張小林　向海斌　鐘　洪

（深圳市億威爾信息技術股份有限公司，廣州 深圳 518057）

基于VPX硬件架構的新一代雷達終端

張小林向海斌鐘洪

（深圳市億威爾信息技術股份有限公司，廣州 深圳 518057）

雷達應用廣泛、功能各異，按其應用領域可分為軍用與民用雷達兩類。前者可進一步分為預警雷達、搜索和警戒雷達、引導指揮雷達、火控雷達、制導雷達、機載雷達等，后者則包括氣象雷達、民用機場雷達、遙感設備雷達和測速雷達等。中國軍用雷達市場高速增長，未來10年市場總規(guī)模有望達到3776億元。我國軍用雷達市場已邁入高速增長階段，預計2025年軍用雷達市場規(guī)模有望達到573億元，年復合增長率高達11．5%，未來十年軍用雷達市場總規(guī)模將達到3776億元。本文對基于VPX硬件架構的新一代雷達終端提出了研究，適應了雷達發(fā)展的趨勢，對我國雷達終端領域的發(fā)展做出了貢獻。

VPX；硬件架構；雷達；終端

0.前言

新一代雷達終端以現代作戰(zhàn)需求與發(fā)展需要為指導，充分利用國內外現有成熟、先進技術，遵循通用化，系列化，組合化“三化”要求，規(guī)范和統(tǒng)一接口類型，信息格式，顯示界面，終端的硬件采用模塊化組件結構，終端的外形結構，尺寸和各模塊組件標準化，終端中的各功能模塊分為通用模塊和專用模塊，通用模塊標準統(tǒng)一，規(guī)格一致，用戶可以根據配套對象的需要，選配不同類型的功能模塊，組合成適用不同裝備使用的同一系列，不同類型終端。

1.系統(tǒng)構成

本文提出了一種基于VPX硬件架構的新一代雷達終端的研究，系統(tǒng)構成包括：顯控板，數據處理板，信號處理板，萬兆/千兆交換板，接口板，風扇，背板，電源，機箱，接口后IO板。研究中，顯控板優(yōu)選為自制型號EW-VP691，標配2塊，且可擴展。數據處理板優(yōu)選為自制型號EW-VP690，標配1塊，且可擴展。信號處理板優(yōu)選3塊。萬兆/千兆交換板為自制型號EW-VP692，標配2塊。接口板優(yōu)選1塊。風扇優(yōu)選1塊。背板優(yōu)選2片，一片5槽，一片10槽。電源優(yōu)選1片。機箱優(yōu)選1個。接口后IO板可配置若干塊。

2.異構主板框圖

圖1為本文基于VPX硬件架構的新一代雷達顯控終端的主板框圖，構成高性能異構計算平臺。

3. VPX主板IPMC設計方案

圖1　

IPMB：Intelligent Platform Management Bus?？紤]到雙處理器的VPX單板集成密度大，為避免IPMC模塊PCB封裝過大影響單板PCB布局，IPMC模塊不采用做成小板扣在主板上的方案，而是采用直接貼片集成在主板上的方案，IPMC模塊原理圖設計成模塊化電路，各VPX單板統(tǒng)一使用同一個模塊化的IPMC電路。并規(guī)劃定義好各個硬件接口的作用和連接方式，VPX單板原理圖設計時只需要按本文檔的硬件接口說明連接即可。

用ARM做IPMC模塊的主控處理器，用CPLD來管理單板的電源，IPMC與CPLD通過8位的數據總線和地址總線通信，從而實現IPMC對電源的管理和監(jiān)測。IPMC通過UART與CPU通信（備用方案用SPI通信）。

單板上背板后，此時IPMC和CPLD先上電，單板上的Payload電源此時沒有上電，IPMC完成應用程序加載和初始化、自檢后發(fā)送上電指令給CPLD，CPLD接收到IPMC的上電指令后打開單板的Payload電源。單板上電完成后，IPMC對單板的溫度和電源進行監(jiān)控，當單板出現溫度、電源和IPMC系統(tǒng)異常時，IPMC將異常信息存入IPMC的事件Log，并通過UART將單板的異常信息上報給CPU，也可以通過CPU來查詢IPMC的信息；IPMC通過IPMB總線來進行風扇轉速調控。

當不需要IPMC功能時，可通過BypassIPMC跳線帽禁止IPMC功能，接上Bypass跳線帽后，CPLD自動按時序打開單板電源，此時IPMC功能失效。因為CPLD直接控制著電源的打開、關斷，升級CPLD會導致單板斷電重啟，因此CPLD不支持遠程升級。

如圖2所示，IPMB_A、IPMB_B冗余IPMB總線通過I2C Buffer連接到Zone1區(qū)，I2C Buffer使用PCA9513A，并用GPIO作為Ready和Enable監(jiān)控，Enable引腳用于使能I2C Buffer，Ready用于檢測I2C Buffer是否已使能。

圖2　IPMC模塊功能框圖

IPMC通過UART與CPU通信，對于雙處理器的單板，IPMC用兩個UART分別與兩個處理器通信，每個處理器單獨用1個UART接口，IPMC通過處理器Online信號檢測單板有1個CPU還是兩個CPU。

RS232調試串口通過電阻或FPGA Switch開關選擇的方式連接到前面板的RJ45串口插座，以便研發(fā)、生產調試。

1個512K字節(jié)的SPI Flash用于數據存儲。由于LPC1778只有3路I2C，其中2路用于作為IPMB總線，只剩下1路I2C不能滿足需求，因此需要用I2C Switch擴展出多路Master Only的I2C總線。具體實現方式是用PCA9545A將1路I2C總線擴展成4路，且4路都支持熱插拔?？紤]到EEPROM中存儲著單板的配置信息，EEPROM讀取失敗會導致單板無法正常啟動，因此I2C-0單獨用于主板的EEPROM；I2C-1用于讀寫Temp傳感器，-48V電源模塊欠壓過壓信息等；I2C-2用于讀寫RTM的I2C器件，如Temp傳感器和EEPROM等；I2C-3預留給AMC使用。

8個ADC用于采集單板的動態(tài)電源的電壓。由于電壓較多，增加兩個多路復用器，共可以采集22路電壓值。

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

溫度告警信號由CPLD監(jiān)控，IPMC通過讀取溫度告警寄存器的值來判斷單板是否有溫度異常告警。

RTM用于監(jiān)控RTM的Online信號。

該項目配套軟件可運行于Windows、Linux平臺上，使用OpenCL語言開發(fā)，應用于雷達信號處理等領域。該項目具有數字正交相位檢波、脈沖壓縮、動目標顯示、恒虛警檢測等理論算法、雷達終端PPI圖像生成以及人機交互、嵌入式高性能通用計算系統(tǒng)的軟硬件設計包括搭載高性能酷睿處理器的單板計算機、搭載GPGPU的高性能異構單板計算模塊、開放的系統(tǒng)間高速串行互聯模塊。

最大可擴展8片異構計算模塊，異構計算模塊間數據傳輸帶寬10Gb/S以上，單個13/42計算節(jié)點最大峰值浮點運算能力每秒1000GFLOPS。另外，全系統(tǒng)采用VPX架構，能夠滿足抗惡劣環(huán)境要求。除此之外，系統(tǒng)采用多星互聯結構，單板功耗低于70W，具有性能良好、易使用的軟件開發(fā)包。編程，軟件中間件，雷達信息處理異構計算函數庫；支持MPI并行計算；動目標顯示MTI、自適應動目標顯示AMTI、動目標檢測MTD、雜波圖、恒虛警CFAR檢測等技術的綜合應用，實現從將雜波背景下檢測目標的任務。多核、多處理器以及異構計算方法對各處理算法進行高效編程并形成標準、通用、使用性強的軟件開發(fā)包，這將可以滿足雷達統(tǒng)計對信號處理的大容量與高實時性要求。

4.機箱熱量分布

機箱采用19″上架式標準機箱，高度7U，外形尺寸為276.5mm×311mm× 436mm。支持前I/O及后I/O插板，支持標準6U VPX板卡垂直插拔。

數據系統(tǒng)板卡主要由數據處理板、顯控板及交換板組成。系統(tǒng)最大支持10槽板卡。每種板卡模塊總功耗約為70W左右，整個系統(tǒng)的總功耗大約有700W。整機的工作溫度為-10℃～50℃。系統(tǒng)不僅功率大，而且板卡模塊排布，熱量集中。因而機箱設計的難度在于機箱的散熱處理。及時有效地將板卡模塊的熱量導出，并從機箱中有效散熱成為設計的重點。

5.散熱設計方案

熱量傳播的方式有3種：傳導、對流、輻射。做散熱設計時主要從這3個方面去考慮。熱輻射是指一切溫度高于絕對零度的物體都能產生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大。熱輻射主要以電磁波的形式傳播，所以它與機箱的設計關系不大，在設計中主要考慮傳導、對流這兩種方式。

6.傳導方式

熱傳導通常指物體內部或相互接觸的物體間存在溫度差時，熱量從高溫處傳向低溫處的過程。從上述定義看出密閉加固機箱的中的板卡模塊的主要的散熱方式為傳導散熱方式。通過板卡模塊上的發(fā)熱元器件傳導到散熱板上，然后散熱板再傳導到機箱上散熱。

結語

綜上所述，本文提出了一種基于VPX硬件架構的新一代雷達終端的研究，采用服務器移動平臺，大幅提升硬件平臺計算能力，支持大數據的處理能力；采用VPX加固型結構，支持風冷和導冷；采用新一代終端軟件，支持萬兆、千兆交換，支持信號處理、航跡數據處理算法庫；體現新一代終端精細化、智能化、網絡化、標準化、模塊化的特點。

顯示、錄取、接口軟件為獨立程序，可單獨運行，支持電子地圖等。該終端平臺，顯示、錄取、接口等功能可根據需要裁剪，用戶也可以提供自行開發(fā)的雷達接口板及其軟件，集成為用戶自定義的設備。

[1]李學文．基于VPX總線架構的信號處理機研究[D]．中國航天第二研究院航天科工集團第二研究院，2011．

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