作戰試驗中的信息存儲技術研究

趙儒桐，劉鵬，王曉曼

（1.長春理工大學 電子信息學院，長春 130022；

2.長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022）

作戰試驗中的信息存儲技術研究

趙儒桐1，劉鵬2，王曉曼1

（1.長春理工大學 電子信息學院，長春 130022；

2.長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022）

為使武器裝備在投入實戰使用前就能準確掌握其真實的作戰能力和對戰場環境的適應程度，要求軍隊在逼真實戰環境下對武器進行全面綜合性試驗。作戰試驗中對戰場環境和目標的高速成像信息以及設備跟蹤的測量信息的實時數據采集記錄提出了更高的要求。根據這一需求，采用FPGA+ARM架構設計一套完整的火控系統作戰試驗視頻信息接收、解碼及存儲系統，來代替傳統的以FPGA為核心的采集存儲系統，經過實驗驗證，該系統能夠實現作戰試驗中信息存儲功能，為優化武器實戰性能提供可靠依據。

火控；作戰試驗；ARM；FPGA

坦克是機械化戰爭的產物，現代坦克在戰場中殺傷能力高，反應速度快，防護能力好，依然是目前世界各國陸軍武器裝備體系中的突擊兵器。開展武器裝備作戰試驗是當今裝備試驗工作發展的新方向和新領域。當今時代，伴隨著軍事變革的不斷發展，復雜條件下的一體聯合作戰將會是未來戰爭的主流作戰形式。為使武器裝備在投入實戰使用前就能夠準確掌握其真實的作戰能力和對戰場環境的適應程度，就需要在逼真的實戰條件下對武器進行全方位的綜合性試驗，以此保證裝備的實戰戰技可以在批量投入生產和列裝部隊前就能得到充分的錘煉，使裝備在真實作戰環境中發揮到其最佳的戰斗力［2］。因此，對作戰試驗中對戰場環境和目標的高速成像信息以及設備跟蹤的測量信息的實時數據采集記錄研究具有十分重要的意義。本文主要對坦克火控系統作戰試驗中的視頻信息存儲技術做具體研究和分析。

1 系統硬件框圖

基于ARM和FPGA的火控系統作戰試驗中視頻存儲系統如圖1所示，主要由視頻采集部分、控制部分、存儲部分和讀取模塊等組成。硬件電路設計主要包括ARM外圍電路的設計、FPGA邏輯設計、USB電路的設計、SATA存儲電路設計。其中嵌入式ARM和FPGA共同構成整個系統的管理核心，ARM主要負責作戰試驗視頻存儲系統的控制和管理工作，FPGA主要完成時序的轉換工作。

圖1 系統框圖

相機采集過來的視頻信號經CameraLink連接器和電平轉換電路后，輸出LVTTL電平類型的數據送給主控單元部分FPGA進行接收。FPGA把接收的圖像數據先存入異步FIFO中，為使后續的視頻流可以無縫隙的輸出，以此來保證每幅圖像的實時性處理，當異步FIFO中存取的視頻數據到一定量后，FPGA再把數據從其里往外讀，然后再將其以100MHz的頻率交替乒乓緩存到兩片SDRAM中，ARM發送指令給FPGA，將緩存在SDRAM中的視頻流存儲在SSD中。通過USB可以像訪問移動硬盤一樣對火控作戰試驗中存儲的視頻信息進行讀取操作及后期數據處理。

2 搭建開發平臺

2.1 處理器選取

對于ARM處理器本系統采用三星出的S5PV210芯片，它采用ARM Cortex-A8內核，主頻可達到1GHz，64/32位內部總線結構，32/32KB的數據/指令一級緩存和512KB的二級緩存，能夠實現2000DMIPS（每秒運算2億條指令集）的高性能運算能力［3］。在視頻處理上多格式支持，最高為1080p，3D加速，內部包含強大的硬件視頻編碼器（MFC）。包含豐富的外設接口，也為ARM作為本系統的核心提供了硬件上的支持。

FPGA采用的是Altera公司最新一代SRAM工藝中等規模的Cyclone II系列，其成本低，結構類似Stratix，且配置芯片也改用新的FPGA系列產品［4］。新推出的Cyclone II系列FPGA比Cyclone成本低30%，邏輯容量多三倍，各型號性能如表1所示。

在I/O資源方面，整個系統FPGA的I/O口需要至少255針，從表1看出，EP2C20、EP2C35、EP2C50、EP2C70都滿足系統要求；而從邏輯門要求上說，經過軟件仿真，需要的數目在1000左右；從存儲器資源來說，FPGA只要緩存4簇數據就足用，其數據量為512B×8×4=16384bit，每個M4K RAM大小為4096bit，所以EP2C20型號足以滿足系統需求。

2.2 系統移植

由于ARM負責管理和控制整個系統的運行，要完成各模塊的功能就必須構建linux操作系統。操作系統主要包括內核，根文件系統和系統引導程序［6］。根據模塊功能設計需求對內核進行相應的裁剪、移植。在ARM里掛載磁盤文件系統，進而對磁盤視頻信息存儲及時更新，uboot作為操作系統的引導程序。嵌入式Linux系統移植流程圖如圖2所示。簡要步驟如下：

（1）設計Bootloader模塊，將其燒錄進NandFlash，完成ARM初始化工作，并將系統控制權交內核。

（2）移植根文件系統。本系統移植的是JFFS2文件系統，其底層驅動主要是對Flash的訪問控制。

（3）移植內核。首先搭建交叉編譯環境，編譯工具gcc用來編譯內核代碼，然后根據實際需求，裁剪內核，以此達到節約資源和提高速度。進而對內核進行相關配置，使其適用于實際的PCB開發板，最后利用交叉編譯環境將內核燒入Flash指定地址處。

表1 Cyclone II的性能比較

圖2 系統移植流程圖

3 視頻采集及存儲介質

3.1 視頻采集

由于針對的是作戰試驗中對戰場環境和目標的高速成像信息以及設備跟蹤的測量信息的實時數據采集記錄，所以必須選取高速相機作為視頻采集源，本系統選擇的是CCD高速相機。從高速相機獲取的高速成像信息和設備跟蹤的測量信息經Camera Link電平轉換電路后，將輸出的LVDS信號模式轉換到TTL模式的信號作為輸入FPGA的信源。Camera Link的總線連接圖如圖3所示。圖中的左半部分是Camera Link發送部分，把28位的TTL/ CMOS信號轉變成4對LVDS差分信號，這28位里包括24位有效視頻和4位視頻控制。另外，時鐘單獨使用了一對差分來進行傳輸；相反右半部分把4對視頻控制差分信號和1對像素時鐘差分信號分別再轉換回28位的視頻和時鐘輸出給采集部分［5］。

圖3 Camera Link總線連接示意圖

3.2 存儲介質

本系統采用SATA接口的SSD作為存儲介質。SSD相對傳統機械硬盤主要有以下三大優勢：

（1）隨機I/O次數高，適合安裝系統及應用軟件；

（2）讀寫速度快，存儲穩定，適合大數據高速存儲；

（3）體積小、功耗低、耐低溫、抗震等環境特性好。

SSD有效突破機械磁盤的存儲速度和穩定性，是實現惡劣環境下高速存儲數據的理想介質，非常適用于火控作戰試驗下運動載體視頻圖像采集存儲的應用。SSD實物圖如圖4所示。此外，跟其他類型的接口相比，SATA總線不僅支持對傳輸數據的檢查，還支持對傳輸指令的檢查，使用嵌入式時鐘信號，具有好的糾錯能力，發現錯誤會自動進行糾正操作，在很大程度上提高了數據傳輸的可靠性，另外串行接口具有支持熱插拔，結構簡單等優點［3］。

SATA協議規定了相應的編碼方法，本系統采用在FPGA內部對SATA協議進行邏輯設計直接進行控制。SATA數據傳送采用的是連續串行的方式進行，能夠比較好的解決并行傳輸中帶來的串擾問題。

圖4 SSD接口實物

4 USB接口

本設計中USB模塊主要的功能就是跟PC電腦連接通信，對存儲的視頻回放處理。通過USB可以像訪問移動硬盤一樣對火控作戰試驗中存儲的視頻信息進行讀取操作，以便于為后期的作戰試驗優化論證武器裝備作戰性能提供可靠依據。

本系統為提高視頻流傳輸效率采用USB2.0接口協議，數據傳送的實現是利用PCI總線和PC的內部系統的數據總線［4］。本系統選用CYPRESS公司生產的USB芯片CY7C68013當接口處理器，此芯片具有智能的SIE，能使數據傳輸率達到高速模式下的速度（480Mbps）。

5 測試結果

整體系統硬件需要：焊接好的PCB板、CCD相機一套、電腦一臺、SSD固態存儲盤等。由于實驗條件限制，在實驗室搭建模擬環境對系統測試如圖5所示，為整個系統的板級調試平臺，根據搭建好的平臺來完成相機的配置、圖像的采集、SDRAM控制、乒乓緩存、以及視頻圖像回放等各模塊的硬件語言設計和調試工作。最后再將編寫好的系統整體代碼下載后進行綜合調試。圖6顯示的是存儲在固態盤的部分視頻數據信息。

圖5 整個系統的板級調試平臺

圖6 部分視頻存儲列表

6 結論

采用FPGA+ARM架構設計一套完整的火控系統作戰試驗視頻信息接收、解碼及存儲系統，在作戰試驗中對戰場環境和目標的高速成像信息以及設備跟蹤的測量信息實時采集記錄，為優化論證武器裝備作戰性能提供可靠依據。這樣武器裝備在投入實戰使用前就可以準確掌握其真實環境下的作戰能力和對戰場環境的適應程度，實戰效能就可以在批量投入生產和列裝部隊前就能使其得到充分錘煉，在真實作戰環境中發揮其最佳的戰斗力。

［1]武小悅，劉琦.裝備試驗與評價［M］.北京：國防工業出版社，2008：20-35.

［2]楊榜林，岳全發.軍事裝備試驗學［M］.北京：國防工業出版社，2009：9-20.

［3]閆晨陽.基于SATA的高速大容量固態存儲技術［D］.西安：西安電子科技大學，2014.

［4]何萬江.基于ARM的SATA磁盤陣列的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

［5]Anonymous.Image sensor provides LVDS bridge with?out an FPGA［J］.Electronics Weekly，2013，33（5）：25-44.

［6]陳壽巖.基于SATA硬盤的視頻采集存儲系統設計［D］.武漢：華中科技大學，2009.

［7]黃繼鵬.高速高可靠小型數字視頻存儲系統的設計與實現［D］.長春：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，2012.

［8]趙儒桐.火控系統作戰試驗中的信息存儲技術研究［D］.長春：長春理工大學，2018.

Research on Information Storage Technology in Operational Test

ZHAO Rutong1，LIU Peng2，WANG Xiaoman1
（1.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.State Key Laboratory of High Power Semiconductor Laser，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In order to use weapons and equipment into combat before mastering its real combat ability and battlefield environment adaptation，the comprehensive experiments of weapon equipment under the combat conditions are required.Carrying out combat weapons test is a new direction and a new field for the development of the equipment test work and the higher requirements of realtime data acquisition and recording operation test of battlefield environment and the target of high speed imaging information and equipment tracking measurement information are put forward.According to the demand，a complete fire control system with op?erational test video information receiving，decoding and storage is design by using FPGA+ARM architecture，instead of using FPGA as the core collection of the traditional storage system.Experimental results show that the function of information storage the system can be realizes and a reliable basis for optimizing the actual combat capability of the weapon is provided.

fire control；operational test；ARM；FPGA

TN919

A

1672-9870（2017）02-0102-04

2016-11-08

某基地靶場測試項目（KYC-XZ-XM-2016-013）

趙儒桐（1991-），男，碩士研究生，E-mail：1028609761@qq.com

王曉曼（1956-），女，教授，博士生導師，E-mail：wmftys@126.com