动态特性综合测试设备数据采集与显示单元设计

冯 婕，安 静，孙 强，袁博，陈洪彩，付晓庆

（西安应用光学研究所，陕西西安，710065）

动态特性综合测试设备数据采集与显示单元设计

冯 婕，安 静，孙 强，袁博，陈洪彩，付晓庆

（西安应用光学研究所，陕西西安，710065）

为了满足光电跟踪系统动态性能测试的需求，解决当前测试过程中存在的诸多问题，提出将PowerPC处理器用于动态特性综合测试设备中，实现运动目标数据高效、准确地采集与显示。引入PowerPC处理器的动态特性综合测试设备数据采集显示系统具有数据处理能力强、扩展性强、目标运动状态稳定可靠等特点，具有广泛的应用前景。

动态特性综合测试设备；数据采集显示系统；PowerPC

0　引言

数据采集显示系统是动态特性综合测试设备的核心部件，是测试人员和测试设备之间最重要的人机接口。测试人员可通过该界面输入目标预期运动速度、位置，还可实时显示模拟目标运动状态，转动角度等相关信息，确保测试人员能全面及时观察、掌握动态特性综合测试设备的实时工作状态。

数据采集显示系统目前基本均采用DSP处理器，由于动态特性测试过程中会产生大量数据信息，而DSP处理器一般处理能力较低，无法配置嵌入式实时操作系统，任务调度和中断响应效率较低，同时DSP处理器开发和调试工具的不尽完善，这就对数据采集显示系统的设计提出了更高的要求。基于PowerPC处理器数据处理能力强、后期开发难度低、可扩展性强等优势，本文提出了基于PowerPC的数据采集显示系统，以解决上述问题。

1　设计需求

1.1数据处理能力强。动态特性综合测试设备测试过程中通过不断采集连续变化的目标位置信息、转台输出角位置、角速度曲线，以实现对目标运动速率的精确控制，因此数据采集显示系统应具有较强大的数据处理能力。

1.2设备接口丰富、扩展性强。动态特性综合测试设备中伺服控制系统和数据采集器分别通过RS422、RS485或VGA等接口与数据采集显示系统交联。同时，测试过程中还必须完成采集数据的同步编辑、曲线显示、图表数据输出、存盘等，并且各处理结果应能与通用的文档处理软件有方便接口。为此，数据采集显示系统不仅需要丰富的设备接口，还需要具备一定的扩展性，以满足不同用户的定制要求。

2　系统架构

动态特性综合测试设备中，数据采集显示系统与伺服控制器、数据采集器交联，是动态特性综合测试设备的核心部件。数据采集显示系统按照功能定义，供电单元负责为数据采集显示系统提供二次电源，数据采集与显示单元实现数据采集显示系统的任务管理、数据处理和图形显示功能，实时采集交联设备数据，进行数据融合后，将图形数据进行2D/3D硬件加速处理，然后按照系统规范在VGA显示器中进行显示。图1为动态特性综合测试设备数据采集显示系统架构。

图1　动态特性综合测试设备数据采集显示系统架构

3　硬件设计

数据采集与显示单元采用双处理器架构，主处理器采用高性能嵌入式PowerPC处理器，完成数据处理、任务管理和图形显示功能；图形处理器采用高性能GPU处理器，完成显示图形的2D/3D硬件加速处理；双处理器之间通过PCI总线进行数据通信。

3.1 主处理器设计。高性能、低功耗的嵌入式处理器的选用能有效的提高数据采集显示系统的能耗比。数据采集与显示单元主处理器采用MPC8270，主要由G2_LE内核、系统接口单元（SIU）和通信处理模块（CPM）组成。

主处理器设计中，MPC8270时钟配置采用PCI host模式，MPC8270在60X总线上配置了多种存储器，其中NVSRAM用于数据采集显示系统故障数据的记录。

3.2图形处理器设计。数据采集与显示单元图形处理器采用M9，M9是ATI公司针对新一代低功耗多媒体系统设计的高性能图形处理芯片，它的图形硬件加速性能极佳，功耗较低，是目标运动状态显示的首选方案。

图形处理器设计中，M9主频配置为200MHz，与主处理器通过32位/33M的PCI总线进行数据通信。外部显示接口采用VGA接口，图形分辨率为1024×768。

3.3存储设备设计。为满足数据采集显示系统工作需要，数据采集与显示单元配置了大容量的SD卡。SD卡通过主处理器的PCI总线访问，在FPGA中实现PCI总线到SD总线的桥接功能。SD卡配置FAT32文件系统和支持数据加卸载。作为移动存储设备，SD卡读写访问均采用DMA方式，用于在测试任务结束后下载系统记录的目标运动相关数据，以便进行数据分析。

3.4外部接口设计。数据采集与显示单元提供多种外部接口，用于与外部数据采集器、伺服控制器、VGA显示器等设备进行数据通信。数据采集与显示单元外部接口设计包括以下3部分：

（1） VGA接口：数据采集与显示单元提供1路VGA接口，用于数据采集与显示单元与VGA显示器进行图像通信；

（2） RS422接口：数据采集与显示单元提供2路全双工RS422接口，1路用于数据显示系统与数据采集器进行数据通信，另1路用于数据采集与显示单元与VGA显示器的周边按键通信；

（3） ARINC429接口：数据采集与显示单元提供5路全双工ARINC429接口，分别用于数据采集显示系统与伺服控制器等设备进行数据通信。

3.5可编程逻辑设计。数据采集与显示单元需要在FPGA中实现大量的协议转换、总线桥接和接口控制功能，要求选用的FPGA器件逻辑规模要足够大。同时，考虑到数据采集显示系统的设计需求，FPGA要选用低功耗、低成本器件，并且在逻辑单元数量上应留有一定的余量，以备后期进行功能升级。数据采集与显示单元FPGA设计采用1片XC2V1000芯片实现，主要实现以下4部分功能：

（1） 主处理器配置功能：实现主处理器的上电复位配置、看门狗控制、中断配置、内部状态寄存器等功能；

（2） 60X总线地址译码功能：实现主处理器的60X总线译码，FLASH、NVSRAM的访问控制等功能；

（3） 总线桥接功能：实现PCI总线到SD总线的桥接功能；

（4） 协议转换功能：实现RS422接口、ARINC429接口协议转换功能。

4　软件设计

数据采集与显示单元软件架构包括三部分：地面支持软件、系统软件和应用软件。图2为数据采集与显示单元软件架构。

4.1地面支持软件

地面支持软件包括在线编程工具和Tornado集成开发环境，这些软件均安装在软件开发设备中，完成软件的编辑、编译、连接、加载、调试和固化等工作，并通过集成的调试工具对显示处理单元的软硬件状态进行监控。

4.2系统软件

系统软件包括板级支持软件和应用支持软件。其中，板级支持软件是介于底层硬件和上层软件之间的底层软件开发包，为上层应用提供统一的软件接口。应用支持软件是位于板级支持软件和应用软件之间的中间层软件，主要为应用软件提供多种开发支持。

4.3应用软件

应用软件根据系统功能需求，负责完成目标运动状态和参数的综合处理、图形显示与控制、接口数据通信、显示器周边按键处理、周期性自检、故障告警与异常处理功能，以及数据加卸载、系统维护等辅助功能。

5　方案设计及总结

数据采集与显示单元基于双处理器架构，采用模块化的设计思想，选用高性能低功耗处理器和大规模FPGA，提供多路设备输入、输出接口，降低了设计开发和后期维护成本，同时为以后功能升级提供了良好的基础。采用该设计的数据采集系统完全可以解决目前动态特性综合测试设备应用过程中存在的问题，并且会大大提升动态特性综合测试设备的测试能力，具有广泛的应用前景。

［1］ 姜琳琳，赵博龙.飞行显示器数据处理单元设计与实现［J］.电子技术应用，2014（9）：30-33.

［2］ 刘硕，林荣超.综合座舱显示控制系统的设计与实现［J］.现代电子技术，2010（15）：160-162.

Design of data acquisition and display unit of integrated test equipment for dynamic characteristics

Feng Jie，An Jing，Sun Qiang，YuanBo，Chen Hongcai，Fu Xiaoqing
（Xi’an Institute of Applied Optics，Xi’an，710065）

In order to meet the needs of photoelectric tracking system dynamic performance testing，to solve the problems existing in the process of test，put forward will PowerPC processor for dynamic characteristics of integrated test equipment to achieve moving target data efficiently and accurately capture and display.The introduction of the dynamic characteristics of PowerPC processor integrated test equipment data acquisition and display system has the characteristics of strong data processing ability，strong expansibility，stable and reliable target motion state， and has broad application prospects.

Integrated test equipment for dynamic characteristics；Data acquisition and display system；PowerPC

图2　数据采集与显示单元软件架构