基于VPX的6U信号处理系统设计

2014-03-22苟欢敏

电子与封装 2014年11期

关键词：背板板卡机箱

苟欢敏，薛培，杨芳

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

基于VPX的6U信号处理系统设计

苟欢敏，薛培，杨芳

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

VPX总线标准具有带宽高、实时性强、拓扑结构灵活、通用性强、抗恶劣环境能力强等优点，代表着新一代军用综合信息处理平台系统的发展方向[1]。设计一种基于VPX标准的6U信号处理系统，该系统提供了高带宽，支持串行Rapid IO以及PCIE等高速数据传输，为数据的高速交换提供了可能，满足了现代雷达、图像等信号处理系统对带宽和数据处理能力的要求。

信号处理；VPX；串行Rapid IO；PCIE

1 引言

随着信息技术的发展，对于信号处理系统处理器的处理能力、系统数据带宽、系统可重构能力提出了更高要求[1]，尤其在蓬勃发展的电信、航天和航空领域。传统的总线结构已不适应当前系统的要求[2]。基于VPX标准的信号处理平台具备强大的信号处理、数据处理能力，以及I/O能力和高性能网络交换能力。正因如此，VPX标准代表了新一代综合信息处理平台系统的发展趋势和方向[3]。

2 VPX总线介绍

高速串行VITA46总线标准，相对于VME总线架构而言，具有更大的数据吞吐能力和交换能力、更好的散热性能和更高功率的插槽，充分满足了信号处理系统对带宽和运算处理能力的要求。VPX标准全部采用高速高密度接插件，串行可达10 Gbps，大幅度提高了系统带宽及系统设计的灵活性，支持高速串行Rapid IO、PCIE通信协议等，定义了交换槽，支持集中式及分布式等交换方式[4]。VPX总线标准具有以下突出优点和先进性：

（1）具备强大的I/O能力和高性能网络交换能力来支持更高的背板带宽，为信号处理提供了足够的带宽和处理能力。VPX标准可全面支持当前的高速串行互联标准，这些标准包括SRIO、PCIE、Rocket IO、G bit Ethernet等，同时大大增加了用户可定义的I/O针数，为未来的升级扩展提供了充分的空间。（2）VPX标准对VPX板卡的外形尺寸、背板的拓扑结构、支持各种串行标准协议时的电源插座等都作了详细的定义，这为信号处理平台的通用化打下坚实基础。（3）VPX标准专门针对关键高性能系统制定，其优秀的散热性能和高可靠的连接器带给系统超强的稳定性，同时具有结构坚固紧凑、磁兼容性好、强化电路板和超大功率设计等特点[3]。

3 信号处理系统设计

本文在VPX总线标准体系下，构建了一种新型的高性能处理系统，系统采用多块板卡并行处理、以完成实时处理任务，各板卡通过VPX背板实现内部数据交互。整个系统采用全网络结构，通过SRIO、PCIE、Rocket IO、CAN、RS-422、LVDS和GPIO等接口进行内部数据连通，既能保证高的传输带宽，又具有高的可靠性[5]。整个系统组成包括VPX机箱、接口板、信号处理板和CPU板。VPX机箱采用5U加固式机箱，电源采用双冗余电源设计，VPX板卡通过带定位销、导轨安装。所有板卡安装在VPX机箱内部[4]。系统处理流程为：数据输入到接口板，然后接口板将处理后的数据传送到多块信号处理板，信号处理板再将处理后的数据传送给接口板输出。

3.1整体方案

信号处理系统采用1块接口板+3块信号处理板+1块CPU板的结构进行设计。各板卡之间采用6U 5槽VPX背板进行连接。接口板负责完成对外对内的信息传输和指令交互，3块信号处理板主要完成相应的信号处理，接口板和信号处理板间通过SRIO网络进行图像的广播式传输和指令信息的点对点交互，CPU板实现对信号处理板上DSP的程序加载及监控，信号处理系统连接架构如图1所示。

3.2接口板设计

接口板主要实现对外、对内的接口通信功能，将接收到的信息发送给信号处理板进行处理。接口板以两块FPGA为核心，通过FPGA完成对控制命令的解析分发和信号数据流的传递，板内还需要DDR存储器完成信息存储操作，以实现对数据的缓存处理。接口板结构框图如图2所示。

图1 信号处理系统连接架构框图

3.3信号处理板

信号处理板是信号处理的核心组件，实现3块信号处理板进行相应的信号处理。信号处理板采用4 DSP+2 FPGA架构，FPGA与DSP间通过SRIO 交换芯片连接，并与背板的SRIO信号相连，形成可以数据交互的SRIO网络，方便数据传输。信号处理板结构如图3所示。

3.4 CPU板

CPU板是系统调试的重要手段。CPU板通过PCIE网络可以实现对信号处理板卡上DSP程序加载、读写内存等调试操作，每个信号处理板上的DSP也可以通过PCIE网络将处理结果上传到CPU板进行结果显示，方便系统调试。CPU板结构图如图4所示。

3.5内部接口设计

内部接口是通过各板卡底板接插件和VPX背板实现内部数据交互，主要包括SRIO网络、PCIE网络、Rocket IO接口、CAN接口、RS-422接口、LVDS接口和GPIO接口进行内部数据连通。背板信号连接关系如图5所示。

SRIO网络是信号处理系统内部数据交换的核心，通过利用SRIO 交换芯片与VPX背板设计SRIO的全网络结构来实现接口板上的FPGA与信号处理板的FPGA、DSP间的数据交互。

通过进行相应的芯片配置，保证SRIO网络传输速率2.5 Gbps，内部SRIO网络连接如图6所示。

图2 接口板结构框图

图3 信号处理板结构框图

3.6机箱背板设计

机箱是整个信号处理系统的安装平台，应该严格保证系统的结构坚固、工作稳定、散热充分等要求。该系统由5U 标准19”VPX机箱、6U 5槽定制VPX背板、定制模块电源组成，并采用高性能风导冷散热设计，满足高性能应用需求。

图4 CPU板结构框图

图5 VPX背板连接框图

图6 内部SRIO网络连接示意图

3.6.1 机箱设计

机箱采用高强度铝镁合金型材，机箱内安装定制VPX背板，支持5块标准6U VPX板卡，由机箱前部水平插拔；机箱内部的导冷卡架，用于安装导冷板卡和散热。机箱电源采用定制模块电源，支持18~36 V宽电源输入，工作稳定、可靠。电源供电方式采用螺柱接线形式，满足冲击、振动等恶劣环境要求。

3.6.2 背板设计

背板遵循VITA46，支持6U欧洲标准卡，在机箱内水平安装，采用水平插卡方式；支持Serial Rapid IO、PCI Express等高速串行协议；背板支持的速率为2.5 Gbps。背板布局示意图如图8所示。

图7 机箱结构示意图

图8 背板布局示意图

4 系统验证

本文所设计的信号处理系统最终实物如图9，主要完成显控系统和光电前端间的指令分发与图像传输，并对图像信息进行实时处理，同时本信号处理系统需要具备灵活性、可拓展性、易实施性、体积小、质量轻、功耗低等特点。

图9 信号处理系统实物图

4.1 SRIO网络测试

系统内Rapid IO的互连关系如图10所示。系统中有3片交换芯片互联，通过对交换芯片不同类型ID分配来实现不同的数据流功能。通过测试，配置不同数据流模式，实现了接口板FPGA向3个DSP板的12片6455和6片FPGA广播发送同样的数据；系统内1片接口板FPGA、12片6455和6片FPGA不定时的点对点互相发送数据；接口板FPGA向其中1片DSP0发送数据，DSP0预处理后，广播发送到其他11片DSP和6片FPGA；可见接口板和信号处理板间通过SRIO网络可以可靠地进行图像的广播式传输和指令信息的点对点交互。

4.2 PCIE网络测试

信号处理板通过CPU板采用PCIE总线进行调试，其中通过上位机软件可以进行信号处理板卡的DSP程序加载、复位，信号处理板读写DSP内存功能，信号处理板内存数据图像化显示。使用上位机软件对信号处理板卡进行测试的示意图如图11所示。

图10 Rapid IO的互连关系图

图11 上位机软件测试示意图

服务器端界面如图12所示。

客户端界面如图13所示。

图12 服务器端界面

上位机软件的测试过程如下：

（1）服务器端开启服务，查看开启日志判断是否开启成功；（2）客户端与服务器端通过IP地址建立连接；（3）客户端扫描系统中的板卡个数、每个板卡的DSP个数，建立设备列表。

通过设备列表对DSP程序进行加载、服务、读写DSP内存等操作，可见通过PCIE网络，CPU板可以实现多信号处理板卡之间的数据传输。

5 结束语

本信号处理系统平台完成高速信号进行实时处理，采用Rapid IO以及PCIE等高速数据传输，使得板卡间的数据得以大量传输，系统设计需要具备灵活性、可拓展性、易实施性、体积小、质量轻、低功耗等特点[8]。本系统平台已经在某项目的信号处理系统中得到了很好的应用。

图13 客户端界面

[1] 翟彦彬，蒋志焱，张保宁. 大规模Rapid IO协议交换的FPGA实现[J]. 现代雷达，2011, l2（12）.

[2] 郑东卫，陈矛，罗丁利. VPX总线的技术规范及应用[J]. 火控雷达技术，2009, l2（4）.

[3] 蒋迺倜，张玉喜，任延平，潘瑞云. 基于VPX标准的主动雷达信号处理系统设计[J]. 雷达与对抗，2012, 6（2）.

[4] 李宾，马晓川，鄢社锋，杨力. 基于VPX标准的Rapid IO交换和Flash存储模块设计[J]. 声学技术，2011, 12（6）.

[5] 池凌鸿，史鸿声. OpenVPX总线及其在雷达信息处理的应用[J]. 雷达科学与技术，2013, 8（4）.

[6] 吴静，王洪，汪学刚. 基于VPX6-460的多处理器通信设计[J]. 电子技术应用，2013, 39（11）.

[7] 王学宝. 基于VPX标准的PMC/XMC载板设计[J]. 计算机测量与控制，2010, 18（8）.

[8] 李宏，史鸿声. 基于VPX的3U信号处理平台的设计[J]. 中国科技信息，2012, 12（12）.

A Design of 6U Signal Processing System Base on VPX

GOU Huanmin, XUE Pei, YANG Fang
（China Electronics Technology Group Corporation No.58Research Institute,Wuxi214035,China）

VPX bus with high bandwidth, good real-time performance, fl exible topology structure, strong generality, and hush environment resistance is introduced. It is becoming the development direction of a new generation of the military comprehensive signal processing system. A design of 6U signal processing system base on VPX, provide high bandwidth, support serial Rapid IO and PCIE. It makes high speed data exchanging impossible.

signal process; VPX; serial Rapid IO; PCIE