嵌入式远程数据采集与传输技术的研究与实现

2013-12-17余松涛

电子科技 2013年5期

余松涛

(中航工业西安航空计算技术研究所 10室，陕西西安 710119)

为适应未来飞机作战需求，研制高度综合化航空电子系统［1］。第三代飞机中的多个子系统，在新一代飞机中被大规模集成为核心处理机(ICP)。原有各子系统内部的传感器和作动器也要进行集成。为防止传感器之间或传感器和作动器之间的互相干扰，要求传感器数字化前移;信息战和提高战斗力等需求，对各种接口的性能又提出了更高的要求。针对这些需求，需要研制先进的嵌入式接口计算机，业界又称为远程数据集中器(RDC)［2］。研究先进的RDC设计综合技术以及传感器接口、作动器接口、航电网络接口技术是提升嵌入式电子设备设计的重要基础。

1 关键技术研究

RDC的主要功能是提供飞机上各传感器/作动器与核心处理机之间的接口，它将传感器信号进行一定的预处理，通过航电总线接口传送给各数据处理系统，同时接收从数据处理系统发送来的控制数据，控制作动器接口工作。这要求RDC有较强的运算能力，丰富的传感器接口和多种航电总线接口。由于RDC的安装位置更靠近传感器和作动器，对功耗、体积和重量有严格的要求。

为防止大功率信号对小信号的干扰，RDC划分为主RDC和从RDC。大功率信号全部集中在大功率控制盒从RDC内。大功率控制盒通过RS232接口接受主RDC计算机的命令。RDC计算机系统结构框图如图1所示。

图1 RDC系统结构框图

通过对飞机上的各种接口信号进行分析，将RDC的外部接口定义为传感器/作动器接口和航电接口。研究涉及的传感器接口包括高速A/D采样接口、小信号采样接口、离散量输入接口和模拟量采样接口。作动器接口包括离散量输出接口、模拟量输出接口、PWM(脉宽调制)信号输出和大功率开关控制。航电接口包括 1553B接口、AS5643接口和 AFDX接口［3－4］。

2 技术实现

由于串行总线具有线数少、传输能力可选的特点，能有效地解决以往并行数据传输带来的连线数多的问题，小型化潜力大，因此主RDC内部模块之间通过串行底板总线交连。采用 PCI－express总线［5－6］作为主RDC计算机内部各模块间的互连总线。数据处理板通过PCI－express交换机制实现和通用I/O接口模块，高速A/D接口模块，小信号接口模块间的互联。通用I/O接口模块上的RS232接口用以向大功率控制盒发送动作命令。

PCI－express交换模块设计为上行1路X4的PCI－express总线接口和下行4路X1的PCI－express总线接口。还提供5路系统差分时钟100 MHz供PCI－express设备使用。上行的X4 PCI－express总线接口连接数据处理板。下行的X1 PCI－express总线接口分别连接高速A/D接口模块、通用I/O接口模块和小信号接口模块。数据处理板的CPU采用Motorola的处理器 MPC8568E［7］，主频 1.3 GHz，支持 X8 PCI －express总线，可配置为Root complex。在实际使用中设置为X4方式。

高速A/D接口模块提供了两通道 ADC，最高1 GHz的采样频率，8位数据精度，每个通道配置64 MB DDR SDRAM用于保存采样数据，1 MB SRAM用于数据缓存。

通用I/O接口模块提供了RS422/232串行数据通讯接口，模拟量和离散量输入/输出接口。小信号接口模块提供了－5～50 mV电压信号采集和223～373μA电流信号采集功能，适用于来自温度和压力传感器的模拟量的数字化。

大功率控制盒提供了PWM(脉宽调制)信号输出，大功率开关控制。它与主RDC间进行通讯，执行主RDC发来的命令并向主RDC报告执行状态。1553B接口，AS5643接口和AFDX接口设计为三种PMC背板，通过PCI总线和数据处理板互联。

为同时支持 PCI［8］和 PCI－express总线，主 RDC采用Vxworks6.8作为操作系统，在此基础上进行应用程序的开发。总线双总线的即插即用功能，可对交换板和接口板的地址空间进行自动配置。

由于RDC接口众多、功能复杂，提供一个功能强大的仿真环境对应用的开发是有益的。在航电总线接口端，研究了Matlab Simulink与航电总线接口之间的互联技术。使用Simulink可以采集航电总线上传的数据并加以解析。反之，Simulink可以通过航电总线发送命令。

3 系统综合

在系统综合开始阶段，数据处理板和 PCI－express交换模块之间的传输一直处于时通时断的状态。后来发现，初始设计中，数据处理板和 PCI－express交换模块之间使用了分布式的Reference Clock设计。根据PCI express规范的描述，Reference Clock信号可以集中产生，也可以分布产生。对于分布产生的Reference Clock信号的要求是100 MHz(±3×10－4)，由于所使用的晶振和时钟产生电路的偏差，PCI－express总线传输不稳定。查出原因后，数据处理板也使用了的交换板提供的100 MHz差分时钟，连续读取交换板ID号半个小时，均正确。穿过交换模块访问接口板也较稳定。

图2 中间层服务软件的基本流程

为仿真RDC连接的核心处理机，在工控机上开发了Simulink［9］和AFDX PC卡之间互通的中间层服务软件。Simulink通过UDP接口［10］将数据发送给服务软件，服务软件调用AFDX驱动将数据通过AFDX网卡转发出去。反方向，AFDX网络接受的数据也通过服务软件转发给Simulink。图2是服务软件的基本流程。服务软件包括两个相对独立的线程，其中一个调用阻塞的AFDX读取API，读出RDC通过航电数据网络交换机发送来的数据，作为客户端通过UDP协议主动发送至Simulink仿真软件进行处理。另一个线程是UDP服务器端，它等待Simulink仿真软件发来的UDP包，调用AFDX发送API将数据通过航电数据网络交换机发送给RDC。

图3 Simulink发送界面

图3是Simulink发送界面的设计实例，运行这个模型可以交互式地将命令发送给RDC，控制模拟量/输出，离散量输出和大功率控制盒的输出。实现了Simulink和RDC间的基本通信能力，结合Simulink本身强大的算法库和固有的信号发生/采集功能，使得通过Simulink进行软硬件综合仿真成为可能。