一种机载综合射频系统通用处理模块设计.pdf

引用格式:范坤.一种机载综合射频系统通用处理模块设计.航空计算技术():.():.一种机载综合射频系统通用处理模块设计范 坤(西南电子技术研究所四川 成都)摘 要:针对综合射频系统模块一体化发展需求为雷达、电子战和通信导航识别系统提供统一的通用化处理平台集中共用处理资源提升系统处理能力、集成度和综合化程度 设计了一种高性能多核多处理器架构的通用处理模块着重介绍了硬件系统设计结合 结构标准采用软件通信开放式体系实现功能动态部署和重构 经试验验证和工程应用表明通用处理模块工作稳定可靠设计满足综合射频系统硬件资源和软件资源的通用化、模块化需求具有一定的应用推广价值关键词:机载设备综合射频系统通用处理多核多处理器软件通信架构中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言传统雷达、电子战、通信导航识别(简称)功能通过各自独立的设备实现系统级的资源通用化设计和综合化程度不高 新一代综合射频系统在综合模块化航电系统 架构基础之上提出综合射频模块一体化设计思路集中处理资源组成通用处理平台利用相同的硬件平台上加载不同的软件实现不同的功能国外 战机代表了当前机载射频综合技术的领先水平其航电系统采用通用化模块设计核心处理机内部通用处理模块采用多处理器架构集成 个高性能 系列 内核处理器 国内某中型运输机中处理模块集成 个 芯片某机载数据处理模块采用 个双核 处理器某机载嵌入式系统设计出 个 组成处理器阵列的通用处理模块随着嵌入式技术的发展 处理器架构在 系列之后升级为 架构主要应用于高性能、高能效场景 为提高机载综合射频系统通用处理平台收稿日期:修订日期:基金项目:装备预研联合基金项目资助()作者简介:范 坤()男山东嘉祥人工程师硕士第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .的性能和综合化能力本文设计并实现了一种基于 多核多处理器架构的通用处理模块采用符合 标准的 模块结构具有高性能多核处理、高速率网络通信、综合化程度高、多处理器集成度高等特点大幅提升系统的性能和集成度适应新一代机载综合射频系统通用处理平台的应用需求 需求分析为满足雷达、电子战和 子系统对综合射频系统通用处理平台资源的需求通过对各子系统处理平台现有的设计实现和资源情况进行梳理对比和分析得出适用于通用化硬件平台的统型设计和资源规划文献和文献对雷达处理平台的设计均采用 片 双核处理器 板间和板内使用 总线进行数据交换实现雷达信号的实时处理、雷达资源调度、目标检测识别和成像等功能文献设计了一种新型高性能电子侦察处理机信号处理模块选用 片 四核八线程 处理器通过 路 接口实现侦察流程控制、信号参数测量、信号分选和测向等侦察处理功能文献在某综合模块化的通信导航识别系统中采用 双核 处理器实现通用信道处理模块划分 个 应用分区完成接口控制和状态管理、功能参数加载调度和综合管理表 表明与雷达系统常用的 相比 处理器的定点处理能力提高了 倍浮点处理能力提高了 倍 按类比法 片 可替代原 片 的同时体积功耗都有大幅下降 系表 处理器参数对比对比项目内核四核八线程双核 双核 最大主频.定点处理能力 浮点处理能力 接口 路 线速 路 线速.路 /路 线速.接口 路.路.路.路.以太网接口 路 路 路 无 路/路 接口 路 路 路尺寸/(长 宽 高).典型功耗.统上采用的 处理器主要使用定点处理能力其浮点运算占比例较低选用 处理器进行数据处理的能力相当于 片 完全满足整数计算需求综合选型分析核心处理器统型为 通用处理模块设计 片 处理器用于雷达功能电子对抗功能保持 片 不变 使用 片 采用分区模式同时为了满足重构和扩展需求芯片级备份 片 一个模块内共集成 片 高性能处理器与独立子系统相比模块的种类和数量减少约 在满足处理能力的同时降低了功耗和体积符合通用平台集成度高、综合化程度高的使用需求 硬件系统设计.组成通用处理模块主要包括 个 处理单元、组成的控制管理单元、交换电路、以太网交换电路、电源单元等功能电路用来完成信息的传输、数据的处理 模块原理框图如图 所示图 模块原理框图.处理单元设计模块设计 个 处理单元采用相同的最小系统内部独立供电 各单元选用四核 双线程 处理器最高主频.使用 颗 内存阵列位宽 位存储空间 片 存储器数据位宽 存储容量 路 调试串口 路 总线经以太网交换实现调试和数据通信 路 总线线速率/与 交换相连实现模块内部芯片级的互联和模块外部高速数据交换 路 总线与控制管理 相连实现逻辑控制和对外低速通信可通过获取内部通道寄存器识别出处理器 对应的单元号 年 月范 坤:一种机载综合射频系统通用处理模块设计 .控制管理单元设计控制管理单元由 和 功能电路组成完成模块的控制管理、健康管理和状态上报等功能 电路选用 作为核心器件主频 集成 路 位 采样、路 总线接口实现系统对模块的管理控制、内部健康管理收集上报其中健康管理包括核心电压检测、整板电流检测、与 通信获取关键器件温度、汇总各 单元 结果 采用 芯片 主要完成与内部 单元通过 总线通信与 通过 总线数据交互通过 对各 单元独立电源控制和复位管理周期对各 单元温度采集实现各 单元 串口切换功能管理 交换及以太网交换芯片功能提供对外、等接口控制和离散信号采集等功能.交换电路设计 交换电路选用单片高性能 芯片实现高速互连 网络满足 .规范具备 个端口、个双向 通道支持、和 传输速率支持./、./、./、/和./单独配置最高可提供 /的数据吞吐量控制管理单元通过 接口对 交换芯片的寄存器进行配置管理实现对内分别连接 路 到各 单元以及对外 路、路 接口总计 路 高速数据交换端口所有 端口传输速率默认配置为 /理论数据吞吐总量将达到 /.以太网交换电路设计以太网交换电路采用一片 芯片最大支持 路./速率的/接口控制管理单元通过 接口对以太网交换芯片配置和管理 处理单元各连接 路 作为调试和数据通信接口对外提供 路可配置/接口可直接与其他系统通信 路 接口经 芯片连接到 实现网口调试.电源单元设计.电源需求及功耗分析模块电源由外部 提供内部将输入电源转换成工作电源经电源管理芯片 电路保护与控制具备加电控制、浪涌电流限制、短路保护、过压、欠压、过流保护等功能每个 单元电压需要.、.、.、.、.共 种电源要求核电压.先上电处理器工作频率在.典型功耗约 的核电压和 电压需要.和.无严格上电时序要求功耗约.的核电压和 电压共 种分别为:.、.、.和.要求核电压.先上电功耗约 交换电路需要.、.、.种电源要求.先上电功耗约.以太网交换电路需要.、.、.种电源无严格上电时序要求功耗约.其他电路功耗约 模块预估总功耗约.加电控制与低功耗控制为有效降低功耗对系统的影响模块电源设计具备整体加电控制和 单元独立上下电两种低功耗控制功能 整体加电控制通过外部输入离散加电控制信号到电源管理 芯片的停机控制引脚信号电平为.以上或悬空时电源正常输出当信号电平小于.时电源输出关断 控制管理单元通过 总线接收系统低功耗控制命令实现对不同 单元进行上下电控制在低功耗工作模式下保留最小的处理资源需求 结构设计.结构组成模块结构形式兼容 封装标准主体尺寸为.重量不大于.模块插头采用新一代 系列高速连接器具有模块化组合式结构同时实现光、高速差分和电源等信号集成传输差分接触件支持、以太网等常用高速总线传输速率可达/能承受酸性盐雾、酸性大气等海洋环境指标满足新一代综合航电系统应用环境模块内部结构由载板和子卡组成其中子卡部署 个 单元 外部结构包含液冷盒体、盖板、锁紧装置等部分组成.热设计因单模块功耗大于 采取液冷散热方式模块内部产生的热全部通过穿通液冷带走流道分布在液冷板内主要散热器件使用导热胶垫与液冷板进行接触导热可实现各个 单元间温度差小于 达到内部均温外部液冷源提供 冷却液在供液温度 供液流量 /环境温度 的边界条件下仿真计算各主要发热器件的结温最大结温为 温度.低于器件要求的 其他器件也都低于许用温度模块能够正常工作 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期.试验验证经环境试验测试常温环境供液温度 时模块功耗实测 单元中最高温度 最小 相差 高温 环境供液温度 时模块功耗实测 单元中最高温度 最小 相差也在 内 经实测核心器件高温工作温度低于仿真的最高温度热可靠性进一步提高 软件设计软件架构按照软件通信体系结构()开放式软件规范设计采用层次化结构模型分为应用软件层、平台软件层和操作系统层其分层结构如图 所示图 软件分层架构操作系统层提供处理器软件运行环境为平台软件和应用软件提供多核()操作系统或多核分区操作系统包括板级支持包和外设资源调度管理、接口驱动等设备适配层软件平台软件层由通用的接口、标准的软件功能组件提供处理器间互联互通服务 通信中间件通过屏蔽底层总线差异实现上层软件与底层总线的分离增强应用软件的可移植性 核心框架是 架构的核心管理单元基于规范化的流程和标准接口负责波形在平台中构建和解构管理提供标准化的波形管理能力应用软件层在平台软件层之上在通用的处理平台上实现硬件和软件之间解耦同时 内核向下兼容在 内核开发的航电程序雷达、电子战、数据处理功能软件重新编译就可移植到本平台 系统通过核心框架完成各功能资源加载和控制、波形参数管理和处理形成多种传感器功能系统在通用的处理平台上根据功能资源配置参数加载不同功能波形软件具有备份和重构的能力当通用资源上部署的某个功能故障时能够构建到备份资源也可以依据不同应用场景的需求实现高优先级功能抢占低优先级功能资源的降级重构能力 结束语本文以机载综合射频系统通用处理平台需求为基础通过对高性能多核多处理器架构的硬件系统、结构形式和软件设计分析实现了一种满足雷达、电子对抗、功能波形高度综合的通用处理模块具有高性能处理能力、高速通信速率、软件可移植性高、可备份和重构波形功能、集成度高等优点 产品经过温度和振动环境试验验证、系统联试应用验证并随某型机完成科研试飞工作表明设备质量稳定可靠有效支撑新一代综合射频系统通用处理资源高度综合化可推广应用至同类型机载一体化综合射频系统参考文献:关中锋.基于软件无线电的多功能射频综合一体化设计.通信技术():.聂敏.基于 处理器的 系统研究.南京:南京航空航天大学:.黄润龙.新一代直升机综合数据处理平台设计及应用.电讯技术():.袁迹韩嫚莉.基于 双核处理器的机载数据处理模块设计.信息通信():.戴小氐王婷.基于 的机载嵌入式系统通信设计与实现.电光与控制():.李瑛王向进盛定仪.基于 标准的雷达信号处理平台的设计与实现.电子测量技术():.蒋迺倜付林姜小祥等.一种可配置的雷达信息处理平台实现方法.雷达与对抗():.李红兵.总线及其在电子侦察处理机的应用.雷达与对抗():.梅云华.在综合模块化航空电子系统中的应用研究.信息技术与信息化():.李成文俞大磊丰生磊等.机载综合核心处理机标准化研究.航空计算技术():.年 月范 坤:一种机载综合射频系统通用处理模块设计