基于VPX架构的视频采集设备的设计与实现

范毅　王一兵　袁继荷

关键词：VPX；视频采集；运载火箭；瞄准

中图分类号：V556 文献标识码：A

随着现代微电子技术和微处理技术的不断进步，采用高性能的FPGA、DSP、GPP等组成的异构多处理器系统作为计算处理单元，并采用先进的标准工业总线作为互连体系结构的设计方案，逐渐成为嵌入式计算平台硬件体系结构设计的一种趋势，广泛应用于军事、民用中的无线通信、信号处理、网络交换等领域。

在运载火箭的瞄准过程中，通过操作已知初始方位基准的瞄准设备瞄准箭上目标棱镜确定运载火箭的初始方位角。在以往的瞄准操作过程中，操作人员需要在发射场坪地面瞄准间操作架设的瞄准设备，利用大地坐标点获得方位基准，通过旋转火箭发射平台带动惯组棱镜旋转，使火箭处于射向平面附近，再通过微动瞄准设备瞄准箭上目标棱镜确定目标棱镜初始方位。

传统的瞄准设备需要人员在发射场值守操作，设备不具备发射阶段远程控制、无人操作的能力。为解决无人值守操作的难题，采取近距离水平瞄准方案，即在火箭脐带塔上与箭上惯组位置等高位置设置瞄准工位，瞄准设备通过瞄准箭上惯组棱镜，从而获得箭上惯组棱镜初始方位。在前端瞄准工位设置视频采集设备，在后端指挥大厅设置瞄准控制设备，通过光纤将采集目标视频传输至后端指挥大厅。在火箭加注阶段，可以通过在指挥大厅的后端控制设备控制前端瞄准设备完成瞄准操作，满足了火箭系统无人值守操作的需求。同时，为了响应国家科技装备自主可控的要求，视频采集设备采用了全国产化的技术设计，技术方案符合运载火箭系统快速、自主、可靠、安全的发展方向。

1功能与产品架构

视频采集设备作为运载地面瞄准系统的重要组成部分，是火箭发射控制系统中的分系统节点。视频采集设备通过VGA接口接收来自CCD摄像头的目视视场图像，通过嵌入图像识别软件对目标进行特征识别，解算出惯组棱镜偏离视场中心的极性和偏离大小等。视频采集设备通过2路LC/PC光纖接口的通信方式接收后端瞄准控制设备的控制命令，随后向瞄准控制设备发送瞄准视频图像、瞄准数据、工作状态等信息。操作人员在后端操作瞄准控制设备指挥控制前端瞄准设备完成瞄准操作，实现远控无人值守瞄准。

2技术设计

视频采集设备采用基于高性能龙芯LS3A3000 CPU+7A1000J桥片架构的标准6U VPX主板，板卡设计满足VPX设计规范，在有限的空间内提高运行平台的接口功能，具有良好的兼容性。设备预留具备PCIex4、PCIexl可配置接口的标准3U VPX槽位，通过VPX背板实现高速信号之间的互连和对外接口信号的引出，可灵活配置扩展板卡功能，便于后续功能拓展。视频采集设备对外提供2路VGA、4路自适应千兆以太网、4路USB2.0、l路调试接口，视频采集设备安装中标麒麟操作系统，运行瞄准控制软件。

2.1硬件设计

视频采集设备主要由1块CPU板、1块SATA扩展板、1块BUS板和1块电源模块板组成。CPU板采用VPX总线结构，电源模块使用矩形接插件直接对插至BUS板。机箱内预留标准3U VPX接口板槽位。视频采集设备组成表如下所示。

CPU板采用龙芯LS3A3000处理器+龙芯LS7A1000J桥片架构，龙芯LS3A3000是一个配置为单节点4核的处理器，采用28nm工艺制造，工作主频为1.2GHz。龙芯公司在设计芯片时，充分考虑了芯片的继承性和兼容性，后续推出的LS3A5000以及LS3A5000以后的几代产品，都与LS3A3000引脚Pin-to-Pin兼容，功能兼容，而性能提升，芯片升级以后，可直接在CPU板板卡上焊接新的CPU，无须重新设计。

设备桥片选型为龙芯7A1000，龙芯7A1000桥片是龙芯的第一款专用桥片组产品，用于替代AMDRS780+SB710桥片组，为龙芯处理器提供南北桥功能。桥片通过HT高速总线接口与龙芯3号系列处理器相连，内部集成GPU，Display Controller、DDR3 SDRAM显存控制器，以及PCIe，SATA，USB、GMAC，I2C，UART、GPIO等接口。

机箱内部为标准的6U VPX计算板卡。龙芯LS3A3000处理器拥有双通道内存控制器，外部挂载板贴DDR4内存颗粒，实现共16GB的内存；同时支持ECC功能，处理器之间通过HT3.0总线相连，处理器实现对所有资源进行管理；处理器连接桥片LS7A1000J，CPU板通过LS7A1000J中SATA2.0接口外接MUu SATA电子盘，实现1TB容量的存储；通过国产网络通信芯片实现4路千兆网的功能；提供4路USB2.0接口功能，经过防护电路后引至后出线；控制接口信号输入电源系统，用于控制CPU板的开关机；同时引出5V电压指示灯信号到VPX接插件。

龙芯LS7A1000J桥片中集成了3个独立的SATA控制器，每个控制器控制1个SATA接口，每个接口最高支持3Gb/s的数据速率，兼容串行ATA2.6规范和AHC1.1规范。在CPU板中，SATAO接口采用国产自主可控MiniSATA电子盘的形式扩展了存储功能，电子盘与主板之间通过贵航电器的高速、高可靠板间连接器进行连接，确保连接的可靠性。主控采用国产化SATA主控芯片，外挂两颗紫光DDR3颗粒，布置4颗长江存储256GBTLC FLASH颗粒，总容量达到1TB，具有高度集成化特点。SATA1接口连接1TB容量的机械硬盘。

CPU板中实现了4路10/100/1000M自适应网络，通过龙芯7A1000J桥片的PCIe2.0x4接口连接转换芯片来实现。转换芯片选用国产网络通信芯片，通信芯片通过PCIe×4接口转换为4路千兆网接口，同时该芯片内部包含PHY功能，外部只需连接网络变压器即可。4路网络依据系统需要进行配置。4路网络可以配置成4路独立的网络接口，可以任意两两配置成双冗余网络接口。当配成双冗余网络接口时，网络冗余切换由底层驱动软件实现。另外主板后输出两路光纤接口，光电转换器设计在BUS板上。

CPU板上集成FPGA，通过IP核扩展2路RS232接口，晶振选用18.432Mbps，实现最大通信速率1.152Mbps。接口电路通过深圳国威的SM3232扩展在BUS板上。

视频采集部分设计采取FPGA读取VGA信号，并通过PCIex4与龙芯LS3A3000通信，实现视频信号的采集与处理。

电源模块用于将交流220V转换成3路输出，分别为+12V、+5V、+3.3V输出为各功能板卡提供电源输入，支持最大500w功率输出。电源采用模块化设计，主要由输入整流滤波电路、主功率模块、输出滤波电路、上电控制电路组成。输入整流滤波电路实现将交流输入整流为200V电压，主功率模块实现将200V电压转化为低压输出，输出滤波电路可有效地滤除共模噪声干扰，降低输出纹波，通过上电控制电路控制各路输出上电时序，实现对CPU各功能模块的保护。电源模块支持宽电压输入范围，入口带EMI滤波电路，输出采取均流设计，支持N+1的冗余设计，具有过压、过流、过功率保护功能。

背板设计遵循OpenVPX 3U标准，采用多层布线加滤波技术进行设计，共5槽，分别为1个电源模块板槽位、1个CPU板槽位、1个SATA板槽位、1个扩展板槽位、1个预留槽位。背板选型采用VPX高速连接器，速率最高支持20Gb/s。在背板上设计有焊线区域，将对包括以太网、USB、开关控制等信号从VPX接插件通过挠性印制板与后面板接插件连接，大大减少了机箱内部焊线，提高了生产效率。

2.2软件设计

视频采集设备配套软件由系统软件、配套驱动软件和瞄准控制软件组成，系统软件包括PMON软件和操作系统软件。

PMON系统软件是通用计算机主板模件配套的专用国产固件，为类BIOS软件，主要用于设备资源初始化及引导操作系统启动，以目标码的形式提供，在机器出厂时，通过编程器写入FLASH芯片。

实现的功能包括以下方面：

（1）桥片及控制器初始化；

（2） PMON更新功能（支持本地升级，网络升级）；

（3）多系统启动菜单加载支持，网络加载内核支持；

（4） PMON下的调试命令支持；支持快捷键进入PMON设置界面。

除以上通用功能外，还针对模块进行专用PMON软件配置，将PMON阶段需要初始化的外围设备，准确地反映在配置选项中，删除冗余选项。

操作系统软件集成内核源码树，支持在国产化体系架构下的驱动软件及应用软件开发。主要提供中标麒麟Lmux操作系统和硬件之间的接口，初始化CPU、板载网络、电子盘、USB等接口，加载文件系统根目录引导进入操作系统。

配套驱动为通用计算机配套底层驱动，主要为网络驱动和RS232接口驱动程序。

驱动配套软件实现基本的任务管理／存储管理／通用文件管理／设备管理／网络管理等功能、支持多核多处理器间的运行效率均衡（ SMP）、支持国产处理器配套桥片及各类接口初始化、支持2D/3D图形加速、支持模块配套的USB2.0、KVM、SSD等接口或设备、提供图形控件、支持多字符集等需求。

瞄准控制软件控制瞄准工作流程，指挥前端瞄准设备跟踪棱镜运动，接受来自CCD摄像头的目视视场图像，并对目标进行特征识别，解算出惯组棱镜偏离视场中心的极性和偏离大小。视频流通过网络接口进入视频采集设备后，被接收下来存储在机械硬盘上，同时按照UVC1.1的协议进行视频协议解码，解码后通过VGA接口嵌入显示到本地显示屏的应用程序内，并通过另一路VGA口显示到另一台显示器上。

2.3结构设计

视频采集设备采用VPX架构，其中CPU板采用双龙芯LS3A3000处理器，与显卡板通过VPX背板使用PCIex8进行互联。CPU板的2路VGA信号输出机箱后面板。CPU板的网络信号、USB信号、串口调试信号均通过背板延伸出的挠型印制板直接连至后面板接插件，其余信号使用焊线连至后面板接插件及前面板指示灯。机箱前面板提供电源开关（带锁带灯）、复位按键、状态灯和告警灯；机箱下方带抽拉式键盘。

机箱材料采用铝合金，整体导电氧化处理，提高导电率。分析视频采集设备系统的性能指标和应用环境，并进行优化设计，视频采集設备设计采用VPX架构，机箱采用前插板式全封闭一体化结构，机箱高度为2U，符合通用标准19英寸机柜的上架要求，全密封铝合金拼接结构形式，采用成熟的加固设计和电磁屏蔽设计技术，内部采用导电氧化处理，电磁屏蔽性能良好，抗振性能良好。

机箱散热方式为导冷方式，上、下盖板整板采用均热板，极大地增强了整机的散热能力，满足散热设计要求；同时采用全密封设计，能够满足系统电磁兼容性要求；计算机采用无风扇设计，产品工作时无噪声，满足对产品低噪声的要求。

为了保证接缝处接触良好，实现金属间的接触，不同的结构件的连接结构为镶入式，结合处装导电密封圈，保证镀层导电及机箱导电性能的连续性，能有效地防止电磁泄漏。

结语

无人值守发射是航天发射技术发展的必然趋势，基于VPX构型的视频采集设备具有设备组成简单、自动化程度高、操作流程简化的特点。通过模块化设计可以实现瞄准设备的替代升级，从硬件到软件均采用全国产化的技术设计，顺应了国家科技装备自主可控的要求，满足我国航天发射任务的应用需求，为我国航天事业发展提供有力支撑，在未来运载火箭上有广阔的应用前景。

作者简介：范毅（1978—），男，汉族，北京人，硕士，高级工程师，研究方向：光电与精密仪器设计；王一兵（1965—），男，汉族，北京人，大专，工程师，研究方向：电子测量技术；袁继荷（1991—），男，汉族，北京人，本科，工程师，研究方向：机电精密仪器设计。