一种基于VPX架构的雷达数据记录接口刀片设计

孙宜斌,王其斌,潘 望,杜剑波

(南京莱斯电子设备有限公司,江苏 南京 210007)

0 引言

近年来,由于无人机、隐身战斗机技术的高速发展,国际局势及空中作战方式发生了翻天覆地的变化,传统的地面雷达装备及对空作战思想已经很难适应现如今的复杂空情环境。如何在无人机、隐身飞机越来越多地参与空中作战的情况下,保证自身的主动性,已经成为现代战争的重中之重。由于无人机、隐身飞机的雷达反射面积小,容易被雷达录取终端当作干扰滤除,或者在雷达屏幕稍纵即逝,仅凭地面操作员肉眼很难完全抓住重要空情,但是雷达原始视频信息对于事后重演或分析无人机、隐身飞机的雷达反射特性有着重要参考价值,因此雷达原始视频的可靠稳定记录存储有着重要意义[1]。

雷达原始视频等数据的稳定可靠存储,要求系统具有高速数据吞吐能力及总线带宽。记录接口刀片采用满足VITA46标准的OPEN VPX架构。VPX架构是VITA组织于 2007 年提出的新一代高速串行总线标准,该标准引入了PCIe、SRIO、40 G以太网等目前主流的高速串行通信接口[2],使得该架构技能兼顾传统VME标准在机械强度及散热方面的优势,又能具备高速数据吞吐能力及标准化、通用化、模块化等优势[3-4]。

1 系统工作原理

记录接口刀片作用于符合VPX军用处理规范标准的雷达录取终端中,与其他功能刀片采用全交换网紧密结合的软硬件协同处理与传输方式[5]。对上承接雷达前端信号处理通过40 G以太网络发送的雷达原始视频信息、录取终端中数据处理刀片经kM以太网发送的凝聚后的雷达点航迹数据以及显示控制刀片经kM以太网发送的雷达控制指令等状态信息;对下将接收到的前端数据进行重新编解码,转换成高可靠、低延时的SRIO(Serial Rapid IO)高速接口形式,通过光纤介质将接收到的数据发送至雷达数据记录仪。在整个雷达系统中,充当雷达录取终端与数据记录仪的高速通信桥梁,扮演承上启下的关键角色。记录接口刀片逻辑原理如图1所示。

图1 记录接口刀片逻辑原理

2 系统整体拓扑及主要性能

记录接口刀片系统拓扑如图2所示。CPU采用天津飞腾公司最新的桌面8核处理器腾锐D2000,最高主频可达2.3 GHz;系统内存采用国产紫光DDR4表贴颗粒,整机内存容量8 GB;显示部分采用国产化自主可控的JH920系列XMC显示模块,显存容量8 GB,运算能力可达1.2 T FLOPS;本地存储采用国产鸿秦表贴SSD颗粒,容量128 GB;整板功耗不高于80 W。

图2 记录接口刀片系统拓扑

3 主要功能硬件设计

3.1 内存设计

飞腾D2000处理器支持DDR3、DDRL、DDR4协议,支持两个DDR访问通道,每个通道包含64个数据位和8个ECC校验位。记录接口刀片采用16片紫光DDR4颗粒SCB12Q4G800AF,单颗粒容量4 GB、X8位宽,实现8 GB内存容量。

3.2 SRIO电路设计

SRIO接口是一种前沿的高可靠、低延时的高速通信接口,广泛应用于地面雷达、航空、航天等领域[6]。记录接口刀片采用SRIO接口作为与雷达数据记录仪的数据交互通道,能确保数据传输的稳定性。SRIO接口电路采用IDT公司的Tsi721实现。Tsi721上行为PCIe 2.0×4,下行为×4的SRIO高速接口,速率支持5 Gbps、2.5 Gbps可配置。记录接口刀片采用两片Tsi721芯片,上行通过PCIe Switch芯片PEX8748挂载在飞腾D2000 PCIe接口;下行通过光电转换模块再经光纤与雷达记录仪继续数据交互。SRIO接口电路原理如图3所示。

图3 SRIO电路原理

3.3 40 G以太网电路设计

40 G以太网用于接收雷达前端原始视频数据,记录接口刀片CPU原生一组PCIe×8通过PCIe转40 G以太网芯片XL710,扩展出2路40 G以太网,总线协议标准为40 GBASE-KR4,传输速率峰值为40 Gbps录取终端内部通过40 G网络交换刀片与雷达前端信号处理互联。40 G以太网电路原理如图4所示。

3.4 千兆以太网电路设计

记录接口刀片包含4个kM网卡,其中两路与雷达录取终端网络交换刀片互联,用于接收数据处理刀片发送的凝聚后点航迹数据以及显示控制刀片发送的雷达控制等指令信息,另外两路kM以太网对外与雷达通用记录仪互联,用于将通过网络交换刀片接收到的数据重新编解码后转送给雷达数据记录仪进行存储。实现方式采用PCIe转kM以太网控制芯片NHI350AM4,该芯片上行为PCIe 2.0×4接口,挂载在飞腾D2000的原生PCIe接口,下行输出4路Serdes接口形式的kM以太网。kM以太网电路原理如图5所示。

3.5 本地存储电路设计

本地存储由飞腾D2000原生的一路PCIe×1,通过PCIe转SATA控制芯片88SE9215,扩展出4路SATA接口。4路SATA接口的其中两路引到VPX连接器上;另外两路中的一路接板载mSATA接口用以扩展存储容量,另一路接国产鸿秦表贴128GB SSD颗粒,用于本地存储。

3.6 实物展示介绍

本文设计的记录接口刀片实物如图6所示,已经批量生产应用于某地面雷达站点。记录接口刀片前面板主要包括系统状态指示灯、调试串口接口、USB3.0接口、调试kM网以及VGA输出接口。整体采用冷板强制风冷的散热方式。经过72 h连续运行实验,证明了该散热方式的可行性及系统的稳定性。

图6 记录接口刀片实物

4 软件设计

基于飞腾D2000平台的记录接口刀片操作系统采用银河麒麟V4.0.2版本,软件主要包括设备驱动、上电时序控制及雷达数据处理软件。Tsi721、XL710在飞腾平台下采用Linux版通用驱动,上电时序采用CPLD控制各模块电源的使能和停止,上电时序控制流程如图7所示。

图7 上电时序流程

雷达数据处理软件实现从40 G以太网接收到的雷达原始视频等数据进行重新编码处理后通过SRIO接口发送至雷达数据记录仪。SRIO共有3种事务类型,本设计采用适合大数据传输的SWRITE模式,相比于NWRITE及NWRITE_R事务类型,SWRITE事务在包载荷上更加简洁,开销更小,效率更高[7]。数据处理软件发送数据流程如图8所示。

图8 发送数据流程

5 结语

本文设计了一种基于标准VPX架构的雷达数据记录接口刀片,采用了最新国产飞腾D2000桌面处理器,对外数据交互包括SRIO、40 G以太网等高速接口及kM以太网等通用接口,实现了雷达录取终端与数据记录仪之间数据的高速、稳定且可靠交互的预期目标,对于重要空情的事后重演及无人机、隐身飞机的雷达反射特性研究分析有重要意义,同时,CPU等核心器件的国产化对地面雷达终端的自主可控有重要意义。