基于PowerPC的远程数据实时采集系统设计

龚俊亮,朱 弘（.中国电子科技集团公司第三十八研究所； .孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室,合肥 30088）



基于PowerPC的远程数据实时采集系统设计

龚俊亮1,朱 弘2
（1.中国电子科技集团公司第三十八研究所； 2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室,合肥 230088）

摘 要：结合数据采集在雷达技术中的应用，介绍了一种基于PowerPC的远程数据实时采集、运行状态及故障监视系统的设计方法。介绍了系统整体架构，给出了硬件原理框图和软件设计概要。经测试表明，该设计能实时准确的采集远程数据，运行稳定可靠，满足了设计的技术指标，效果良好。

关键词：PowerPC；FPGA；实时；数据采集

1 引言

近年来，随着远程预警探测雷达的规模越来越大，集成的设备越来越多，快速准确地收集和分析各工作单元工作是否正常就成为现实的需求。利用嵌入式技术对相应的设备工作参数进行采集，一方面可以及时了解各工作单元的工作状态，另一方面也可将采集的参数集中送至主控单元，为主控单元做出控制命令提供参考依据。

2 系统硬件构成

电路设计上，选用Freescale公司的QorlQ P2020为主控芯片，配置系统的各个参数，由于系统要与雷达的多个工作单元进行数据交互，为了减少接口芯片的种类，采用FPGA来进行接口的衔接。

（1）QorlQ P2020芯片介绍。P2020处理器基于45nm技术低功耗平台，最高主频可达1.2G Hz。每个处理器包含两个e500 Power Architecture核心与外设，可以实现通过网口在线下载并烧写操作系统和应用程序，并通过以太网固化和更新PowerPC程序，P2020凭借其低功耗设计及单线程高性能，非常适合雷达数据采集控制层面的应用。

（2）FPGA芯片介绍。FPGA作为一种专用集成电路，解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数量有限的缺点，芯片编程配置灵活，开发周期短，系统简单，具有集成度高、体积小、功耗低、高速I/O 端口多、可在线系统编程等优点。在此选用Xilinx公司的XC7K325T。

（3）底层数据采集。大型雷达需要采集的数据众多，且考虑到兼容性，我们通过多种方式来采集现场数据：通过RS232/RS422、TTL、IIC，光纤、以太网直接进行数据采集，系统的总体设计框图如图1所示。整套硬件设备可在单板中设计实现。

（4）数据存储。对于数据存储，由于系统实时采集各工作模块工作状态数据，数据量不大，且系统收到数据之后统一打包处理发送给主控单元，并不会有太长的时间延时，故数据存储只需要进行缓存，我们采用FIFO对数据进行存储。

FIFO的本质，其实就是一种特殊的双口RAM，通过编程实现的FPGA内部有可用的双口RAM资源，利用FPGA强大的内部资源，在 FPGA内部编写程序集成 FIFO。XC7K325T内部具有16020Kb的Block RAM，可以提供足够的双口RAM资源。本系统为了使代码模块共用，减少开发的工作量，取最大深度的FIFO进行统一设计，FIFO深度为2K*16bits。

（5）光纤接口设计。Xilinx公司在其XC7K325T中最多集成了16路高速GTX，为了方便用户对GTX的使用，Xilinx公司提供了一个对GTX进行Wrapper的IP core，其名称是transceivers IP，本系统采用起始号（4字节）+功能号（4字节）+数据（128字节）+校验（2字节）+结束号（4字节）的简化数据包模式进行远程数据的采集。

（6）IIC接口设计。IIC总线是双向、两线、串行、多主控接口标准，具有总线仲裁机制，本系统为了提高系统的集成度，将IIC控制器嵌入FPGA内，系统设计把控制器从逻辑上分成两个状态机，分别为命令状态机和时序状态机，其中，命令状态机用于管理IIC总线上的命令状态，并实现IIC总线读写操作命令状态的转移过程；时序状态机用于实现IIC总线启动、停止、读、写、确认等命令的具体时序关系。

3 FPGA与P2020通信

FPGA完成系统与外部接口的通信功能，而 P2020负责与主控进行数据交互，FPGA在其采集到数据后，通过localbus将按协议打包好的数据发送给P2020，localbus采用数据/地址线复用的形式，通过Buffer进行驱动和隔离，采用16bits宽度，本设计中采用Motorola CPU总线架构，即大端模式。

4 软件设计

本系统软件设计的操作系统采用Wind River公司的VxWorks6.5版本。软件设计的主要工作是VxWorks操作系统BSP的设计实现。它的主要功能为屏蔽硬件，提供操作系统的驱动及硬件驱动。Wind River公司在集成开发环境WorkBench中提供了许多典型设计的BSP软件包，设计人员只需要在这些BSP上进行针对修改即可。本设计根据需要，驱动程序设计包括NOR FLASH驱动、以太网接口驱动和RapidIO接口驱动，因不是本文讨论重点，不再一一赘述。

5 结语

本文设计了一种对雷达各工作单元进行数据采集、运行状态及故障监视系统，将PowerPC引入系统应用中，实现对雷达运行状态的实时监测，其强大的数据通信、处理功能，为大型雷达各设备工作状态的监控提供了有力保障。同时，采用FPGA进行外部接口互连设计，能够很好的对未来雷达设备的扩充提供兼容设计，该设计具有硬件可裁减、可扩充、可升级、软件在线可编程的特点，使得设计的系统在规模、功耗、体积上有很大的优势。经测试表明，该设计能实时准确的采集远程数据，运行稳定可靠，满足了设计的技术指标，效果良好。

参考文献：

［1］付雪,卜雄洙，沈碧云.基于FPGA的高速数据采集存储系统的设计与实现［J］.仪表技术,2013（12）：6-9．

［2］孙东亚,张亚棣,李亚晖.一种PowerPC和FPGA结构的远程接口单元设计方法［J］.航空计算技术,2015（03）：118-121．

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.114

作者简介：龚俊亮（1988-），江西丰城人，工程师，主要从事：雷达波控设计。