基于VPX硬件架构的新一代雷达终端

张小林　向海斌　钟　洪

（深圳市亿威尔信息技术股份有限公司，广州 深圳 518057）

基于VPX硬件架构的新一代雷达终端

张小林向海斌钟洪

（深圳市亿威尔信息技术股份有限公司，广州 深圳 518057）

雷达应用广泛、功能各异，按其应用领域可分为军用与民用雷达两类。前者可进一步分为预警雷达、搜索和警戒雷达、引导指挥雷达、火控雷达、制导雷达、机载雷达等，后者则包括气象雷达、民用机场雷达、遥感设备雷达和测速雷达等。中国军用雷达市场高速增长，未来10年市场总规模有望达到3776亿元。我国军用雷达市场已迈入高速增长阶段，预计2025年军用雷达市场规模有望达到573亿元，年复合增长率高达11．5%，未来十年军用雷达市场总规模将达到3776亿元。本文对基于VPX硬件架构的新一代雷达终端提出了研究，适应了雷达发展的趋势，对我国雷达终端领域的发展做出了贡献。

VPX；硬件架构；雷达；终端

0.前言

新一代雷达终端以现代作战需求与发展需要为指导，充分利用国内外现有成熟、先进技术，遵循通用化，系列化，组合化“三化”要求，规范和统一接口类型，信息格式，显示界面，终端的硬件采用模块化组件结构，终端的外形结构，尺寸和各模块组件标准化，终端中的各功能模块分为通用模块和专用模块，通用模块标准统一，规格一致，用户可以根据配套对象的需要，选配不同类型的功能模块，组合成适用不同装备使用的同一系列，不同类型终端。

1.系统构成

本文提出了一种基于VPX硬件架构的新一代雷达终端的研究，系统构成包括：显控板，数据处理板，信号处理板，万兆/千兆交换板，接口板，风扇，背板，电源，机箱，接口后IO板。研究中，显控板优选为自制型号EW-VP691，标配2块，且可扩展。数据处理板优选为自制型号EW-VP690，标配1块，且可扩展。信号处理板优选3块。万兆/千兆交换板为自制型号EW-VP692，标配2块。接口板优选1块。风扇优选1块。背板优选2片，一片5槽，一片10槽。电源优选1片。机箱优选1个。接口后IO板可配置若干块。

2.异构主板框图

图1为本文基于VPX硬件架构的新一代雷达显控终端的主板框图，构成高性能异构计算平台。

3. VPX主板IPMC设计方案

图1　

IPMB：Intelligent Platform Management Bus。考虑到双处理器的VPX单板集成密度大，为避免IPMC模块PCB封装过大影响单板PCB布局，IPMC模块不采用做成小板扣在主板上的方案，而是采用直接贴片集成在主板上的方案，IPMC模块原理图设计成模块化电路，各VPX单板统一使用同一个模块化的IPMC电路。并规划定义好各个硬件接口的作用和连接方式，VPX单板原理图设计时只需要按本文档的硬件接口说明连接即可。

用ARM做IPMC模块的主控处理器，用CPLD来管理单板的电源，IPMC与CPLD通过8位的数据总线和地址总线通信，从而实现IPMC对电源的管理和监测。IPMC通过UART与CPU通信（备用方案用SPI通信）。

单板上背板后，此时IPMC和CPLD先上电，单板上的Payload电源此时没有上电，IPMC完成应用程序加载和初始化、自检后发送上电指令给CPLD，CPLD接收到IPMC的上电指令后打开单板的Payload电源。单板上电完成后，IPMC对单板的温度和电源进行监控，当单板出现温度、电源和IPMC系统异常时，IPMC将异常信息存入IPMC的事件Log，并通过UART将单板的异常信息上报给CPU，也可以通过CPU来查询IPMC的信息；IPMC通过IPMB总线来进行风扇转速调控。

当不需要IPMC功能时，可通过BypassIPMC跳线帽禁止IPMC功能，接上Bypass跳线帽后，CPLD自动按时序打开单板电源，此时IPMC功能失效。因为CPLD直接控制着电源的打开、关断，升级CPLD会导致单板断电重启，因此CPLD不支持远程升级。

如图2所示，IPMB_A、IPMB_B冗余IPMB总线通过I2C Buffer连接到Zone1区，I2C Buffer使用PCA9513A，并用GPIO作为Ready和Enable监控，Enable引脚用于使能I2C Buffer，Ready用于检测I2C Buffer是否已使能。

图2　IPMC模块功能框图

IPMC通过UART与CPU通信，对于双处理器的单板，IPMC用两个UART分别与两个处理器通信，每个处理器单独用1个UART接口，IPMC通过处理器Online信号检测单板有1个CPU还是两个CPU。

RS232调试串口通过电阻或FPGA Switch开关选择的方式连接到前面板的RJ45串口插座，以便研发、生产调试。

1个512K字节的SPI Flash用于数据存储。由于LPC1778只有3路I2C，其中2路用于作为IPMB总线，只剩下1路I2C不能满足需求，因此需要用I2C Switch扩展出多路Master Only的I2C总线。具体实现方式是用PCA9545A将1路I2C总线扩展成4路，且4路都支持热插拔。考虑到EEPROM中存储着单板的配置信息，EEPROM读取失败会导致单板无法正常启动，因此I2C-0单独用于主板的EEPROM；I2C-1用于读写Temp传感器，-48V电源模块欠压过压信息等；I2C-2用于读写RTM的I2C器件，如Temp传感器和EEPROM等；I2C-3预留给AMC使用。

8个ADC用于采集单板的动态电源的电压。由于电压较多，增加两个多路复用器，共可以采集22路电压值。

支持控制主板HS、OOS LED和RTM的HS、OOS LED共4个LED。

温度告警信号由CPLD监控，IPMC通过读取温度告警寄存器的值来判断单板是否有温度异常告警。

RTM用于监控RTM的Online信号。

该项目配套软件可运行于Windows、Linux平台上，使用OpenCL语言开发，应用于雷达信号处理等领域。该项目具有数字正交相位检波、脉冲压缩、动目标显示、恒虚警检测等理论算法、雷达终端PPI图像生成以及人机交互、嵌入式高性能通用计算系统的软硬件设计包括搭载高性能酷睿处理器的单板计算机、搭载GPGPU的高性能异构单板计算模块、开放的系统间高速串行互联模块。

最大可扩展8片异构计算模块，异构计算模块间数据传输带宽10Gb/S以上，单个13/42计算节点最大峰值浮点运算能力每秒1000GFLOPS。另外，全系统采用VPX架构，能够满足抗恶劣环境要求。除此之外，系统采用多星互联结构，单板功耗低于70W，具有性能良好、易使用的软件开发包。编程，软件中间件，雷达信息处理异构计算函数库；支持MPI并行计算；动目标显示MTI、自适应动目标显示AMTI、动目标检测MTD、杂波图、恒虚警CFAR检测等技术的综合应用，实现从将杂波背景下检测目标的任务。多核、多处理器以及异构计算方法对各处理算法进行高效编程并形成标准、通用、使用性强的软件开发包，这将可以满足雷达统计对信号处理的大容量与高实时性要求。

4.机箱热量分布

机箱采用19″上架式标准机箱，高度7U，外形尺寸为276.5mm×311mm× 436mm。支持前I/O及后I/O插板，支持标准6U VPX板卡垂直插拔。

数据系统板卡主要由数据处理板、显控板及交换板组成。系统最大支持10槽板卡。每种板卡模块总功耗约为70W左右，整个系统的总功耗大约有700W。整机的工作温度为-10℃～50℃。系统不仅功率大，而且板卡模块排布，热量集中。因而机箱设计的难度在于机箱的散热处理。及时有效地将板卡模块的热量导出，并从机箱中有效散热成为设计的重点。

5.散热设计方案

热量传播的方式有3种：传导、对流、辐射。做散热设计时主要从这3个方面去考虑。热辐射是指一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大。热辐射主要以电磁波的形式传播，所以它与机箱的设计关系不大，在设计中主要考虑传导、对流这两种方式。

6.传导方式

热传导通常指物体内部或相互接触的物体间存在温度差时，热量从高温处传向低温处的过程。从上述定义看出密闭加固机箱的中的板卡模块的主要的散热方式为传导散热方式。通过板卡模块上的发热元器件传导到散热板上，然后散热板再传导到机箱上散热。

结语

综上所述，本文提出了一种基于VPX硬件架构的新一代雷达终端的研究，采用服务器移动平台，大幅提升硬件平台计算能力，支持大数据的处理能力；采用VPX加固型结构，支持风冷和导冷；采用新一代终端软件，支持万兆、千兆交换，支持信号处理、航迹数据处理算法库；体现新一代终端精细化、智能化、网络化、标准化、模块化的特点。

显示、录取、接口软件为独立程序，可单独运行，支持电子地图等。该终端平台，显示、录取、接口等功能可根据需要裁剪，用户也可以提供自行开发的雷达接口板及其软件，集成为用户自定义的设备。

[1]李学文．基于VPX总线架构的信号处理机研究[D]．中国航天第二研究院航天科工集团第二研究院，2011．

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