一種基于VPX架構的雷達數據記錄接口刀片設計

孫宜斌,王其斌,潘 望,杜劍波

(南京萊斯電子設備有限公司,江蘇 南京 210007)

0 引言

近年來,由于無人機、隱身戰斗機技術的高速發展,國際局勢及空中作戰方式發生了翻天覆地的變化,傳統的地面雷達裝備及對空作戰思想已經很難適應現如今的復雜空情環境。如何在無人機、隱身飛機越來越多地參與空中作戰的情況下,保證自身的主動性,已經成為現代戰爭的重中之重。由于無人機、隱身飛機的雷達反射面積小,容易被雷達錄取終端當作干擾濾除,或者在雷達屏幕稍縱即逝,僅憑地面操作員肉眼很難完全抓住重要空情,但是雷達原始視頻信息對于事后重演或分析無人機、隱身飛機的雷達反射特性有著重要參考價值,因此雷達原始視頻的可靠穩定記錄存儲有著重要意義[1]。

雷達原始視頻等數據的穩定可靠存儲,要求系統具有高速數據吞吐能力及總線帶寬。記錄接口刀片采用滿足VITA46標準的OPEN VPX架構。VPX架構是VITA組織于 2007 年提出的新一代高速串行總線標準,該標準引入了PCIe、SRIO、40 G以太網等目前主流的高速串行通信接口[2],使得該架構技能兼顧傳統VME標準在機械強度及散熱方面的優勢,又能具備高速數據吞吐能力及標準化、通用化、模塊化等優勢[3-4]。

1 系統工作原理

記錄接口刀片作用于符合VPX軍用處理規范標準的雷達錄取終端中,與其他功能刀片采用全交換網緊密結合的軟硬件協同處理與傳輸方式[5]。對上承接雷達前端信號處理通過40 G以太網絡發送的雷達原始視頻信息、錄取終端中數據處理刀片經kM以太網發送的凝聚后的雷達點航跡數據以及顯示控制刀片經kM以太網發送的雷達控制指令等狀態信息;對下將接收到的前端數據進行重新編解碼,轉換成高可靠、低延時的SRIO(Serial Rapid IO)高速接口形式,通過光纖介質將接收到的數據發送至雷達數據記錄儀。在整個雷達系統中,充當雷達錄取終端與數據記錄儀的高速通信橋梁,扮演承上啟下的關鍵角色。記錄接口刀片邏輯原理如圖1所示。

圖1 記錄接口刀片邏輯原理

2 系統整體拓撲及主要性能

記錄接口刀片系統拓撲如圖2所示。CPU采用天津飛騰公司最新的桌面8核處理器騰銳D2000,最高主頻可達2.3 GHz;系統內存采用國產紫光DDR4表貼顆粒,整機內存容量8 GB;顯示部分采用國產化自主可控的JH920系列XMC顯示模塊,顯存容量8 GB,運算能力可達1.2 T FLOPS;本地存儲采用國產鴻秦表貼SSD顆粒,容量128 GB;整板功耗不高于80 W。

圖2 記錄接口刀片系統拓撲

3 主要功能硬件設計

3.1 內存設計

飛騰D2000處理器支持DDR3、DDRL、DDR4協議,支持兩個DDR訪問通道,每個通道包含64個數據位和8個ECC校驗位。記錄接口刀片采用16片紫光DDR4顆粒SCB12Q4G800AF,單顆粒容量4 GB、X8位寬,實現8 GB內存容量。

3.2 SRIO電路設計

SRIO接口是一種前沿的高可靠、低延時的高速通信接口,廣泛應用于地面雷達、航空、航天等領域[6]。記錄接口刀片采用SRIO接口作為與雷達數據記錄儀的數據交互通道,能確保數據傳輸的穩定性。SRIO接口電路采用IDT公司的Tsi721實現。Tsi721上行為PCIe 2.0×4,下行為×4的SRIO高速接口,速率支持5 Gbps、2.5 Gbps可配置。記錄接口刀片采用兩片Tsi721芯片,上行通過PCIe Switch芯片PEX8748掛載在飛騰D2000 PCIe接口;下行通過光電轉換模塊再經光纖與雷達記錄儀繼續數據交互。SRIO接口電路原理如圖3所示。

圖3 SRIO電路原理

3.3 40 G以太網電路設計

40 G以太網用于接收雷達前端原始視頻數據,記錄接口刀片CPU原生一組PCIe×8通過PCIe轉40 G以太網芯片XL710,擴展出2路40 G以太網,總線協議標準為40 GBASE-KR4,傳輸速率峰值為40 Gbps錄取終端內部通過40 G網絡交換刀片與雷達前端信號處理互聯。40 G以太網電路原理如圖4所示。

3.4 千兆以太網電路設計

記錄接口刀片包含4個kM網卡,其中兩路與雷達錄取終端網絡交換刀片互聯,用于接收數據處理刀片發送的凝聚后點航跡數據以及顯示控制刀片發送的雷達控制等指令信息,另外兩路kM以太網對外與雷達通用記錄儀互聯,用于將通過網絡交換刀片接收到的數據重新編解碼后轉送給雷達數據記錄儀進行存儲。實現方式采用PCIe轉kM以太網控制芯片NHI350AM4,該芯片上行為PCIe 2.0×4接口,掛載在飛騰D2000的原生PCIe接口,下行輸出4路Serdes接口形式的kM以太網。kM以太網電路原理如圖5所示。

3.5 本地存儲電路設計

本地存儲由飛騰D2000原生的一路PCIe×1,通過PCIe轉SATA控制芯片88SE9215,擴展出4路SATA接口。4路SATA接口的其中兩路引到VPX連接器上;另外兩路中的一路接板載mSATA接口用以擴展存儲容量,另一路接國產鴻秦表貼128GB SSD顆粒,用于本地存儲。

3.6 實物展示介紹

本文設計的記錄接口刀片實物如圖6所示,已經批量生產應用于某地面雷達站點。記錄接口刀片前面板主要包括系統狀態指示燈、調試串口接口、USB3.0接口、調試kM網以及VGA輸出接口。整體采用冷板強制風冷的散熱方式。經過72 h連續運行實驗,證明了該散熱方式的可行性及系統的穩定性。

圖6 記錄接口刀片實物

4 軟件設計

基于飛騰D2000平臺的記錄接口刀片操作系統采用銀河麒麟V4.0.2版本,軟件主要包括設備驅動、上電時序控制及雷達數據處理軟件。Tsi721、XL710在飛騰平臺下采用Linux版通用驅動,上電時序采用CPLD控制各模塊電源的使能和停止,上電時序控制流程如圖7所示。

圖7 上電時序流程

雷達數據處理軟件實現從40 G以太網接收到的雷達原始視頻等數據進行重新編碼處理后通過SRIO接口發送至雷達數據記錄儀。SRIO共有3種事務類型,本設計采用適合大數據傳輸的SWRITE模式,相比于NWRITE及NWRITE_R事務類型,SWRITE事務在包載荷上更加簡潔,開銷更小,效率更高[7]。數據處理軟件發送數據流程如圖8所示。

圖8 發送數據流程

5 結語

本文設計了一種基于標準VPX架構的雷達數據記錄接口刀片,采用了最新國產飛騰D2000桌面處理器,對外數據交互包括SRIO、40 G以太網等高速接口及kM以太網等通用接口,實現了雷達錄取終端與數據記錄儀之間數據的高速、穩定且可靠交互的預期目標,對于重要空情的事后重演及無人機、隱身飛機的雷達反射特性研究分析有重要意義,同時,CPU等核心器件的國產化對地面雷達終端的自主可控有重要意義。