一種多芯片標(biāo)準(zhǔn)化智能化一體機系統(tǒng)的研究

深圳市億威爾信息技術(shù)股份有限公司 張小林 林 青 鐘 洪 向海斌 巫 浩

一種多芯片標(biāo)準(zhǔn)化智能化一體機系統(tǒng)的研究

深圳市億威爾信息技術(shù)股份有限公司 張小林 林 青 鐘 洪 向海斌 巫 浩

針對雷達顯控市場的發(fā)展與新需求，我們在業(yè)界首先提出構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、一體化雷達顯控終端設(shè)備的研究。以新一代堅固型VPX計算機作為核心計算模塊的硬件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以雷達顯控軟件的模塊化設(shè)計作為軟件標(biāo)準(zhǔn)，融合結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、模具設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、以及-40℃～+55℃環(huán)境下大尺寸顯示屏（19．5寸、21．5寸、24寸）的智能溫度控制與調(diào)節(jié)功能，確保通過該研究研制出的產(chǎn)品滿足各類惡劣環(huán)境下對移動雷達顯控得需求。

一體機；智能化；多芯片；核心板；標(biāo)準(zhǔn)化

1.前言

我國軍用計算機一直在跟隨國外計算機的發(fā)展，將軍用計算機嵌入到各種現(xiàn)代化武器系統(tǒng)中，包括小到各類專用的加固計算機，以至大到各類并行計算陣列（雷達與電子對抗）。在核心芯片級、操作系統(tǒng)、定量設(shè)計、抗極端惡劣環(huán)境設(shè)計等方面，差距很大。目前，我國國內(nèi)的VPX軍用計算機市場還處于初期，特別是在雷達顯控領(lǐng)域基本為零，我司提出的此項研究，將對填補我國在雷達顯控領(lǐng)域的長期技術(shù)弱勢，提升我國VPX軍用計算機的各項性能具有重大的建設(shè)意義。

2.技術(shù)路線

本文研究的一種多芯片核心板一體機智能化系統(tǒng)，其技術(shù)路線包括五個方面：19.5寸寸智能一體機模塊化設(shè)計；VPX核心板模塊化設(shè)計及模具標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計；21.5寸、24寸一體機模塊化、序列化設(shè)計；多核多芯片及高速高密度的VPX數(shù)據(jù)通訊與計算平臺的融合設(shè)計；雷達顯控技術(shù)與高性能異構(gòu)計算機技術(shù)的融合。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

模塊化設(shè)計技術(shù)是由產(chǎn)品系列化、組合化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的需求而孕育的。系列化用有限品種和規(guī)格的產(chǎn)品來最大限度、且較經(jīng)濟合理地滿足需求方對產(chǎn)品的要求。組合化是采用一些通用系列部件與較少數(shù)量的專用部件、零件組合而成的專用產(chǎn)品。通用化是借用原有產(chǎn)品的成熟零部件，能縮短設(shè)計周期，降低成本，增加產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。標(biāo)準(zhǔn)化零部件是跨品種、跨廠家甚至跨行業(yè)的更大范圍零部件通用化。這種高度的通用化使得這種零部件可以由工廠的單獨部門或?qū)ｉT的工廠去單獨進行專業(yè)化制造。通過模塊化的設(shè)計，可以靈活搭配多尺寸顯示屏，節(jié)約生產(chǎn)時間，提高綜合效益。

高速串行總線技術(shù)能夠增加系統(tǒng)的計算密度，計算密度的增加又能減少系統(tǒng)的成本和重量，提高了惡劣環(huán)境下計算機的使用性能。目前最通用的三種串行總線為Gigabit Ethernet、RapidIO、PCI Express，能夠解決軍用計算機最為突出的數(shù)據(jù)傳輸需求，包括處理器與處理器之間、處理器與外設(shè)之間、處理刀片與處理刀片之間。GbE解決了計算系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的IP數(shù)據(jù)通信。RapidIO則解決處理器與處理器之間的通訊，通過RapidIO構(gòu)建大型的多核多芯片并行計算結(jié)構(gòu)。PCI Express解決CPU核心處理器與外設(shè)之間的高速高帶寬數(shù)據(jù)流傳輸。

在標(biāo)準(zhǔn)化智能一體機雷達顯控終端中，將Gigabit Ethernet、RapidIO、PCI Express三類總線技術(shù)的優(yōu)勢融合在一起，通過VPX標(biāo)準(zhǔn)化模塊共同構(gòu)建一種強大的通訊計算架構(gòu)。滿足國防領(lǐng)域多種抗惡劣環(huán)境計算系統(tǒng)的要求。

VPX在VME和CPCI 3U/6U機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入級聯(lián)keying，增強板卡與背板的聯(lián)結(jié)強度，以及機械對準(zhǔn)。同時，為了靈活地滿足大功耗板卡和傳導(dǎo)加固的使用模式，VPX規(guī)范定義了三種槽間距尺寸，包括0.8”、0.85”、1.0”。槽間距的增厚，方便專業(yè)技術(shù)人員對VPX產(chǎn)品進行更堅固的傳導(dǎo)加固設(shè)計。板卡雙面增加保護蓋，進一步增強VPX板卡的堅固可靠性以及EMC/EMI特性。

VPX定義了三種散熱模式，包括風(fēng)冷、傳導(dǎo)冷卻、液冷，三種散熱模式采用不同的加固設(shè)計方式，確保VPX計算系統(tǒng)能在極端惡劣環(huán)境下的使用。

一體機的核心模塊是一塊將計算、顯示、網(wǎng)絡(luò)交換、IO接口集成在一起的四合一高性能VPX專用刀片計算機，采用最新工業(yè)計算機技術(shù)，最新工業(yè)級關(guān)鍵芯片，將最新的X86計算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)與雷達顯控終端專用軟硬件技術(shù)緊密結(jié)合，減少板卡種類，高度集成，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

實現(xiàn)多路高清視頻數(shù)據(jù)的采集、顯示、記錄和回放。將A/D采集和SATA記錄、獨立顯卡集成在雷達專用VPX刀片計算機上。板載25M高速A/D接口，用于對輸入原始視頻采樣；板載四路高速SATA硬盤接口，支持海量數(shù)據(jù)存儲記錄和回放；板載FPGA和AMD E8860圖像處理器芯片，可處理和顯示高清視頻圖像，減輕CPU的負擔(dān)，支持1900*1200分辨率，同時兼容1600*1200分辨率。

一部雷達顯控終端中的幾個單元，選用同一塊VPX刀片計算機作為硬件平臺，只要裝載不同的軟件即可實現(xiàn)不同的功能，終端系統(tǒng)中的2塊錄取板、1塊顯控板可以互換使用；不同型號的LD，用相同的刀片計算機構(gòu)成所需的終端設(shè)備，其刀片計算機可以互換使用。

標(biāo)準(zhǔn)化智能一體機VPX雷達顯控終端的各個結(jié)構(gòu)零部件均采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計技術(shù)，進而做到模具設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化。所涉及的標(biāo)準(zhǔn)化模具部分包括：一體機內(nèi)部VPX導(dǎo)軌部件、VPX板卡尺寸及加固部件、VPX傳導(dǎo)加固鎖緊部件，把手部件、VPX面板部件、風(fēng)扇模組部件、溫度調(diào)節(jié)部件、一體機面板按鈕部件、一體機鍵盤部件、液晶屏控制部件、EMC處理部件等。通過模具的標(biāo)準(zhǔn)化，提升批量加工的效率，提升加工質(zhì)量。

采用核心板散熱技術(shù)，嵌入式高性能計算機由于體積限制和采用風(fēng)冷方式，要求單個計算節(jié)點應(yīng)具有千億次的浮點運算能力和低于60W的功率消耗。由于單個處理器和串行計算模式已無法滿足需要，處理器加并行加速器成為最有效解決方案。目前國際普遍采用GPGPU（通用圖像處理器）作為加速器的異構(gòu)設(shè)計方法，但GPGPU是專用的進口產(chǎn)品，該產(chǎn)品對非x86系列處理器支持較差，非x86系列利用GPGPU開發(fā)難度較大。利用FPGA作為加速器雖能解決以上問題，但傳統(tǒng)FPGA設(shè)計復(fù)雜，設(shè)計思路同在CPU、GPU上設(shè)計軟件完全不同，還需大量的考慮如約束等非常細節(jié)的物理底層問題，穩(wěn)定可靠的FPGA加速器設(shè)計是本研究的關(guān)鍵。

標(biāo)準(zhǔn)化智能一體機的工作溫度為-40℃～+55℃，由于大屏幕液晶屏的低溫工作瓶頸最大是-10℃。鑒于此，需要解決低溫環(huán)境下大屏幕的正常顯示問題，我司采用對大尺寸液晶屏低溫預(yù)熱技術(shù)予以解決。通過設(shè)計智能化的單片機作為一體化機的控制單元，自動偵測環(huán)境溫度及液晶屏的溫度。在開機之前，當(dāng)液晶屏的溫度低于-5℃時，單片機控制模塊自動開啟液晶屏加熱模塊，液晶屏的預(yù)熱時間最大不超過20分鐘，當(dāng)液晶屏的溫度恢復(fù)到-5℃以上時，則關(guān)掉液晶屏加熱模塊，當(dāng)液晶屏開始工作之后，溫度上升，一體機繼電器并聯(lián)使用。繼電器聲音小，接觸電阻小，相對可靠。

（2）被檢電流互感器二次的自動切換：主要針對的是穿心電流互感器。具體地說，數(shù)只同一變比的被試互感器（最多24只），將其放入輔臺的固定位置，通過輔臺的多工位控制單元控制電機將被試互感器的二次壓緊，這樣，數(shù)只被試互感器的所有接線可以一次性完成。詳見機械工程與自動化《穿心式電流互感器誤差檢定的自動接拆線裝置》。每只互感器的二次可以分別接入數(shù)個繼電器的常閉點，繼而通過控制單元切換繼電器，實現(xiàn)數(shù)只互感器的誤差檢定。

3.5 無功補償裝置

在實際工作中，我們有時會檢定電流比較大的互感器，例如5000A。這樣電流大小有可能升不到自身的120%，不能完成檢定。為此，我們根據(jù)用戶需要附有無功補償裝置。該裝置主要由自愈低壓電容器、過流保護開關(guān)、電流表、電壓表以及功率因數(shù)表組成。通過補償可以提高輸出功率因數(shù)，降低線路損耗，從而實現(xiàn)較大電流互感器誤差的檢定。

4.結(jié)束

該裝置主要用于實驗室，其創(chuàng)新點在于操作臺與主臺及輔臺之間使用了無線通訊，省掉了連線；而且，真正實現(xiàn)了對穿心式電流互感器的全自動檢定。其主要特點是操作簡單、勞動強度小、自動化程度高、安全性能高、工作效率高。除此之外，該裝置并非停留在理論階段的實驗室原型，而是已經(jīng)應(yīng)用在智能電網(wǎng)環(huán)境下的設(shè)備，深受用戶的喜歡，成為本單位的主打產(chǎn)品。

[1]李春菊,廖毅,彭磊．基于SA4828的三相SPWM變頻電源設(shè)計[J]．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2009．

[2]王曉明,王艷秋,王建立．三相SPWM控制器SA4828在變頻器中的應(yīng)用[J]．電氣傳動自動化,2002．

[3]張燕賓．SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M]．機械工業(yè)出版社,1997．

[4]夏衛(wèi)鋒,林立,甘鵬．單片機與SA4828控制的SPWM變頻電源[J]．微計算機信息,2008．

[5]冀蘭風(fēng)．穿心式電流互感器誤差檢定的自動接拆線裝置[J]．機械工程與自動化,2015．