一体化综合信息处理载荷系统中柔性可重构技术的研究

阎 啸，杨宗武，王 茜，张天虹

（电子科技大学 航空航天学院，四川成都 611731）

一体化综合信息处理载荷系统中柔性可重构技术的研究

阎 啸，杨宗武，王 茜，张天虹

（电子科技大学 航空航天学院，四川成都 611731）

该文针对高速空间飞行器承载能力与综合任务需求之间的矛盾，基于一体化综合信息处理载荷系统架构，提出了一种面向通信、导航、测控、目标探测与识别、飞行控制和信息支持等综合任务的在线实时柔性系统重构方法。该方法根据系统实时任务需求，利用一体化综合信息处理载荷系统架构中具备标准可编程接口的通用柔性功能模块和可重构高速信号链路矩阵，在软硬件动态耦合与多任务一体化协同算法实时调度下，快速实现各种任务功能及参数的动态重构及加载。在实现一体化综合任务协同处理的同时有效节约系统资源，并利用动态冗余备份大幅度提高了系统可靠性。

一体化；柔性可重构；信息处理载荷；在线重加载

信息处理载荷作为飞行器控制与信息处理中枢，是空天地一体化信息网络的有机组成部分和重要节点。为满足日益增长的飞行器载荷任务种类和性能需求，信息载荷必须同时提供包括通信、导航、测控、目标探测与识别、飞行控制和信息支持等综合任务处理能力［1］。传统飞行器受信息载荷功能单一的限制，必须搭载多个不同功能的载荷设备来同时实现所需的各种任务。同时考虑到系统可靠性，通常搭载多台相同任务载荷实现系统冗余度要求。一方面要求空间飞行器必须具有较强的载荷承载能力；另一方面，随着空间飞行器飞行速度、高度和机动性能等方面的不断提高，机体设计普遍采用一体化设计，以获得最小阻力和最大升阻比的乘波体气动外形［2］，造成包括装载空间、承载重量以及供电能力等方面在内的飞行器载荷承载能力严格受限。因此，信息载荷系统正在向以统一、开放式架构为基础的模块化综合共享式系统架构发展，其综合方式由“功能综合”向“结构综合”演进。

现有综合信息处理载荷系统采用统一的标准模块化硬件平台［3］，利用射频综合和光电综合等技术，实现综合信息处理载荷内各功能模块的硬综合复用。这种综合机制忽略了包括系统软件一体化、信号与功能的多任务一体化协同、多源信息交链融合等在内的系统软件层面的重构复用。这造成现有的综合信息处理载荷系统设计软／硬件综合分离，无法从体制上融为一体，难以根据瞬变的应用场景灵活进行多任务协同［4］工作。

针对高速空间飞行器承载能力与综合任务需求之间的矛盾，以及现有综合信息处理载荷存在的问题，本文基于一体化综合信息处理载荷系统架构，提出了一种面向通信、导航、测控、目标探测与识别、飞行控制和信息支持等综合任务的在线实时柔性系统重构方法。一体化综合信息处理载荷系统架构由具备标准可编程接口的通用柔性模块和可重构高速信号链路矩阵等功能单元构成。该方法利用功能单元的在线可编程特性，在软硬件动态耦合与多任务一体化协同算法实时调度下，快速实现各种任务功能及参数的动态重构及加载［5］。在实现一体化综合任务协同处理的同时有效节约系统资源，并利用动态冗余备份大幅度提高了系统可靠性。

1 一体化综合信息处理载荷系统架构

一体化综合信息处理载荷系统总体架构如图1所示。

图1 一体化综合信息处理载荷系统总体架构

天线及柔性射频微波收发阵列，根据任务需求动态切换天线频段和信号传输路径，并在线配置本振频率、通道衰减量／放大量及滤波器等参数。多通道模数转换模块阵列将预处理信号转化为数字信号。红外信号扫描及伺服反馈模块完成天线的全空间扫描转向控制以便接红外信号及可见光信号，再将接收的信号传输至红外信号接收及预处理模块阵列，依次进行识别、分选、压缩处理。信号数据通过信号矩阵送到对应的信号处理模块中进行处理。平台核心控制模块组经由VPX总线与一体化综合信息处理载荷系统内各个子模块相连接，用于控制各个子模块的功能实现与重组，进行软硬件在线动态加载重构。高速数据交换模块经由VPX总线与一体化综合信息处理载荷系统内各个子模块相连接，使各个单元之间通过VPX总线实现数据交互。AFDX网络接口通过内部AFDX网络与飞行器其他子系统互联，如可以与飞控子系统相连，制定并装载的飞行任务，从而控制飞行器的飞行。

同时，一体化综合信息处理载荷系统可针对不同任务需求分别对系统内部各个功能模块在线动态配置其硬／软件和参数，实现包括雷达、测控导航设备、通信机等在内的不同任务功能。而其他没有配置的功能模块一方面作为系统各个功能模块的冗余备份；另一方面可以支持新型任务功能的加载。系统对系统内部各个功能模块运行状态进行实时监测，当发现工作异常时迅速定位系统故障，在线重构并无缝切换至冗余备份功能模块，确保系统正常工作。一体化机载综合电子系统各个模块互为冗余备份，在提高系统可靠性的同时，大大节省了有效载荷空间，降低了系统功耗，如图2所示。

2 一体化柔性可重构硬件接口设计

典型的一体化柔性可重构硬件接口基本结构如图3所示。该硬件接口用于一体化综合信息处理载荷系统各个功能模块与系统控制器的互联，由系统控制器通过VPX总线协议的控制平面对各功能模块内的可编程功能单元进行重构和控制。

一体化柔性可重构硬件接口由基于ARM双核的Xilinx Zynq Soc微系统构成。该微系统包含了可编程系统（PS）中的ARM子系统和可编程逻辑（PL）中的重构控制器两部分，二者通过AXI总线互联［6］。当功能模块处于工作状态且需要重新加载控制命令或在线更新配置文件时，系统控制器通过VPX控制平面中的千兆以太网将控制命令或配置文件发送至对应功能模块的一体化柔性可重构硬件接口。接口中的ARM子系统利用自带的两个千兆以太网控制器，将控制命令或配置文件接收并缓存在外部DDR3存储器中。待数据缓存完毕后，再由ARM子系统从外部DDR3存储器中读出，对数据进行校验后，通过PL中重构控制器对模块中可编程功能单元进行在线重构和控制。由于各个模块中可编程功能单元具有较大区别，各个功能模块PL中重构控制器逻辑实现也不相同［7］。如基于FPGA的实时信号处理模块，重构控制器应根据对应的FPGA配置时序进行定制设计［8］。

图2 一体化综合信息处理载荷系统冗余备份

图3 一体化柔性可重构系统硬件框图

3 一体化柔性重构软件设计

整个系统的软件由系统控制器上运行的主控及功能重构程序和运行在信号处理功能板接口单元中的重构逻辑程序两部分构成。

3.1主控及功能重构程序设计

系统控制器中的主控及功能重构程序流程图如图4所示。

程序首先初始化通信网络，然后进入命令监听状态，飞行器主控制器会根据任务要求，通过AFDX网络向一体化综合信息载荷系统的控制器发送重构命令。系统控制器接收到该重构命令后进入接收重构文件状态，待接收完上层发送的重构文件和参数后，系统控制器通过VPX接口利用TCP／IP协议向对应的信号处理功能模块发送重构命令，在和信号处理功能模块协商完后，继续给信号处理功能模块发送重构文件，最后通过功能模块反馈的信息来判断重构是否成功。如果重构不成功，主控程序返回到发送重构命令状态；如果重构成功，返回到命令监控状态。

图4 系统控制器主控程序流程图

3.2 信号处理功能模块重构程序设计

信号处理功能模块重构程序流程图如图5所示。

该程序运行在功能模块接口微系统中。重构程序首先初始化底层相关的硬件设备和通信网络，然后进入监听状态，监听是否有来自系统控制器的重构命令。如果接收到系统控制器发送的重构命令则进入命令解析状态；否则继续处于监听状态。接口微系统根据命令解析的结果接收来自系统控制器的重构文件，并校验接收该重构文件。如果重构文件有误则向系统控制器发送重发重构文件的请求，进入接收重构文件的状态；如果重构文件完整，则将重构文件通过重构控制器写入到模块可编程功能单元，对模块可编程单元开始重构。当重构文件写入到模块可编程功能单元后，根据其反馈的信息判断模块可编程功能单元是否重构成功。如果重构成功，重构程序返回到监听状态，继续监听是否有来自系统控制器的重构命令，为下次重构做准备；如果重构失败，重构程序重新将重构文件写入到模块可编程单元，再次对其进行重构，直到重构成功。

图5 信号处理功能模块重构程序流程图

4 测试与分析

重构时间是重构性能的重要技术指标［9］，在某些强实时应用场景下，重构时间对飞行器载荷系统性能和任务执行情况起到了决定性作用。因此，下面以基于FPGA的实时信号处理模块为例，对本文提出方法的系统重构时间进行了验证。

柔性可重构方法的重构时间t主要由两部分组成［10］：1）重构文件从系统控制器传输到信号处理功能模块并存储到接口微系统存储器的时间t0，这段时间可以通过在软件代码中添加时间戳的方法来测出；2）重构程序将重构文件从接口微系统存储器读出并写入模块中可编程功能单元的时间t1，这段时间也可以通过在软件代码中添加时间戳的方法测出，即重构程序开始向模块可编程单元写入重构文件的起始时间与重构程序检测到来自模块可编程单元重构完成的标志信号［11］之间的时间差，即t＝t0＋t1。

根据上述测试方法，在一体化综合信息处理载荷系统验证平台上对基于FPGA的实时信号处理模块重构时间进行了测试，结果如表1所示。

An Innovative Flexible Reconfiguration Approach for the Integrated Information Processing Payload System

YAN Xiao，YANG Zongwu，WANG Qian，ZHANG Tianhong
（School of Astronautics and Aeronautic，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Based on integrated information processing payload architecture，a novel real－time flexible reconfiguration method for the integrated information support is presented.The proposed approach can dynamically reload the firmware and parameters into the corresponding the function modules in the integrated information processing payloads through their standard programmable interfaces and reconfigurable high speed signal matrices according to the assigned missions.Then，the integrated signal processing for the information payloads，such as TT＆C communication，navigation，target detection and identification，can be dynamically implemented on one unified information processing architecture.The system resources can be dramatically saved，and the reliability of the information payload system can be improved by the dynamic redundancy backup.

integrated；flexible reconfigurable；information processing payload；online reload

V243

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.002

2016－09－21

国家自然科学基金（61601091）；中央高校基本科研业务费项目（ZYGX2015J121）。

阎啸（1981－），博士，副教授，主要从事空天地一体化测控通信体制、空天信息科学与技术、空间系统仿真测试验证与评估等方面的研究。