应用于无人机的新体系数据记录系统设计

王伟伟，王 卿

（中国电子科技集团公司第五十二研究所，浙江 杭州310012）

0 引言

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是一种通过无线遥控或规划航线飞行的无人驾驶飞行器，它一般由动力系统、飞行控制系统、无线通讯遥控系统、有效载荷等部分组成。无人机技术与全球定位系统技术、遥感技术、高分辨率摄影技术相结合，使其具备了快速反应、长航时工作、数据实时采集、作业效率高、适应复杂环境等特点，应用范围变得越来越广。在农业生产的林业监测、牧群定位、农情遥感等方面，在电力行业的电力巡检、电网铺设、线路勘测等方面，在地质行业的地图测绘、地质勘探等方面，甚至在森林防护、抗灾救灾等方面，无人机都有着广泛的应用。目前，无人机按不同用途及性能划分已达数百种之多。时间跨度上，无人机留空从一小时至几十个小时不等。承重能力上，从几千克至几百千克均可。多种传感器与不同无人机的协同作业，使大规模、高强度的不同数据采集成为可能。

无人机的广泛应用促使相关产业技术加速发展，首当其冲的就是无人机数据的记录及处理技术。数据记录设备是无人机系统中的重要组成部分，在载荷数据的采集与存储领域扮演着重要角色。在数据形成后，一般都要把这些数据完好无损地存入数据记录设备中，事后供相关人员参考使用。

在实际应用中，勘测目标分布范围广、隐蔽性高，探测难度越来越大，客观上要求综合运用多种传感器，多角度、连续观测，才能全方位获取实际需要的目标信息。如在农业、地质、电力等多行业领域使用中，逐渐呈现出数据源种类多、数据容量大等特点，同时数据传输和分析的难度也越来越大。以无人机载荷成像技术为例，其发展就凸显如下的特点：（1）高空间分辨率和高时间分辨率的成像精度使得数据带宽和数据量越来越大；（2）多平台多传感器组网融合与集成的需求，对各个传感器的同步性要求十分高；（3）图像解译技术研发和图像数据处理判读显得越来越重要，要求数据存储设备具备一定的分析能力。

最近几年，随着固态存储技术的成熟应用，尤其是Nand Flash存储介质在数据记录设备中的普及应用，使得数据采集记录的速度飞速提高，业界最高采集存储速度陆续突破了几十GB/s的水平。目前无人机领域的数据记录设备，功能还比较单一，主要是实现了载荷数据的高速采集与存储。然而，在当前的应用中，往往还要求数据具有快速回放、快速分析等诸多功能，同时对多源数据的同步性也提出了要求。虽然数据记录设备和工控计算机的配合使用，能够解决数据回放、分析的需求，但是现场复杂的物理连线、额外的互联测试以及设备互联带来的可靠性、兼容性问题等都加大了现场快速部署的难度。特别是在外场进行这种数据采集作业时，更对设备的体积、重量、功耗、可靠性提出了要求，故分立的多设备互连使用方案不太适合现场的快速部署应用。同时也要看到，当前的某些工控计算机虽然也可以集成数据采集功能，但是其常规的CPCI总线带宽限制了采集速度的提升，故单个工控机设备也无法满足高速数据采集、回放、分析的要求。所以有必要对高速数据采集、存储、回放、分析等功能进行综合考虑，在单机设备中进行统一设计，用一种先进、可靠同时又具备抗恶劣环境的技术架构来集成所有这些功能。

本文给出的数据采集、存储、分析一体化设计方案，以高速串行交换技术架构为框架，是一种集成了数据接收与采集、存储与转储、处理与分析等多种功能于一体的新型电子设备，适用于农业、电力、勘探和测绘等多领域应用场景下的数据采集、记录与分析。该设备采用系统功能一体化的设计方法，具备机械加固与抗恶劣环境的特性，并拥有便携的良好特点。

1 高速串行交换技术介绍

在本方案的设计中，最大的难点是如何克服数据带宽的瓶颈问题，使得数据不管在采集环节，还是在处理、分析、存储环节，都能够满足高带宽的要求。经过比较、分析，并考虑到抗恶劣环境性能的要求，选用新型VITA46标准作为系统的基础框架总线。

VITA 46标准是自VME引入后的25年来，对VME总线架构的最重大也是最重要的改进。它增加背板带宽，集成更多的I/O，扩展了格式布局。新串行交换结构技术使得航空嵌入式计算机系统获得更高的性能，同时减少系统成本和重量。如今有多种高性能交换结构技术可供选择。其中Gigabit Ethernet（GbE），Serial RapidIO（SRIO），和 PCI Express（PCIe）尤其突出，优点最多。

GbE是基于IP数据通信的标准，无论是平台间网络还是在同一个背板中的子系统。SRIO是DSP应用中高密度多处理簇互联的最好方式。PCIe事实上已经是核心处理器到外围设备高带宽数据流传输应用的标准。因为不可能有一种网络交换技术可以满足航空嵌入式应用领域中所有的需求，所以Curtiss-Wright公司提出了分层（hierarchy）解决方案——使用GbE作为平台间网络互联，并且使用SRIO和PCIe作为底板总线交换网络互联。通过这种方式，航空系统集成商可以在他们系统中应用交换结构技术。

GbE、SRIO以及PCIe各有优势，如果将这些交换结构结合在一起应用于嵌入式系统中，将形成一种新的功能强大的结构。经过应用，主要芯片、板子的大量真实评估，以及主板整体设计，一种被称为VPX的新的高性能底板问世。无论采用分布的、集中的还是混合的网络拓扑结构，这种存在多种网络交换的计算平台，允许用户选择最合适的网络来满足系统需求设计。GbE可以应用于松散耦合系统的链接；SRIO、PCIe或两者结合使用适合于处理器、外围设备以及板卡之间的紧密耦合通信簇；SRIO更适用于组建网状拓扑结构的数字信号处理器应用；PCIe更适用于核心处理器到外围设备的高带宽数据传输。

在本方案中，根据实际情况，灵活运用这二种高速串行交换技术。基于VITA46技术平台，能够在同一个设备内同时实现数据的高速采集、存储、处理和分析功能。

2 数据记录系统方案

系统方案如图1所示，主要由信号采集模块、信号处理模块、主控模块、数据存储模块和串行数据交换模块组成。

采集模块的主要功能是对各种载荷数据信号进行采集和预处理。为了适应多种类信号的采集需求，在不影响系统结构的前提下，可以按信号类型把采集模块分类别制作成标准模块。

信号处理模块负责载荷数据信号的处理，并把处理结果送给主控模块分析及显示。根据实际的数据带宽和处理要求，可以更换或扩展信号处理模块，使其处理能力达到实际应用需求。信号处理模块通常要求采用模块化、标准化设计，使用统一的硬件平台通过加载不同的软件实现不同的处理功能，这样可提高设备的可靠性，增加系统的可扩展性和灵活性，以满足不同任务的需求。

图1 数据记录系统结构

主控模块作为系统的主控CPU模块。在主控模块上安装本地采集控制软件，系统显示界面由主控模块的显示接口输出。主控模块可以采用标准单板计算机来实现。用户可以运行采集控制软件来进行射频信号或数字信号的接收、采集、存储工作，通过人机交互设备发送控制命令或接收由一体化系统反馈回来的系统状态信息。

下面以PAL模拟视频图像为例，说明设备的工作流程。在进行PAL视频数据采集存储操作时，模拟信号从信号采集模块输入，经过ADC模数转换后，成为数字信号。数字信号经过图像数据的压缩后，再经数据存储模块将数据送入Flash进行存储。采集模块输出的数字信号，也可以送往信号处理模块进行相应的数据处理，处理完成后再送往显示器显示并送往数据存储模块。在不影响设备的正常采集存储工作的情况下，采集的数据经过高速串行总线送至主控模块进行图像处理，在显示屏上实现对载荷数据的实时显示和分析。存储结束后，可以通过千兆网络接口从系统中将载荷数据导出到大容量存储系统（如磁盘阵列）中去，也可以通过采集控制软件的回放操作，将存储的数据在显示屏上进行回放显示。

数据存储模块是整套设备的数据存放中心，负责数据存储，能够接收网络命令、网络数据以及内部总线数据，通过高速串行总线（如SATA）将数据写入到对应的数据存储模块。随着固态存储技术的发展，采用Flash作为数据存储介质，可以达到很高的速度，能够满足现场高速数据记录的要求。

串行数据交换模块作为新体系数据记录系统的数据中心，为信号采集、信号处理及数据存储提供高带宽的交换框架支撑，可以扩展物理采集接口，提升信号并行处理能力，提高数据存储带宽，提升整个系统的灵活性及可拓展性。

下面对系统方案中的主要模块进行介绍。

2.1 信号处理模块

信号处理模块基于VITA46标准设计，采用DSP作为处理节点，以SRIO、PCIe和GbE作为数据和控制命令传输的总线。基于嵌入式系统的VITA46标准，单对线的速率达到10Gbps，解决了数据传输的瓶颈问题。多核DSP处理器浮点处理能力强大，带来数据处理能力的极大提升。信号处理模块的机械结构设计为6U板卡，插入VPX背板的相应插槽，通过数据交换板与其它板卡进行数据交换，各板卡相互之间的数据传输通过高速串行总线实现。信号处理模块的接口定义按VITA46标准确定。根据实际的处理能力需求，信号处理模块的数量可扩展至多个。

2.2 信号采集模块

由于信号类型是多种多样的，而采集模块的前端物理接口种类和数量都是有限的，因此可根据实际情况，设计不同物理接口类型的板卡，满足各种个性化的需求。

下面以典型的载荷图像数据（Camera-Link接口可见光摄像机）为例，给出采集模块的设计方案。如图2所示为Camera-Link图像采集原理框图。原始图像数据通过Camera-Link接口进入采集模块，通过接口芯片的格式转换后成为原始的RGB视频图像数据。RGB数据经过FPGA的控制，逐帧送往DSP进行视频压缩处理。经过压缩后的数据带宽可以下降到原来的1/10至1/100之间，且图像质量无明显改变。数据经DSP压缩后，又返回到FPGA中，并以高速串行接口的方式送往其他模块，如信号处理模块、主控模块或数据存储模块。

图2 Camera-Link图像采集部分原理框图

当原始图像数据的带宽小于系统允许的传输带宽，且图像不允许被压缩时，则图2中DSP的图像压缩功能将被关闭。当有多路数据同时进入采集模块时，通过FPGA的时序处理，可以使多路信号的同步性得到保证。

2.3 数据存储模块

数据存储模块中的FPGA芯片具备Flash控制器功能，在整个Flash控制技术中融入了纠错技术、均衡管理技术、实时坏块剔除技术等多项技术，保证存储数据的正确性、安全性及稳定性。这几项关键技术已在多个数据记录设备项目中成熟应用。

其中，纠错技术采用LDPC算法，用硬件高速电路并行工作，实现高性能的LDPC编码、解码算法，保证Flash数据的正确性。

均衡管理技术采用自主设计的算法，按照系统对数据读写访问的特性，在整个存储空间的BLOCK中均衡地进行ERASE、PROGRAM操作，从而保证整体寿命。

实时坏块剔除技术采用坏块实时监测电路，在读写过程对Flash的BLOCK状态进行实时监测，识别整个存储空间的BAD BLOCK，并进行标识和替换，从而保证对BAD BLOCK的实时剔除。产品上电时，硬件故障自动检测功能会对存储板的所有NAND Flash进行硬件状态检测，如果发现硬件故障，则向上层报告硬件故障的区域。

2.4 显示单元

显示单元是人机交互的接口，采用工业级液晶屏进行加固，已在多个加固计算机产品上批量应用，高低温工作及振动、冲击检验项目下均工作正常。显示屏配合一体化的键盘鼠标，可满足各种人机交互的输入输出功能。

2.5 应用软件设计

软件是一体化系统的核心，有合理的硬件平台架构作为基础，系统的性能和通用性很大程度上取决于软件设计和开发环境的选择。应用软件包含的功能如图3所示。

图3 应用软件设计

（1）采集设置

硬件安装完成后，通过软件配置，可以选择不同信号类型的采集，比如信号类型的选择和配置、采集频率的配置、通道的开关设置等。

（2）同步采集

对各个接口采集到的数字信号进行持续同步采集存储。由于载荷数据分析时对多个传感器的同步性要求十分高，所以在传感器数据采集的时候，就必须考虑同步性问题。本方案中，同步性指标主要通过FPGA可编程电路对多路信号源的时序处理来实现，在各路数据流中添加时间属性。

（3）数据打包

为了满足数据管理的要求，可对原始的数据按照特定的格式进行打包处理，添加各种数据属性信息，比如采集时间、通道数、使用的板卡类型等。

（4）实时显示

采集到的载荷数据，除了被送往存储介质进行保存外，也可以实时显示在液晶显示屏上，便于分析查看信号的实时状态。比如视频图像数据，一般在压缩存储的同时，需要将图像数据送往显示器显示，便于操作人员实时掌握现场的实况。

（5）数据回放

根据需要，可以对存储介质中的数据进行回放，用于分析载荷数据。

（6）数据处理

信号处理模块与完备的人机交互设备（键盘、鼠标、显示器等）相结合，并依靠相应的计算机软件来实现数据处理任务。常用处理算法具有一定的通用性，如图像数据压缩处理、抽帧处理、分辨率变换等。常用处理算法外，本软件系统也提供用户算法接口，实现用户特定的数据处理算法。数据处理分为实时数据处理（在线处理）与历史数据处理（离线处理）。实时数据处理的数据源来自信号接口模块，历史数据处理的数据源来自数据存储模块。数据处理后的数据可在显示屏显示或存入数据存储模块。

3 典型应用

下面以某无人机的多源视频图像为例，说明高速数据记录设备在载荷数据的采集、存储、处理、分析中的应用。如图4所示，该设备实现八路视频图像信号的接收、存储、同步记录、显示与回放。

硬件配置上，一体机配置一块视频图像采集模块（具有4个Camera-Link接口、4个PAL接口）、一个信号处理模块（加载视频图像分析软件）、一个主控模块及存储部分的板卡。信号处理模块完成视频图像实时分析（如目标物体的侦测、识别与锁定），并把分析结果送往存储模块和主控模块。

应用软件上，包括平台软件和应用软件。平台软件包括主控模块的Windows操作系统、数据存储和管理软件、板卡配置和驱动软件等。应用软件包括图像实时显示软件。

图4 两路载荷数据同步记录的实现框图

最终，在存储介质中形成相应的数据文件（原始视频数据文件、图像特征量数据文件），在显示画面形成原始数据和特征量信息。

在实际的工程应用中，会涉及更多及更复杂的处理算法，可以在计算机的Windows平台上集成相应的用户算法。

4 结 语

本文介绍了一种在无人机系统中具有广泛应用前景的高速数据采集、存储、分析一体化设计方案，其存储性能高达5GB/s，可以满足多种载荷数据的连续采集、实时存储、处理、分析的需求。本系统作为一种设计简单而又实用的高速数据采集系统，采用高性能的串行交换VITA46技术，解决了采集系统中经常遇到的存储速率瓶颈的问题，可以与各种载荷设备配合使用，实现载荷数据的高速采集、安全存储、高效管理及有效使用。同时，该平台同时具备计算机和高性能信号处理的功能，故在存储功能的基础上还可实现数据的实时显示、现场回放、实时分析等功能，适用于农业、电力、勘探和测绘等多领域应用场景下的载荷数据采集、记录与分析。