基于VPX总线的高速注入式导引头图像模拟器设计方法

张 维

北京航天自动控制研究所，北京100854



基于VPX总线的高速注入式导引头图像模拟器设计方法

张 维

北京航天自动控制研究所，北京100854

介绍了一种新型的高速注入式图像模拟器。该模拟器以VPX总线高性能计算平台为基础，突破了VPX架构总体设计、高速串行总线传输、串/并行总线接口转换以及VPX和PCI设备兼容等关键技术，通过综合运用高速串行总线、并行总线DMA传输和乒乓控制设计技术，实现了在预定周期内大批量数据的生成和高速注入传输，为未来VPX技术在仿真领域的深入研究和应用打下了技术基础。

VPX总线；图像模拟器；注入式；LVDS接口；乒乓控制

注入式方案已广泛应用于多模复合制导飞行系统的半实物仿真验证中，它采用导引头图像模拟器代替真实导引头，在仿真飞行试验过程中为弹上计算机实时注入图像数据，使弹上计算机可完成信息融合和制导计算。该方案的优点在于制导仿真不再依赖于导引头子系统的工作状态，可集中于制导设计和方法的考核与验证，节约了试验成本。

随着制导技术的发展，导引头图像模拟器面临两方面的挑战： 1)提高制导系统精度使图像数据规模急剧增加，要求模拟器具备对大批量数据高速处理和注入的能力； 2)开展仿真任务的工作环境更加多样，要求模拟器具有更加紧凑的结构和更强的环境适应性。

目前，仿真试验中的计算平台主要是以CPCI和VME为代表的并行总线架构， VPX作为新一代串行总线架构已逐步在航天军工领域得到应用。本文介绍了一种应用于红外成像寻的制导系统仿真试验中的高速注入式图像模拟器的研制情况，包括系统组成、设计方法和应用情况。

1 系统组成

1.1 VPX总线架构的优点

在图像模拟器中采用VPX总线架构的优点是：

1) VPX总线采用高速串行总线互联技术，以PCIe总线为例，每个串行通路的带宽可达500MB/s[1]，远高于其它总线。不但可提高现有模拟器的数据传输和处理能力，还可满足未来一段时期内处理器和外围设备的数据吞吐需求；

2) VPX标准支持多种总线拓扑结构，既可按传统的主从式方式工作，也可实现多处理器并行工作，使图像模拟器具有处理更高分辨率图像的提升空间；

3) VPX可以全面兼容VME/CPCI等标准的软、硬件设计，支持串行和并行规范的混合工作，具有良好的继承性和兼容性，可降低设计风险，提高设计效率；

4) VPX机箱结构比VME/CPCI更加坚固，支持多种散热模式。内部选用高可靠的RT2型板卡连接器并增加了ESD保护功能，能满足复杂试验环境下工作的可靠性。

1.2 图像模拟器与弹上计算机的接口关系

图像模拟器采用VPX总线实现主处理模件与LVDS接口模件的信息传输，并把生成的导引头实时图像在规定时刻发送给弹上计算机，图像模拟器与弹上计算机的接口关系如图1所示。

图1 图像模拟器与弹上计算机的接口关系

1.3 图像模拟器总体结构及功能

图像模拟器采用VPX标准机箱为结构主体，机箱内部安装一块背板，背板槽上插装VPX主处理模件和LVDS接口模件。

各部分主要完成的功能为：

1) VPX机箱采用大地信合公司的SIV-0505A1型5U高VPX系统平台，提供整机框架；

2) VPX背板为6U尺寸，提供模件工作电源和符合VPX规范的数据连接通路。背板上带有 5个模件插槽，槽位间采用全网络结构,任意2个插槽间都采用PCIe串行总线传输数据，每个PCIe通路一个方向理论上数据传输率最高可达250MB/s；

3) VPX主处理模件选用英国CCT公司的VR737/08x型处理器板，采用 Intel Core i7处理器，主频为2.0GHz；板载4G DDR3-1066 ECC内存；支持4×8或8×4PCIe总线接口。主处理器模件运行图像生成模拟软件，生成实时图像数据，每帧图像像素为640×512，每个像素的数据精度为16位；

4) LVDS接口模件接收实时图数据，按预定帧频、时序和信号模式输出，LVDS发送时钟为48MHz，帧频(即弹上计算机接收到更新数据的周期)为20ms。

2 功能模件设计和实现方式

2.1 功能模件

功能模件采用VPX转PMC载板与PCI电路板结合的结构形式。

VPX转PMC载板选用英国CCT公司的VRXMC/x01型载板，负责将VPX总线转换为PMC接口并连接到PMC插槽，支持4×4，2×4+1×8，2×8或1×16等多种PCIe总线接口。

PCI电路板采用PMC规范设计，插在载板的PMC槽上，负责实现特定功能。

2.2 PCIe总线接口

模拟器通过PCIe数据链路进行板间图像数据传输。PCIe总线每条链路中包含多条通路，通路数是指收发差分对的数量[2]，可有多种选择。本设计中采用1×4链路实现主处理器和LVDS接口模件之间的物理互连，数据传输过程如图2所示。

图2 串并行总线接口转换示意图

主机CPU和存储器通过PCIe桥接芯片和交换开关连接到PCIe链路。本设计中交换开关具有5个端口，1个上游端口指向PCIe桥接芯片，4个下游端口连接4条链路，每条链路分别连接到背板上的4个设备槽。图像数据通过其中一条链路传送到LVDS接口模件的插槽；进入VPX转PMC载板后再经交换开关和PMC接口送到LVDS接口模件上；最后通过PCI桥接芯片进入本地电路，实现了从VPX总线到PCI总线再到本地总线的转换过程，可使主

尽管对于像哈蒙德和摩尔来说，海滨拾荒已是夕阳产业，但它仍然值得他们继续做下去，虽然他们俩如今都不得不再做一些其他的兼职工作以维持生计，但只有在海上捕捞浮木时，他们才能感受到与大海的不解之缘，回顾美好的往昔，获得最大的人生满足感和身份认同感。

处理模件访问PCI总线功能板。

2.3 LVDS接口模件

图像数据通过LVDS接口模件输出给弹上计算机，为保证数据传输高效、准确和可靠，本设计中采用DMA，FPGA，SRAM和LVDS发送器组成的流水线式路径实现这一过程。

LVDS接口模件的原理为：图像模拟器主处理模件计算出的图像数据通过VPX转PMC载板输入LVDS接口模件，PCI接口芯片完成PCI总线到本地总线的转换，将图像数据通过总线输入FPGA；FPGA内部集成了时序控制、缓存FIFO以及定时控制逻辑单元，与SRAM一起接收图像数据并将接收到的数据整合为符合帧频和时序要求的输出数据；LVDS发送器将FPGA输出的数据转换为LVDS格式并发送给弹上计算机。

LVDS接口模件的原理框图如图3所示。

图3 LVDS接口模件框图

FPGA是模件的核心器件，它的工作决定了图像数据传输的效率和正确性。在模件中设计了DMA->FPGA内部高速缓存->乒乓操作的板载SRAM的数据流路径，与定时控制逻辑一起，生成满足要求的输出。

FPGA的具体工作过程是：

1) 第1帧图像数据按32位方式通过DMA端口写入FPGA，通过内部FIFO1按16位方式将数据输出给SRAM1；

3) 在20ms时间内，将第2帧图像数据通过FPGA内的FIFO2写入SRAM2；

4) 20ms时间到且FPGA检测SRAM2内数据帧尾(该帧尾为预定数据量写完后，硬件自动添加)，开始下一个20ms定时，同时发送SRAM2内数据；

5) 将下一帧图像数据写入SRAM1；

6) 20ms时间到且FPGA检测SRAM1内数据完整，开始下一个20ms定时，同时发送SRAM1内数据；

7) 重复步骤3)～6)，直到发送完成。

上述数据传输由PCI9054的DMA控制器和FPGA完成全过程控制，不需软件参与，也不受主机状态影响，因此能保证接口操作的确定性和数据传输的可靠性。

3 时序分析

图像模拟器的每一帧时序主要分为数据装订、数据发送和数据计算等3个阶段，如图4所示。在各阶段都需占用时间，为保证满足设计指标要求，下面分析各阶段所需的时间。

1)数据装订时间

数据装订时间为主机将一帧数据写入SRAM所花费的时间，

T1=N1×PCIW

(1)

图4 模拟器时序图

其中，PCIW为PCI总线写1个32位数据所用的时间,为3个总线周期；N1为按32位计算的一帧图像数据量。

取PCIW=3×(1/33MHz)[3]；

N1=640×512×16/32；

可求得T1=14.75ms。通过电路测试，得到数据实际装订时间为15.2ms，基本一致。

2) 数据发送时间

数据发送时间为从LVDS发送器到弹上计算机的传输时间，

T2=N2×LVDST

(2)

其中，N2为一帧图像字节数，LVDST为LVDS每个发送时钟周期。

取N2=640×512×2；

LVDST=1/(48MHz)；

求得T2=13.65ms。

4 应用情况及前景分析

4.1 应用情况

图像模拟器采用VPX转PMC接口载板加PCI功能电路板的结构形式，实现了VPX新型架构与原有PCI成熟技术的兼容性应用，提高了研制效率、降低了风险。但在实际应用中也存在数据传输率被PCI总线带宽限制，不能发挥VPX总线的高数据吞吐量的性能优势，解决措施是使用VPX接口功能模件。

4.2 前景分析

本文设计方案只是高速图像模拟器的基本构型，在未来应用中可通过模块增减和升级来满足半实物仿真试验的多种需求。比如，通过增加接口模件数量，可实现用1台模拟器对多个导引头接口的模拟，有利于减少设备数量和降低成本。通过增加主处理模件数量，采用并行工作的方式可提高数据处理能力，满足更高精度图像处理需求。

5 结论

提出的设计方案解决了VPX架构总体设计、高速串行总线传输、串/并行总线接口转换以及VPX与PCI设备兼容等关键技术，基于VPX总线的高速图像注入式模拟器可满足半实物仿真试验中大批量图像实时生成和高速注入的指标要求。该模拟器的设计方案可以进一步推广应用到各种导引头模拟装置的设计中。另外，VPX总线技术的成功应用为未来在仿真领域的深入研究和广打下了技术基础。

[1] 郑东卫,陈矛,罗莉.VPX总线的技术规范及应用[J].火控雷达技术，2009,38(4)：74-77.(Zheng Dongwei, Chen Mao, Luo Li. Technical Specifications of the VPX Bus and Its Application[J]. Fire Control Radar Technology, 2009, 38(4): 74-77.)

[2] 马鸣锦,朱剑冰,何红旗,杜威.PCI、PCI-X和PCI Express的原理及体系结构[M].北京：清华大学出版社，2007.(Ma Mingjin, Zhu Jianbing, He Hongqi,et al. PCI、PCI-X&PCI Express Principle and System Architecture[M]. Beijing Tsinghua University Press, 2007.)

[3] 刘乐善.32位微型计算机接口技术及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.(Liu Leshan. Microcomputer Interface Technology & Application[M]. Wuhan, Huazhong University Press, 2006.)

The Design of High Speed Injection Seeker Image Simulator Based on VPX Bus

Zhang Wei

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Anewtypeofhighspeedinjectionimagesimulatorisintroduced.BasedonhighperformanceVPXcomputingplatform,thekeytechnologiessuchasVPXsystemarchitecturedesign,high-speedserialtransmission,serial-parallelbusinterfaceconversionandcompatibilityamongVPXandPCIdevicesarebrokenthrough.Byintegratingwithhighspeedserialbus, DMAtransfersonparallelbusandping-pongcontroltechniques,largequantitiesdatacanbegeneratedandtransmittedatapredeterminedperiodbythesimulator.ItcanlayafoundationforthefurtherresearchandapplicationofVPXtechnologyinthefieldofsimulation.

VPXbus;Imagesimulator;Injection; LVDSinterface;Ping-pongcontrol

2015-11-30

张 维(1973-)，女，沈阳人，硕士，工程师，主要研究方向为仿真环境模拟。

TP391.9

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1006-3242(2016)03-0062-04