一種機載雷達數(shù)據(jù)記錄設(shè)備設(shè)計

賈敬樂，王 嘯，李 強

(南京萊斯電子設(shè)備有限公司，江蘇 南京 210007)

0 引言

為了更好地對機載雷達信號處理算法進行分析、優(yōu)化，需要實時記錄雷達工作時的原始中頻IQ數(shù)據(jù)。但受限于機載環(huán)境的嚴苛，要求機載電子設(shè)備具有小尺寸、輕重量、低功耗的特點[1]；為此實現(xiàn)足夠高的數(shù)據(jù)記錄速度、足夠大的存儲容量，對記錄設(shè)備的處理能力、功耗與體積都有一定要求。本文根據(jù)某型號機載雷達數(shù)據(jù)記錄儀要求，記錄快速的IQ數(shù)據(jù)和慢速的信號處理后的數(shù)據(jù)，設(shè)計了一款新型數(shù)據(jù)記錄儀，在滿足直流DC28 V供電，功耗小于70 W，重量小于3 kg以及機載工作環(huán)境適應性的前提下，實現(xiàn)了500 MB/s的記錄速度、8 TB的存儲容量的性能指標，同時該設(shè)計采用標準文件系統(tǒng)，能夠方便數(shù)據(jù)導出，便于通用軟件對數(shù)據(jù)的識別和分析。

1 設(shè)備總體設(shè)計

數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)備基于PCIE通信總線，選用NXP的POWERPC處理器作為系統(tǒng)的主控器；選用Xilinx FPGA實現(xiàn)外部所需數(shù)據(jù)的專用總線接口；存儲介質(zhì)選用憶芯科技的NVME SSD。FPGA與NVME SSD的PCIE接口分別與主控的PCIE連接。數(shù)據(jù)由FPGA接收后，由PCIE端口進行傳輸，由主控對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行NVME SSD落盤。

因記錄設(shè)備受用戶結(jié)構(gòu)要求，故采用模塊化設(shè)計。本方案經(jīng)過結(jié)構(gòu)布局等綜合考慮，將設(shè)備分為電源模塊、主控模塊、NVME存儲模塊、FPGA接口模塊以及電子機箱。電源模塊選用9 V～36 V寬輸入范圍的DC-DC模塊，實現(xiàn)DC28 V輸入轉(zhuǎn)換DC12 V，用于主控模塊、NVME存儲模塊、FPGA接口模塊的供電。主控模塊采用XMC形態(tài)，提供2路pcie3.0*4通道，分別實現(xiàn)與FPGA接口模塊的PCIE接口和NVME存儲模塊接口的對接，并提供對外的千兆以太網(wǎng)和萬兆以太網(wǎng)接口。NVME存儲模塊采用XMC模塊形式，提供PCIE3.0*4接口，模塊上集成2個存儲控制器和一個PCIE SWITCH，每個存儲控制器的磁盤容量為4 TB，總?cè)萘繛? TB。FPGA接口模塊，包含2個4路一體的PLCC850 nm光模塊，一個FPGA可編程器件，以及2個XMC安裝位置，用于安裝主控模塊和NVME存儲模塊。

2 軟件功能設(shè)計

2.1 記錄流程

根據(jù)需求，選用的FPGA芯片為xilinx的690T-1761系列芯片，實現(xiàn)對外和對內(nèi)Rapidio，PCIE接口。緩存資源采用內(nèi)部BRAM即可滿足數(shù)據(jù)緩存需求。

雷達的中頻IQ數(shù)據(jù)由串行Rapidio接口NWRITE[2]接入事務(wù)類型。為滿足數(shù)據(jù)流的持續(xù)寫入NVME SSD,數(shù)據(jù)進入FPGA后經(jīng)過內(nèi)部多個512 KB的緩存BRAM存儲，并經(jīng)過SRIO時鐘域到PCIE時鐘域轉(zhuǎn)換，每512 KB發(fā)起一次PCIE DMA[3]操作。根據(jù)數(shù)據(jù)類型帶寬不同，采用4個RAM實現(xiàn)IQ數(shù)據(jù)的流水作業(yè)，數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)采用2個RAM實現(xiàn)流水作業(yè)，IQ數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理后數(shù)據(jù)共6個RAM，采取先滿先傳原則，發(fā)起PCIE DMA操作。其中文件操作接收到PCIE中斷信息，就會從內(nèi)存中搬取數(shù)據(jù)；根據(jù)上位機的配置要求，生成符合用戶需求的記錄文件。生成文件的主要流程，如圖1所示。由于記錄儀設(shè)備本身的磁盤空間是有限的，當記錄數(shù)據(jù)滿了后，提供覆蓋寫和丟棄當前數(shù)據(jù)兩種可選模式。其中記錄流程，如圖2所示。

圖2 記錄流程

2.2 回放流程

回放只針對快速的IQ數(shù)據(jù)進行回放，用于事后的重演分析。可以根據(jù)實際需求，選擇需要回放的文件(支持回放一個或一組文件)；主控模塊讀取存儲模塊中的文件至主控內(nèi)存，并通過PCIE接口進行DMA至FPGA空間。FPGA進行PCIE時鐘域到SRIO時鐘域轉(zhuǎn)換，每次發(fā)起DMA操作時機根據(jù)FPGA內(nèi)部FIFO數(shù)據(jù)剩余數(shù)據(jù)量，保證數(shù)據(jù)流穩(wěn)定。每次DMA操作512 KB，當FPGA回放數(shù)據(jù)不足32 KB時候，重新發(fā)起DMA。受限于用戶信號處理能力，需控制回放速度，回放中，解析數(shù)據(jù)的幀頭，計算回放節(jié)拍，將數(shù)據(jù)從光纖SRIO接口回放，回放流程如圖3所示。

圖3 回放流程

3 關(guān)鍵技術(shù)的工程實現(xiàn)

基于用戶要求，采用的方案滿足指標同時，兼顧數(shù)據(jù)維護和經(jīng)濟性原則。實現(xiàn)高帶寬的記錄需要軟硬件協(xié)同配合，任何節(jié)點的瓶頸都影響設(shè)備的性能。

數(shù)據(jù)用戶接口硬件為2路4通道的光纖接口，光模塊選擇6.25 Gbps速度，協(xié)議采用SRIO2.1，其最大理論通信帶寬為5×4×0.8/8=2 GB/s，因用戶的光纖接口處理器同樣是FPGA，不存在CPU開銷問題，故理論帶寬基本是實際有效帶寬，2 GB/s遠大于500 MB/s的數(shù)據(jù)記錄指標。

FPGA和NVME SSD均與PowerPC通過PCIE3.0×4相連，PCIE3.0采用128B/130B[3]編碼，理論帶寬為4×128/130×8/8=3.94 GB/s，遠大于500 MB/s的數(shù)據(jù)記錄指標。

而經(jīng)硬盤測試工具FIO測試，以512 KB為作為一個塊單位寫硬盤，單個NVME SSD盤的實際速度可達1 500 MB/s以上，即不需要對兩個NVME SSD做任何特殊處理，即可滿足500 MB/s的數(shù)據(jù)記錄指標，數(shù)據(jù)流向，如圖4所示。

從圖4分析，數(shù)據(jù)從SRIO進入，經(jīng)FPGA內(nèi)部緩存，由PCIE端口進入PowerPC處理器。FIFO寫入端時鐘和數(shù)據(jù)為250 MHz×64 bit，讀出端為125 MHz×256 bit，讀出速度為寫入速度2倍。這樣數(shù)據(jù)從FPGA入口到出口，整個數(shù)據(jù)流速率是由低到高，該段數(shù)據(jù)流無瓶頸；而處理器到硬盤速度為1 500 MB/s以上，去掉實際開銷，遠大于500 MB/s數(shù)據(jù)率，因此整個數(shù)據(jù)記錄流程滿足500 MB/s數(shù)據(jù)記錄指標。

圖4 數(shù)據(jù)流向

數(shù)據(jù)進入FPGA后，先經(jīng)FPGA內(nèi)部FIFO進行時鐘域和數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換，將接收到的數(shù)據(jù)從SRIO時鐘域轉(zhuǎn)換為PCIE時鐘域，再分別通過各自的RAM緩存隊列，將數(shù)據(jù)依次通過PCIE的DMA操作搬移至處理器內(nèi)存空間；每搬移512 KB數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA的PCIE向處理器發(fā)送一個中斷，處理器根據(jù)中斷將該512 KB塊數(shù)據(jù)寫入硬盤；NVME SSD多隊列技術(shù)特點，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的存儲處理，將處理器內(nèi)存空間開辟32 MB，共64個512 KB空間，F(xiàn)PGA輪詢向該空間中的64個512 KB塊搬移數(shù)據(jù)，且處理器依次循環(huán)讀取64個512 KB數(shù)據(jù)塊，寫入硬盤。

4 實際測試結(jié)果

實際數(shù)據(jù)傳輸時，因文件系統(tǒng)開銷存在速度抖動，故在操作主控DDR3內(nèi)存以及數(shù)據(jù)寫入SSD時，都需要緩沖數(shù)據(jù)到一定數(shù)量時再一次寫入，以提高總線傳輸效率。同時設(shè)備設(shè)計兼顧在整個系統(tǒng)中的作用，需要配合整個信號處理系統(tǒng)進行記錄回放卸載等功能的聯(lián)試聯(lián)調(diào)，設(shè)備在系統(tǒng)中未發(fā)揮其最優(yōu)性能。

整個設(shè)備測試環(huán)境采用用戶的實際環(huán)境，將設(shè)備上的主備用光纖和用戶的信號處理機相連。設(shè)備的千兆口或萬兆口與控制計算機相連。登錄客戶端軟件，可對記錄設(shè)備進行控制，客戶端軟件可實時顯示磁盤容量、溫度、快慢數(shù)據(jù)通道狀態(tài)，SRIO鏈路等狀態(tài)。整機滿足實現(xiàn)600 MB/s記錄速度，萬兆以太網(wǎng)320 MB/s數(shù)據(jù)下載。整機靜態(tài)功耗和工作功耗如表1所示。

表1 測試表

5 結(jié)語

本文設(shè)計的機載雷達數(shù)據(jù)記錄儀滿足了用戶對記錄速度和記錄容量的要求，利用高性能高速總線接口，降低了設(shè)備功耗、尺寸重量等，同時記錄的數(shù)據(jù)管理采用標準文件系統(tǒng)，便于數(shù)據(jù)的使用。目前完成高低溫、振動、加速度、溫度沖擊等環(huán)境試驗，并交付用戶使用。