多机数据记录回放系统的研究与设计

杨蓓蓓

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

多机数据记录回放系统的研究与设计

杨蓓蓓

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：提出了一种多机数据记录回放系统的解决方案。详细介绍了软硬件设计的具体流程和方法。采用模块化设计的思想,实现了多机、高速、大容量连续数据记录回放系统。利用同步分机完成多机之间的协同记录与回放。

关键词:记录回放;高速;同步分机

0引言

近年来,国内雷达技术取得了长足的发展。新体制雷达普遍采用多波束处理方式,工作模式多样,处理算法复杂,其研制过程中的算法开发、评估、验证、调试、测试、排故等都必须依赖目标的回波数据。现代雷达[1]具有多功能、多目标、远距离、高数据率、高可靠性及自适应能力强等优点[2],普遍采用高分辨体制或阵列体制,信号带宽大,接收通道多,导致基带数据带宽很大,要求记录设备必须具有足够的记录带宽。同时,雷达系统的研制成本很高,大型试验需要多个部门协调,试验数据极为珍贵,要求记录设备必须具有高可靠性。本文提出的多机数据记录回放系统可以满足当前雷达研制高记录带宽、高可靠性和实时监控等需求,适用于雷达设备研制过程中的信号处理与数据处理传输功能的验证、系统纠错、故障复现、系统算法和架构评估等工作。

1系统设计

1.1系统组成

多机数据记录回放系统由多台高速记录回放设备、1台以太网交换机、1台同步分机和2台转存服务器组成。为了实现高速数据转存功能,使用光纤将转存服务器与多台高速记录回放设备连接。系统架构如图1所示。

单台高速记录回放设备最多支持4路光纤数据同时工作,数据传输率支持1.5、2和6.5 Gbps等多种常用数据传输率。通过同步分机可以实现多台高速记录回放设备同时工作,最大支持4*N(N指高速记录回放设备的数量)路光纤同时记录回放。

高速记录回放设备、同步分机、转存服务器、数据分析服务器全部通过网线接入以太网交换机。高速记录回放设备用于实现数据的采集和回放,通过高速PCIE转接卡与转存服务器连接,完成数据的转存功能。通过以太网完成各个设备之间的数据交互。同步分机的外触发信号接口用于连接外部同步脉冲或采集触发信号,触发信号配合以太网的同步命令,完成各个高速记录回放设备的状态同步。转存服务器通过控制软件实现数据向磁盘阵的转存,以及磁盘阵存档数据向高速记录回放设备回读。数据分析服务器通过以太网控制单台或多台高速记录回放设备工作。

图1　系统架构示意图

为了方便设备在外场调试时使用,所有设备可以全部安装在机柜中，如图2所示。

图2　系统机柜安装示意图

1.2工作原理

高速记录回放设备设计了外同步触发和数据同步触发两种同步采集方式。其中,外同步触发的方式由用户提供同步信号,当设备检测到同步信号的上升沿后开始进行数据记录;数据同步触发的方式由系统从光纤通道中提取帧头信息,经过同步分机后作为系统的同步触发。外同步触发模式工作过程比较简单。设备检测到用户发送的同步信号上升沿后就开始记录各路光纤通道的数据,在此之前的数据不做任何记录，如图3所示。

图3　外同步触发方式

如果用户不提供同步触发,要达到同步采集的效果就必须采用数据同步触发的工作方式(如图4所示)。指定某路光纤通道作为参考通道,通过提取参考通道的帧头位置信息上报给同步分机,同步分机通过运算产生合适的同步信号发送给高速记录回放设备,当检测到同步脉冲上升沿后开始记录数据。

图4　数据同步触发方式

多机数据记录回放系统工作时(如图5所示),同步分机向每台高速记录回放设备发送精确的同步信号。外触发信号接口用于连接外部脉冲或采集触发信号,同步分机同时将外触发信号输出,可以连接到任意一台记录回放设备,以记录触发状态。同步分机的输出信号为定时触发信号和定时参考信号,其中定时触发信号配合以太网的同步命令,完成各个记录回放设备的状态同步。定时参考信号为各台记录回放设备提供统一的系统定时基准。

主设备通过以太网交换机检测到所有设备准备就绪后,整个系统先进行状态同步。状态同步完成后,同步分机依据触发条件检测外触发信号,满足采集要求后向所有的设备发送使能信号。记录回放设备同时进入采集模式,达到多通道光纤同步工作的目的。

在多机同步工作方式下,所有记录回放设备的光纤链路参考时钟都设置为外参考,统一由同步分机提供。同步分机可以自己产生参考时钟也可以将外时钟锁相倍频后作为参考时钟,从而保证各个分机光纤链路同步工作。数据采集完成后可以通过选择不同高速[3-4]光纤通道将数据转存至服务器。单台服务器转存带宽优于750 MB/s,两台服务器同时工作时转存带宽优于1 500 MB/s,转存总容量可以达到100 T。

图5　光纤同步示意图

1.3软件设计

多机数据记录回放系统的控制软件主要用于完成高速数据的记录和回放,实现数据实时波形查看和分析,对记录的文件进行管理等(见图6)。

图6　软件设计架构示意图

(1) 系统自检对系统模块和同步分机进行自检,如有故障则进行相应的提示;

(2) 实时监控实时查看光纤数据波形和信号处理结果波形;

(3) 协同记录控制多台高速记录回放设备进行数据的记录;

(4) 协同回放控制多台高速记录回放设备进行数据的回放;

(5) 协同转存控制多台高速记录回放设备进行数据的转存;

(4) 文件管理对记录的文件进行排序、分组、修改和删除等操作和管理[5];

(5) 网路通信提供与网络通信相关的所有功能。

各个功能模块分别封装为独立的功能动态库,界面软件运行时动态加载动态库,并使用动态模块中提供的功能接口、实现记录、回放和转存等功能。动态库接口的调用采用C++类的方式进行设计和编码,使用时仅需使用类中提供的方法即可。

多机协同工作时,同步分机连接到千兆以太网交换机上。服务器对同步分机的控制使用UDP方式进行,即通过UDP命令包发送的方式实现记录和回放设置功能。首先进行同步分机扫描,接着读取同步分机的版本和时钟,最后根据实际设置进行记录和回放的配置,通过调用封装到类中的方法即可实现记录回放等功能。

系统采用模块化设计和标准总线架构,扩展性强,可以实现高、低数据率的模拟信号及光纤信号的采集。单台高速记录回放设备采用4通道150 Msps的高速采集卡、8通道3.125 Gbps的光纤采集卡。采用高速串行互连技术、大容量固态磁盘阵技术,提高了设备的转存速率。PCIE转接卡与高性能计算机模块连接,通过PCIE高速串行接口将数据发送至计算机模块,再通过计算机模块的SATA接口将数据存储至4块3.5存固态硬盘中,同时将4块固态硬盘组合为Raid0阵列,极大地提高了硬盘的存储速度,实现了超高速的数据存储技术。

2性能测试

为了测试本系统对数据连续记录的性能,将1根MPO-12LC光纤跳线的MPO端连接到光纤测试卡的12通道输出光纤模块。将12根LC光纤接口连接到对应的光纤接口上,每个测试项记录数据时间为30 min,考察不同数据传输率条件下系统记录回放的性能。测试结果如表1所示。

表1　系统连续记录性能测试

数据率单位为Gbps,记录时间单位为min,测试数据为0～(232-1)的64位有符号递增整数,每帧数据大小为4 MB。由表1结果可以看出,数据采集过程中,单台高速记录回放设备数据传输率低于6 Gbps时系统稳定性很高,基本不会出现数据溢出错误,而数据传输率高于6 Gbps时偶尔会出现数据溢出的情况。

以2 Gbps数据率为例,需要3台高速记录回放设备同时完成采集工作,每台设备连接4路光纤通道。图7是系统工作时实时监控的画面,左边是原始数据,右边是作了FFT处理后的结果。利用实时监控功能可以发现数据是否出现异常,并能快速定位数据出现异常的时刻。通过多机数据记录回放设备记录的数据可以使故障复现,对高效地改善被测设备功能起到很大的作用。

图7　实时监控界面

通过实际测试的结果,验证了多机数据记录回放系统可以满足大规模、多通道、高速数据传输率数据的连续记录和回放,转存速率满足实际使用。

3结束语

本文详细描述了多机数据记录回放系统的系统组成、软件设计和工作原理,并对其进行了性能测试,测试结果表明该系统具备多机多路光纤通道数据协同记录和回放功能,且具有较高的记录带宽和可靠性。目前,该系统已应用于多种型号雷达,为雷达信号处理、目标检测、跟踪与识别等算法的验证提供了数据支持和验证方法。

参考文献:

[1]张乐峰,徐安林,胡卫东.一种通用的雷达回波记录系统设计方法[J].数据采集与处理,2009(24):272-276.

[2]胡善清,刘峰,龙腾.相控阵雷达光纤传输系统的设计与实现[J].光通信技术,2006(5):27-30.

[3]王超,刘伟.基于文件系统的高速数据记录系统[J].北京理工大学学报,2010,30(5):543-547.

[4]张昆帆.高速数据采集和存储[J].现代雷达,2004,26(4):14-16.

[5]Ramakrishnan R.Database management systems[M].2nd ed.北京:机械工业出版社,2000:20-22.

Research and design of a multi-machine data record and replay system

YANG Bei-bei

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

Abstract:A solution of the multi-machine data record and replay system is proposed. The specific procedures and methods of designing the software and hardware are introduced in detail. With modularized design, the multi-machine, high-speed and large-capacity continuous data record and replay system is realized. The multi-machine cooperative record and replay are accomplished via the synchronous unit.

Keywords:record and replay; high speed; synchronous unit

收稿日期：2016-01-08；修回日期：2016-01-28

作者简介:杨蓓蓓(1982-)，女，工程师，硕士，研究方向：雷达总体技术。

中图分类号:TN957.52

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)02-0019-03