負責與主控進行數據交互，FPGA在其采集到數據后，通過localbus將按協議打包好的數據發送給P2020，localbus采用數據/地址線復用的形式，通過Buffer進行驅動和隔離，采用16bits寬度，本設計中采用Motorola CPU總線架構，即大端模式。

4 軟件設計

本系統軟件設計的操作系統采用Wind River公司的VxWorks6.5版本。軟件設計的主要工作是VxWorks操作系統BSP的設計實現。它的主要功能為屏蔽硬件，提供操作系統的驅動及硬件驅動。Wind River公司在集成開發環境WorkBench中提供了許多典型設計的BSP軟件包，設計人員只需要在這些BSP上進行針對修改即可。本設計根據需要，驅動程序設計包括NOR FLASH驅動、以太網接口驅動和RapidIO接口驅動，因不是本文討論重點，不再一一贅述。

5 結語

本文設計了一種對雷達各工作單元進行數據采集、運行狀態及故障監視系統，將PowerPC引入系統應用中，實現對雷達運行狀態的實時監測，其強大的數據通信、處理功能，為大型雷達各設備工作狀態的監控提供了有力保障。同時，采用FPGA進行外部接口互連設計，能夠很好的對未來雷達設備的擴充提供兼容設計，該設計具有硬件可裁減、可擴充、可升級、軟件在線可編程的特點，使得設計的系統在規模、功耗、體積上有很大的優勢。經測試表明，該設計能實時準確的采集遠程數據，運行穩定可靠，滿足了設計的技術指標，效果良好。

參考文獻：

［1］付雪,卜雄洙，沈碧云.基于FPGA的高速數據采集存儲系統的設計與實現［J］.儀表技術,2013（12）：6-9．

［2］孫東亞,張亞棣,李亞暉.一種PowerPC和FPGA結構的遠程接口單元設計方法［J］.航空計算技術,2015（03）：118-121．

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.114

作者簡介：龔俊亮（1988-），江西豐城人，工程師，主要從事：雷達波控設計。