基于VPX架構的視頻采集設備的設計與實現

范毅　王一兵　袁繼荷

關鍵詞：VPX；視頻采集；運載火箭；瞄準

中圖分類號：V556 文獻標識碼：A

隨著現代微電子技術和微處理技術的不斷進步，采用高性能的FPGA、DSP、GPP等組成的異構多處理器系統作為計算處理單元，并采用先進的標準工業總線作為互連體系結構的設計方案，逐漸成為嵌入式計算平臺硬件體系結構設計的一種趨勢，廣泛應用于軍事、民用中的無線通信、信號處理、網絡交換等領域。

在運載火箭的瞄準過程中，通過操作已知初始方位基準的瞄準設備瞄準箭上目標棱鏡確定運載火箭的初始方位角。在以往的瞄準操作過程中，操作人員需要在發射場坪地面瞄準間操作架設的瞄準設備，利用大地坐標點獲得方位基準，通過旋轉火箭發射平臺帶動慣組棱鏡旋轉，使火箭處于射向平面附近，再通過微動瞄準設備瞄準箭上目標棱鏡確定目標棱鏡初始方位。

傳統的瞄準設備需要人員在發射場值守操作，設備不具備發射階段遠程控制、無人操作的能力。為解決無人值守操作的難題，采取近距離水平瞄準方案，即在火箭臍帶塔上與箭上慣組位置等高位置設置瞄準工位，瞄準設備通過瞄準箭上慣組棱鏡，從而獲得箭上慣組棱鏡初始方位。在前端瞄準工位設置視頻采集設備，在后端指揮大廳設置瞄準控制設備，通過光纖將采集目標視頻傳輸至后端指揮大廳。在火箭加注階段，可以通過在指揮大廳的后端控制設備控制前端瞄準設備完成瞄準操作，滿足了火箭系統無人值守操作的需求。同時，為了響應國家科技裝備自主可控的要求，視頻采集設備采用了全國產化的技術設計，技術方案符合運載火箭系統快速、自主、可靠、安全的發展方向。

1功能與產品架構

視頻采集設備作為運載地面瞄準系統的重要組成部分，是火箭發射控制系統中的分系統節點。視頻采集設備通過VGA接口接收來自CCD攝像頭的目視視場圖像，通過嵌入圖像識別軟件對目標進行特征識別，解算出慣組棱鏡偏離視場中心的極性和偏離大小等。視頻采集設備通過2路LC/PC光纖接口的通信方式接收后端瞄準控制設備的控制命令，隨后向瞄準控制設備發送瞄準視頻圖像、瞄準數據、工作狀態等信息。操作人員在后端操作瞄準控制設備指揮控制前端瞄準設備完成瞄準操作，實現遠控無人值守瞄準。

2技術設計

視頻采集設備采用基于高性能龍芯LS3A3000 CPU+7A1000J橋片架構的標準6U VPX主板，板卡設計滿足VPX設計規范，在有限的空間內提高運行平臺的接口功能，具有良好的兼容性。設備預留具備PCIex4、PCIexl可配置接口的標準3U VPX槽位，通過VPX背板實現高速信號之間的互連和對外接口信號的引出，可靈活配置擴展板卡功能，便于后續功能拓展。視頻采集設備對外提供2路VGA、4路自適應千兆以太網、4路USB2.0、l路調試接口，視頻采集設備安裝中標麒麟操作系統，運行瞄準控制軟件。

2.1硬件設計

視頻采集設備主要由1塊CPU板、1塊SATA擴展板、1塊BUS板和1塊電源模塊板組成。CPU板采用VPX總線結構，電源模塊使用矩形接插件直接對插至BUS板。機箱內預留標準3U VPX接口板槽位。視頻采集設備組成表如下所示。

CPU板采用龍芯LS3A3000處理器+龍芯LS7A1000J橋片架構，龍芯LS3A3000是一個配置為單節點4核的處理器，采用28nm工藝制造，工作主頻為1.2GHz。龍芯公司在設計芯片時，充分考慮了芯片的繼承性和兼容性，后續推出的LS3A5000以及LS3A5000以后的幾代產品，都與LS3A3000引腳Pin-to-Pin兼容，功能兼容，而性能提升，芯片升級以后，可直接在CPU板板卡上焊接新的CPU，無須重新設計。

設備橋片選型為龍芯7A1000，龍芯7A1000橋片是龍芯的第一款專用橋片組產品，用于替代AMDRS780+SB710橋片組，為龍芯處理器提供南北橋功能。橋片通過HT高速總線接口與龍芯3號系列處理器相連，內部集成GPU，Display Controller、DDR3 SDRAM顯存控制器，以及PCIe，SATA，USB、GMAC，I2C，UART、GPIO等接口。

機箱內部為標準的6U VPX計算板卡。龍芯LS3A3000處理器擁有雙通道內存控制器，外部掛載板貼DDR4內存顆粒，實現共16GB的內存；同時支持ECC功能，處理器之間通過HT3.0總線相連，處理器實現對所有資源進行管理；處理器連接橋片LS7A1000J，CPU板通過LS7A1000J中SATA2.0接口外接MUu SATA電子盤，實現1TB容量的存儲；通過國產網絡通信芯片實現4路千兆網的功能；提供4路USB2.0接口功能，經過防護電路后引至后出線；控制接口信號輸入電源系統，用于控制CPU板的開關機；同時引出5V電壓指示燈信號到VPX接插件。

龍芯LS7A1000J橋片中集成了3個獨立的SATA控制器，每個控制器控制1個SATA接口，每個接口最高支持3Gb/s的數據速率，兼容串行ATA2.6規范和AHC1.1規范。在CPU板中，SATAO接口采用國產自主可控MiniSATA電子盤的形式擴展了存儲功能，電子盤與主板之間通過貴航電器的高速、高可靠板間連接器進行連接，確保連接的可靠性。主控采用國產化SATA主控芯片，外掛兩顆紫光DDR3顆粒，布置4顆長江存儲256GBTLC FLASH顆粒，總容量達到1TB，具有高度集成化特點。SATA1接口連接1TB容量的機械硬盤。

CPU板中實現了4路10/100/1000M自適應網絡，通過龍芯7A1000J橋片的PCIe2.0x4接口連接轉換芯片來實現。轉換芯片選用國產網絡通信芯片，通信芯片通過PCIe×4接口轉換為4路千兆網接口，同時該芯片內部包含PHY功能，外部只需連接網絡變壓器即可。4路網絡依據系統需要進行配置。4路網絡可以配置成4路獨立的網絡接口，可以任意兩兩配置成雙冗余網絡接口。當配成雙冗余網絡接口時，網絡冗余切換由底層驅動軟件實現。另外主板后輸出兩路光纖接口，光電轉換器設計在BUS板上。

CPU板上集成FPGA，通過IP核擴展2路RS232接口，晶振選用18.432Mbps，實現最大通信速率1.152Mbps。接口電路通過深圳國威的SM3232擴展在BUS板上。

視頻采集部分設計采取FPGA讀取VGA信號，并通過PCIex4與龍芯LS3A3000通信，實現視頻信號的采集與處理。

電源模塊用于將交流220V轉換成3路輸出，分別為+12V、+5V、+3.3V輸出為各功能板卡提供電源輸入，支持最大500w功率輸出。電源采用模塊化設計，主要由輸入整流濾波電路、主功率模塊、輸出濾波電路、上電控制電路組成。輸入整流濾波電路實現將交流輸入整流為200V電壓，主功率模塊實現將200V電壓轉化為低壓輸出，輸出濾波電路可有效地濾除共模噪聲干擾，降低輸出紋波，通過上電控制電路控制各路輸出上電時序，實現對CPU各功能模塊的保護。電源模塊支持寬電壓輸入范圍，入口帶EMI濾波電路，輸出采取均流設計，支持N+1的冗余設計，具有過壓、過流、過功率保護功能。

背板設計遵循OpenVPX 3U標準，采用多層布線加濾波技術進行設計，共5槽，分別為1個電源模塊板槽位、1個CPU板槽位、1個SATA板槽位、1個擴展板槽位、1個預留槽位。背板選型采用VPX高速連接器，速率最高支持20Gb/s。在背板上設計有焊線區域，將對包括以太網、USB、開關控制等信號從VPX接插件通過撓性印制板與后面板接插件連接，大大減少了機箱內部焊線，提高了生產效率。

2.2軟件設計

視頻采集設備配套軟件由系統軟件、配套驅動軟件和瞄準控制軟件組成，系統軟件包括PMON軟件和操作系統軟件。

PMON系統軟件是通用計算機主板模件配套的專用國產固件，為類BIOS軟件，主要用于設備資源初始化及引導操作系統啟動，以目標碼的形式提供，在機器出廠時，通過編程器寫入FLASH芯片。

實現的功能包括以下方面：

（1）橋片及控制器初始化；

（2） PMON更新功能（支持本地升級，網絡升級）；

（3）多系統啟動菜單加載支持，網絡加載內核支持；

（4） PMON下的調試命令支持；支持快捷鍵進入PMON設置界面。

除以上通用功能外，還針對模塊進行專用PMON軟件配置，將PMON階段需要初始化的外圍設備，準確地反映在配置選項中，刪除冗余選項。

操作系統軟件集成內核源碼樹，支持在國產化體系架構下的驅動軟件及應用軟件開發。主要提供中標麒麟Lmux操作系統和硬件之間的接口，初始化CPU、板載網絡、電子盤、USB等接口，加載文件系統根目錄引導進入操作系統。

配套驅動為通用計算機配套底層驅動，主要為網絡驅動和RS232接口驅動程序。

驅動配套軟件實現基本的任務管理／存儲管理／通用文件管理／設備管理／網絡管理等功能、支持多核多處理器間的運行效率均衡（ SMP）、支持國產處理器配套橋片及各類接口初始化、支持2D/3D圖形加速、支持模塊配套的USB2.0、KVM、SSD等接口或設備、提供圖形控件、支持多字符集等需求。

瞄準控制軟件控制瞄準工作流程，指揮前端瞄準設備跟蹤棱鏡運動，接受來自CCD攝像頭的目視視場圖像，并對目標進行特征識別，解算出慣組棱鏡偏離視場中心的極性和偏離大小。視頻流通過網絡接口進入視頻采集設備后，被接收下來存儲在機械硬盤上，同時按照UVC1.1的協議進行視頻協議解碼，解碼后通過VGA接口嵌入顯示到本地顯示屏的應用程序內，并通過另一路VGA口顯示到另一臺顯示器上。

2.3結構設計

視頻采集設備采用VPX架構，其中CPU板采用雙龍芯LS3A3000處理器，與顯卡板通過VPX背板使用PCIex8進行互聯。CPU板的2路VGA信號輸出機箱后面板。CPU板的網絡信號、USB信號、串口調試信號均通過背板延伸出的撓型印制板直接連至后面板接插件，其余信號使用焊線連至后面板接插件及前面板指示燈。機箱前面板提供電源開關（帶鎖帶燈）、復位按鍵、狀態燈和告警燈；機箱下方帶抽拉式鍵盤。

機箱材料采用鋁合金，整體導電氧化處理，提高導電率。分析視頻采集設備系統的性能指標和應用環境，并進行優化設計，視頻采集設備設計采用VPX架構，機箱采用前插板式全封閉一體化結構，機箱高度為2U，符合通用標準19英寸機柜的上架要求，全密封鋁合金拼接結構形式，采用成熟的加固設計和電磁屏蔽設計技術，內部采用導電氧化處理，電磁屏蔽性能良好，抗振性能良好。

機箱散熱方式為導冷方式，上、下蓋板整板采用均熱板，極大地增強了整機的散熱能力，滿足散熱設計要求；同時采用全密封設計，能夠滿足系統電磁兼容性要求；計算機采用無風扇設計，產品工作時無噪聲，滿足對產品低噪聲的要求。

為了保證接縫處接觸良好，實現金屬間的接觸，不同的結構件的連接結構為鑲入式，結合處裝導電密封圈，保證鍍層導電及機箱導電性能的連續性，能有效地防止電磁泄漏。

結語

無人值守發射是航天發射技術發展的必然趨勢，基于VPX構型的視頻采集設備具有設備組成簡單、自動化程度高、操作流程簡化的特點。通過模塊化設計可以實現瞄準設備的替代升級，從硬件到軟件均采用全國產化的技術設計，順應了國家科技裝備自主可控的要求，滿足我國航天發射任務的應用需求，為我國航天事業發展提供有力支撐，在未來運載火箭上有廣闊的應用前景。

作者簡介：范毅（1978—），男，漢族，北京人，碩士，高級工程師，研究方向：光電與精密儀器設計；王一兵（1965—），男，漢族，北京人，大專，工程師，研究方向：電子測量技術；袁繼荷（1991—），男，漢族，北京人，本科，工程師，研究方向：機電精密儀器設計。