動態特性綜合測試設備數據采集與顯示單元設計

馮 婕，安 靜，孫 強，袁博，陳洪彩，付曉慶

（西安應用光學研究所，陜西西安，710065）

動態特性綜合測試設備數據采集與顯示單元設計

馮 婕，安 靜，孫 強，袁博，陳洪彩，付曉慶

（西安應用光學研究所，陜西西安，710065）

為了滿足光電跟蹤系統動態性能測試的需求，解決當前測試過程中存在的諸多問題，提出將PowerPC處理器用于動態特性綜合測試設備中，實現運動目標數據高效、準確地采集與顯示。引入PowerPC處理器的動態特性綜合測試設備數據采集顯示系統具有數據處理能力強、擴展性強、目標運動狀態穩定可靠等特點，具有廣泛的應用前景。

動態特性綜合測試設備；數據采集顯示系統；PowerPC

0　引言

數據采集顯示系統是動態特性綜合測試設備的核心部件，是測試人員和測試設備之間最重要的人機接口。測試人員可通過該界面輸入目標預期運動速度、位置，還可實時顯示模擬目標運動狀態，轉動角度等相關信息，確保測試人員能全面及時觀察、掌握動態特性綜合測試設備的實時工作狀態。

數據采集顯示系統目前基本均采用DSP處理器，由于動態特性測試過程中會產生大量數據信息，而DSP處理器一般處理能力較低，無法配置嵌入式實時操作系統，任務調度和中斷響應效率較低，同時DSP處理器開發和調試工具的不盡完善，這就對數據采集顯示系統的設計提出了更高的要求。基于PowerPC處理器數據處理能力強、后期開發難度低、可擴展性強等優勢，本文提出了基于PowerPC的數據采集顯示系統，以解決上述問題。

1　設計需求

1.1數據處理能力強。動態特性綜合測試設備測試過程中通過不斷采集連續變化的目標位置信息、轉臺輸出角位置、角速度曲線，以實現對目標運動速率的精確控制，因此數據采集顯示系統應具有較強大的數據處理能力。

1.2設備接口豐富、擴展性強。動態特性綜合測試設備中伺服控制系統和數據采集器分別通過RS422、RS485或VGA等接口與數據采集顯示系統交聯。同時，測試過程中還必須完成采集數據的同步編輯、曲線顯示、圖表數據輸出、存盤等，并且各處理結果應能與通用的文檔處理軟件有方便接口。為此，數據采集顯示系統不僅需要豐富的設備接口，還需要具備一定的擴展性，以滿足不同用戶的定制要求。

2　系統架構

動態特性綜合測試設備中，數據采集顯示系統與伺服控制器、數據采集器交聯，是動態特性綜合測試設備的核心部件。數據采集顯示系統按照功能定義，供電單元負責為數據采集顯示系統提供二次電源，數據采集與顯示單元實現數據采集顯示系統的任務管理、數據處理和圖形顯示功能，實時采集交聯設備數據，進行數據融合后，將圖形數據進行2D/3D硬件加速處理，然后按照系統規范在VGA顯示器中進行顯示。圖1為動態特性綜合測試設備數據采集顯示系統架構。

圖1　動態特性綜合測試設備數據采集顯示系統架構

3　硬件設計

數據采集與顯示單元采用雙處理器架構，主處理器采用高性能嵌入式PowerPC處理器，完成數據處理、任務管理和圖形顯示功能；圖形處理器采用高性能GPU處理器，完成顯示圖形的2D/3D硬件加速處理；雙處理器之間通過PCI總線進行數據通信。

3.1 主處理器設計。高性能、低功耗的嵌入式處理器的選用能有效的提高數據采集顯示系統的能耗比。數據采集與顯示單元主處理器采用MPC8270，主要由G2_LE內核、系統接口單元（SIU）和通信處理模塊（CPM）組成。

主處理器設計中，MPC8270時鐘配置采用PCI host模式，MPC8270在60X總線上配置了多種存儲器，其中NVSRAM用于數據采集顯示系統故障數據的記錄。

3.2圖形處理器設計。數據采集與顯示單元圖形處理器采用M9，M9是ATI公司針對新一代低功耗多媒體系統設計的高性能圖形處理芯片，它的圖形硬件加速性能極佳，功耗較低，是目標運動狀態顯示的首選方案。

圖形處理器設計中，M9主頻配置為200MHz，與主處理器通過32位/33M的PCI總線進行數據通信。外部顯示接口采用VGA接口，圖形分辨率為1024×768。

3.3存儲設備設計。為滿足數據采集顯示系統工作需要，數據采集與顯示單元配置了大容量的SD卡。SD卡通過主處理器的PCI總線訪問，在FPGA中實現PCI總線到SD總線的橋接功能。SD卡配置FAT32文件系統和支持數據加卸載。作為移動存儲設備，SD卡讀寫訪問均采用DMA方式，用于在測試任務結束后下載系統記錄的目標運動相關數據，以便進行數據分析。

3.4外部接口設計。數據采集與顯示單元提供多種外部接口，用于與外部數據采集器、伺服控制器、VGA顯示器等設備進行數據通信。數據采集與顯示單元外部接口設計包括以下3部分：

（1） VGA接口：數據采集與顯示單元提供1路VGA接口，用于數據采集與顯示單元與VGA顯示器進行圖像通信；

（2） RS422接口：數據采集與顯示單元提供2路全雙工RS422接口，1路用于數據顯示系統與數據采集器進行數據通信，另1路用于數據采集與顯示單元與VGA顯示器的周邊按鍵通信；

（3） ARINC429接口：數據采集與顯示單元提供5路全雙工ARINC429接口，分別用于數據采集顯示系統與伺服控制器等設備進行數據通信。

3.5可編程邏輯設計。數據采集與顯示單元需要在FPGA中實現大量的協議轉換、總線橋接和接口控制功能，要求選用的FPGA器件邏輯規模要足夠大。同時，考慮到數據采集顯示系統的設計需求，FPGA要選用低功耗、低成本器件，并且在邏輯單元數量上應留有一定的余量，以備后期進行功能升級。數據采集與顯示單元FPGA設計采用1片XC2V1000芯片實現，主要實現以下4部分功能：

（1） 主處理器配置功能：實現主處理器的上電復位配置、看門狗控制、中斷配置、內部狀態寄存器等功能；

（2） 60X總線地址譯碼功能：實現主處理器的60X總線譯碼，FLASH、NVSRAM的訪問控制等功能；

（3） 總線橋接功能：實現PCI總線到SD總線的橋接功能；

（4） 協議轉換功能：實現RS422接口、ARINC429接口協議轉換功能。

4　軟件設計

數據采集與顯示單元軟件架構包括三部分：地面支持軟件、系統軟件和應用軟件。圖2為數據采集與顯示單元軟件架構。

4.1地面支持軟件

地面支持軟件包括在線編程工具和Tornado集成開發環境，這些軟件均安裝在軟件開發設備中，完成軟件的編輯、編譯、連接、加載、調試和固化等工作，并通過集成的調試工具對顯示處理單元的軟硬件狀態進行監控。

4.2系統軟件

系統軟件包括板級支持軟件和應用支持軟件。其中，板級支持軟件是介于底層硬件和上層軟件之間的底層軟件開發包，為上層應用提供統一的軟件接口。應用支持軟件是位于板級支持軟件和應用軟件之間的中間層軟件，主要為應用軟件提供多種開發支持。

4.3應用軟件

應用軟件根據系統功能需求，負責完成目標運動狀態和參數的綜合處理、圖形顯示與控制、接口數據通信、顯示器周邊按鍵處理、周期性自檢、故障告警與異常處理功能，以及數據加卸載、系統維護等輔助功能。

5　方案設計及總結

數據采集與顯示單元基于雙處理器架構，采用模塊化的設計思想，選用高性能低功耗處理器和大規模FPGA，提供多路設備輸入、輸出接口，降低了設計開發和后期維護成本，同時為以后功能升級提供了良好的基礎。采用該設計的數據采集系統完全可以解決目前動態特性綜合測試設備應用過程中存在的問題，并且會大大提升動態特性綜合測試設備的測試能力，具有廣泛的應用前景。

［1］ 姜琳琳，趙博龍.飛行顯示器數據處理單元設計與實現［J］.電子技術應用，2014（9）：30-33.

［2］ 劉碩，林榮超.綜合座艙顯示控制系統的設計與實現［J］.現代電子技術，2010（15）：160-162.

Design of data acquisition and display unit of integrated test equipment for dynamic characteristics

Feng Jie，An Jing，Sun Qiang，YuanBo，Chen Hongcai，Fu Xiaoqing
（Xi’an Institute of Applied Optics，Xi’an，710065）

In order to meet the needs of photoelectric tracking system dynamic performance testing，to solve the problems existing in the process of test，put forward will PowerPC processor for dynamic characteristics of integrated test equipment to achieve moving target data efficiently and accurately capture and display.The introduction of the dynamic characteristics of PowerPC processor integrated test equipment data acquisition and display system has the characteristics of strong data processing ability，strong expansibility，stable and reliable target motion state， and has broad application prospects.

Integrated test equipment for dynamic characteristics；Data acquisition and display system；PowerPC

圖2　數據采集與顯示單元軟件架構