基于VPX标准的车载综合信息系统设计

(西南技术物理研究所，成都 610041)

0 引言

随着现代陆军武器系统向着信息化、智能化、轻型化、高机动化的方向发展，对武器系统的综合信息处理平台提出了更高的要求。

车载综合信息处理系统是武器系统的指挥控制、战场感知、信号处理的综合平台。车辆平台内部空间狭小，电磁环境复杂，使用环境恶劣，维修保障困难，对综合信息处理系统的可靠性、维修性、安全性要求更高。传统车载综合信息处理系统通常采用分布式体系架构，各功能模块相互独立，采用RS422、CAN、1553B等总线进行通信，总线数据传输带宽窄，时序控制复杂，数据交互能力差，各功能模块单独机箱供电，造成体积重量大，系统电气复杂等问题。箱内总线大多采用CPCI、VME等并行总线，目前车载传感器及终端已实现智能化、数字化，信息传输量呈爆炸式增长，对信息处理系统的运算速度和传输带宽提出更高要求，传统的并行总线信息处理系统已达到性能极限，难以满足日益增长的信息处理需求，且不能实现大数据量的信息共享和信息融合，制约了武器系统的信息化、智能化发展。

针对现代陆军武器系统的应用需求，提出一种基于VPX标准的车载综合信息处理系统设计方案，重点对该处理系统的总体架构、交互式总线网络、主控模块、信号处理模块、综合控制模块、接口模块进行详细分析设计，并对系统性能进行测试与验证。

1 VPX标准及Rapid IO总线

VPX标准是由美国军方授权VME国际贸易协会组织，联合28家公司共同制定的为军用、航空航天、国防等领域提供高可靠性计算机标准。该标准2009年形成草案，2010年发布。VPX标准包含VITA46、VITA48、VITA65等标准，VITA46标准是VPX的基本标准，并集成目前最新串行总线RapidIO、PCI-Express和千兆以太网等，支持更高的背板带宽；VITA48标准定义电路板结构要求、散热要求、防静电要求等。VITA65标准定义供电分配、标准底板、拓扑结构等。VPX核心交换可以提供32对差分对，每对差分对理论上可以提供10Gbps的数据交换能力，一个VPX模块理论上最高可以提供8GByte/s的数据交换能力。

Rapid IO技术是一种高性能、低引脚数、基于包交换的交叉开关互联技术，是第一个嵌入式系统互连国际标准。Rapid IO技术主要面向高性能嵌入式系统的互联通信，非常适合于多器件紧耦合的工作环境，具备高带宽、低延时、高效率及高可靠性的优点。Rapid IO技术多采用基于交换板的互连拓扑结构，Rapid IO端点设备间不直接互连，而是通过交换板互连。基于交换开关网络的Rapid IO互连架构可以贯穿系统互连的各个层次，包括芯片级、板卡级、模块级和设备级，系统中真正实现多组并发的数据交换，突破旧的共享带宽瓶颈，系统配置灵活、规模可增减，为容错重构提供了技术支持。

2 综合信息处理系统设计

综合信息处理系统主要设计指导思想是实现武器系统内部互联互通、信息共享、增强信息化作战能力、减少体积重量。综合信息处理系统采用符合VPX标准的高性能硬件平台为基础，主要实现系统控制、流程管理、任务调度、信息处理、综合显示和人机交互等功能。综合信息处理系统电子箱共有13个6U板卡槽位，采用IPMC健康管理系统实时监控箱内板卡电压、温度、上电状态等信息，出现异常时及时定位故障板卡，并实施远程复位或远程重启。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

综合信息处理系统由3块主控板、1块Rapid IO交换板、1块以太网交换板、1块接口板、3块信号处理板、2块综合控制板、1块电源板、1块背板和1个备用槽位组成。

主控板主要是实现车载武器系统的模式设置、指挥通信、作战流程控制、任务调度、故障检测、人机交互等功能，采用C/S架构，其中服务器主控板负责信息收集，集中处理系统数据、状态、指令等信息，并实现系统工作流程，同时对客户端主控板进行权限管理。客户端主控板根据任务分工实现不同的作战功能，并可以通过远程终端登录服务器主控板对系统进行遥控操作。

Rapid IO交换板和以太网交换板共同负责综合信息处理系统的总线数据交换，设计中针对不同数据类型和数据量选择合适的总线进行通信，发挥各自优点提高系统性能和稳定性。

接口板主要根据应用需求实现接口转换功能，将外部视频信号、雷达信号、控制信号等转成内部总线信号进行数据传输与共享。

信号处理板主要依靠其强大的数据运算能力负责例如视频信号、雷达信号等大数据量、低延时信号的实时运算和处理。

综合控制板主要替代传统车载系统中各分系统的主控电子箱，将原本各分系统的独立控制单元融合进VPX综合信息处理系统，依靠强大的处理能力和总线带宽提高系统综合性能，并大幅减少车载控制系统体积重量，简化系统电气布线。

3 交互式总线网络设计

车载综合信息处理系统采用双总线设计，VPX电子箱内所有功能板卡同时连接Rapid IO总线和以太网总线，两种总线都采用星型连接方式，数据交互快捷方便。Rapid IO总线主要负责数据量大、延时低的图像数据、雷达数据传输。采用DMA方式将数据流不断传输到接收方地址空间，该方式传输效率高、系统开销小、稳定可靠，可以节省大量处理器资源用于算法实现。同时，Rapid IO总线可以直接通过光纤进行外部扩展，在光纤上执行Rapid IO协议可以避免收发端协议转换开销，提高系统实时性，并利用光纤的大带宽、高抗干扰能力实现系统之间信息的高速远距离传输，便于系统组网和信息共享。Rapid IO总线网络拓扑图如图2所示。

图2 Rapid IO总线网络拓扑图

千兆以太网总线负责车载系统指令、状态数据的传输，具有技术成熟、应用广泛等特点，并且使用以太网交换板端口镜像功能可以方便快捷的实现对系统以太网数据的实时监控与记录。系统指令、状态数据采用组播方式，既能实现一对多发送，又能根据是否加入组播地址控制数据接收。该方式大幅增强以太网总线灵活性，发送方只需要发送一份数据，多个接收方可根据任务需要自行控制数据接收，避免发送方重复发送。并且通过千兆以太网接口实现车载系统远程控制功能，远程终端通过以太网接入车载服务器，身份认证通过后可向服务器发送控制指令，并可以加入规定的组播地址接收系统状态和数据。以太网总线拓扑图如图3所示。

图3 以太网总线网络拓扑图

4 主要功能板卡设计

图4 主控板组成框图

图5 信号处理板组成框图

综合信息处理系统主要包括主控板、信号处理板、综合控制板、综合控制板和接口板。

主控板主要负责运行车载系统中央控制软件，实现对车载设备的集中控制、数据处理、人机交互等功能。主控板采用X86架构，可以根据任务需要运行包括Windows、Linux、Vxworks以及国产化的银河麒麟等操作系统，具有开发便利、使用灵活、技术成熟等优点。主控板集成了CPU、芯片组、内存、硬盘、健康监控管理电路以及各类接口扩展电路。CPU、芯片组、内存组成了嵌入式CPU模块，该模块作为主控板硬件电路核心，完成数据处理及运算功能。健康监控管理电路依照IPMC标准，对板卡的工作状态进行监控及上报。各类接口扩展电路通过高速数据总线与嵌入式CPU模块进行通信，实现显示、Rapid IO、千兆以太网、串行通信等功能，并将接口信号引出至VPX连接器，通过综合信息处理电子箱的背板传输至机箱外部。

主控板的嵌入式CPU模块主要包括：CPU、桥芯片组及内存。该模块能够完成中央处理器、图形及内存控制器、局部总线控制器、外围接口控制器等功能。根据任务需求，CPU选用Intel Core I7系列产品，CoreTMi7-4700处理器，四核八线程，处理器基本频率2.2 GHz，制造工艺32 nm，采用三级缓存，CPU内部集成Intel核显。桥芯片组选用Intel Mobile QM87 Express芯片组，对外提供LVDS、PCIEx1、PCI、USB、DDI、LPC、SATA等各类总线及接口，从而为外部各类接口扩展提供同CPU的桥接及计算转换功能。内存采用DDR4型，容量8GB，内存颗粒贴片焊接至嵌入式CPU模块上。主控板组成框图如图4所示。

信号处理板作为综合信息处理系统高速运算处理单元，主要承担视频信号、雷达信号等高速信号的实时处理工作。信号处理板以4块DSP处理器TMS320C6678为主处理器，1块FPGA作为协处理器，能够实现Rapid IO、千兆以太网、IPMC等功能。依靠4片6687多核运算能力，可以胜任绝大多数应用场景和任务需求，并可根据实际数据处理量灵活增减信号处理板个数。

信号处理板采用一块CPS1848和一块以太网交换芯片共同构建板内高速串行总线网络，并扩展板内Rapid IO和以太网节点。4块DSP处理器可通过Rapid IO进行高速数据通信，能够相互配合完成复杂算法。每片DSP处理器外挂一片2GB DDR3存储芯片，为算法实现提供充足的缓存空间。板载K7系列FPGA作为协处理器，可以根据任务需求对信号进行预处理，利用FPGA高速并行处理能力和实时流水线运算，实现数字信号滤波、图像处理、边缘提取、膨胀腐蚀等算法，并可以对DSP的输出信息进行二次处理，完成字符叠加、图像拼接、格式转换等功能。信号处理板组成框图如图5所示。

综合控制板主要替代传统车载平台通信控制电子箱，将各种常用外部控制总线集成，并通过箱内Rapid IO和以太网总线与其他功能板卡通信，共同实现系统控制功能。

综合控制板采用DSP+ZYNQ的架构实现实时控制功能，选择TI现有的C28346高性能浮点微控制器。C28346提供高达300 MHz的浮点性能，并具有高达516 KB的片上RAM。C28346基于C28xTM内核，这使得它与所有C28x微控制器的代码兼容，便于缩短程序开发周期。C28346的片上外设和低延迟内核能够完成对性能要求极高的实时控制，对提高车载综合信息处理系统实时性有很大帮助。FPGA用于实现板卡接口扩展、接口管理、协议转换等功能，并可以通过ZYNQ内部集成的ARM处理器实现任务调度，数据存储等功能。板载多片DSP和FPGA，可以最大限度集成控制模块，实现体积、重量、功耗的大幅减小，并且更加模块化，方便根据任务需求进行扩展。综合控制板组成框图如图6所示。

图6 综合控制板组成框图

接口板为定制产品，根据不同的任务需求设计不同的硬件平台。车载综合信息处理系统主要考虑兼容目前常用的车载控制总线，如CAN、1553B、422、485以及常用的高速数据总线，如万兆光纤、Cameralink等。接口板收到外部信息后可以通过板上处理器对外部总线协议重新打包，根据原有总线协议将数据帧的帧头帧尾以及数据内容全部封装，再根据内部传输通道选择按照Rapid IO总线或千兆以太网总线进行箱内传输，箱内板卡对外发送时则反向操作。该方式可以实现内外信息透传，能够快速实现对现有装备的升级改造，避免因为传输链路更改而造成的系统通信协议改动以及各子系统应用程序改动。

5 结果与分析

车载综合信息处理系统通过长达4 000公里跑车试验，车辆到位展开后VPX加固机箱各连接器及内部所有板卡均未出现松动现象，系统上电工作正常。随后在高温高寒地区进行8个月的测试试验工作，其中包括系统功能测试、高低温测试、24小时拷机测试、电磁兼容性测试等。

系统功能测试采用数据量分别为60 MB/s、120 MB/s、180 MB/s、240 MB/s的图像数据对Rapid IO总线带宽和信号处理板处理能力进行测试。通过测试，Rapid IO总线在240 MB/s数据量下采用DMA方式能够长时间稳定工作，未出现数据发送失败或丢包等故障。在一般算法复杂度情况下，单个信号处理板可对240 MB/s的图像数据进行实时处理，实现目标搜索、识别、跟踪等功能。算法复杂度增加时可采用多个信号处理板协同工作，系统信号处理能力可根据实际需求灵活配置。

高低温试验和拷机试验通过IPMC健康管理系统进行监控和记录，分别在40度、-25度环境下进行系统功能验证，通过IPMC周期读取并记录箱内各功能板卡电压、电流、温度等信息。经过测试高温下未出现板卡过热、死机、重启等故障，低温下未出现电压异常，无法启动等故障。拷机过程中随机对系统功能进行验证，未出现无响应，不工作等异常状况。

电磁兼容性按照国军标设计，通风口处采用波导网，机箱盖板采用导电密封胶条，电源进行滤波等相关处理。系统在车载发电机工作，雷达无线电系统满功率输出，伺服机构大角度调转时均未受到干扰，工作一切正常，电磁兼容性良好。

经测试，综合信息处理系统功能正常、运行稳定可靠、环境适应性强、各项性能指标符合设计要求。

6 结论

基于VPX标准的车载综合信息处理系统处理能力强、总线带宽高、系统稳定性好、整体抗干扰能力强、环境适应性好、便于维护扩展，适合于各种复杂应用场景。目前基于VPX标准的信息处理系统已在机载、舰载平台广泛应用，随着陆军武器装备朝着信息化、小型化、高机动化方向发展，基于VPX标准的车载综合信息处理系统必将在更广阔的领域发挥更大的作用。