航天測控基于ATCA的高性能測試系統(tǒng)架構(gòu)
[導讀]ATCA體現(xiàn)了開放式、標準化、模塊化、可擴展、可重構(gòu)的設(shè)計理念，ATCA的靈活性、穩(wěn)定性、互操作性、可管理性以及計算性能都有不同等級的得到提升。它的采用使自動測試系統(tǒng)技術(shù)進入一個嶄新階段，完全解決了高速測試領(lǐng)域和相關(guān)軍事應用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問題，因此開展此項技術(shù)研究能夠進一步推動國防工業(yè)試驗與測試技術(shù)發(fā)展，能解決未來型號對試驗與測試技術(shù)的高速傳輸要求及電子戰(zhàn)技術(shù)所需I/O技術(shù)，從根本上解決航天器和武器裝備測試系統(tǒng)控制、通信、數(shù)據(jù)傳輸、存貯、處理等應用需求。
ATCA組織由代表工業(yè)和電信設(shè)備制造商及終端用戶的105個公司組成，大多數(shù)委員會成員業(yè)已根生于CompactPCI生態(tài)環(huán)境，并搜索新的平臺用以承載下一代通信和資料應用。期間大家曾嘗試對2.X標準的修改來滿足電信市場的需求，但只取得了有限的效果，最終不得不承認原有的CompactPCI規(guī)范不能滿足電信應用對單板空間、功耗、帶寬、系統(tǒng)管理的要求，新的標準應運而生。ATCA代表著全開放、模塊化的工業(yè)標準，它可以使設(shè)備制造商采用第三方廠商的可互操作性、成熟的商業(yè)化（COTS）軟硬件組件。ATCA體現(xiàn)了開放式、標準化、模塊化、可擴展、可重構(gòu)的設(shè)計理念，ATCA的靈活性、穩(wěn)定性、互操作性、可管理性以及計算性能都有不同等級的得到提升。標準化、模塊化的設(shè)備很容易大規(guī)模生產(chǎn)，從而降低產(chǎn)品的價格，標準化和模塊化可使產(chǎn)品快速進入市場。標準化的內(nèi)、外部接口和開放式的平臺，使得只要處理板或刀片服務器遵循ATCA接口規(guī)范就可以插入到平臺中，在快速實現(xiàn)集成或升級換代的同時，增強了系統(tǒng)的整體兼容性。ATCA的諸多優(yōu)勢能夠很好的滿足產(chǎn)品的設(shè)計需求。
一、高端測試應用需求
未來的測試領(lǐng)域?qū)TCA也存在很大的應用需求。測試總線技術(shù)如VXI、PXI總線是自動測試系統(tǒng)的一個關(guān)鍵組成部分。VXI、PXI總線都是基于共享總線技術(shù)，即多個模塊共享該總線帶寬，當測試系統(tǒng)內(nèi)的模塊增多時，每個模塊只能分配一定的帶寬。近幾年來，隨著通信、雷達等系統(tǒng)帶寬不斷的增加，為了完成對這些系統(tǒng)的測試，現(xiàn)有的基于共享總線的測試總線技術(shù)有限的信息交換能力越來越難以滿足應用需求。正是在應用需求的牽引下，近幾年來陸續(xù)出現(xiàn)了多種高速串行總線技術(shù)，如PCI-E、RapidIO、Gigbe、Infiniband、StarFabric，這些總線可構(gòu)成先進的交換架構(gòu)，數(shù)據(jù)吞吐量相對于早期的VXI、PXI總線提高了幾十上百倍。圖1給出了現(xiàn)有并行總線和ATCA的數(shù)據(jù)傳輸性能對比。
二、基于ATCA的測試系統(tǒng)架構(gòu)
ATCA標準包括核心核心規(guī)范和輔助規(guī)范，ATCA核心規(guī)范即PICMG 3.0，核心規(guī)范中定義了機械結(jié)構(gòu)、電源分配、散熱管理和系統(tǒng)管理。各自的電氣連結(jié)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐負浣Y(jié)構(gòu)因基于特定傳輸?shù)男枨蠖槐M相同。ATCA的所有傳輸模式都是構(gòu)架在高可靠度的系統(tǒng)之上，故不會因為單點故障而導致傳輸?shù)陌c瘓。多傳輸模式的選擇使得控制和數(shù)據(jù)傳輸分離, 而每種傳輸類型又可被區(qū)分為單個獨立的傳輸。
一、高端測試應用需求
未來的測試領(lǐng)域?qū)TCA也存在很大的應用需求。測試總線技術(shù)如VXI、PXI總線是自動測試系統(tǒng)的一個關(guān)鍵組成部分。VXI、PXI總線都是基于共享總線技術(shù)，即多個模塊共享該總線帶寬，當測試系統(tǒng)內(nèi)的模塊增多時，每個模塊只能分配一定的帶寬。近幾年來，隨著通信、雷達等系統(tǒng)帶寬不斷的增加，為了完成對這些系統(tǒng)的測試，現(xiàn)有的基于共享總線的測試總線技術(shù)有限的信息交換能力越來越難以滿足應用需求。正是在應用需求的牽引下，近幾年來陸續(xù)出現(xiàn)了多種高速串行總線技術(shù)，如PCI-E、RapidIO、Gigbe、Infiniband、StarFabric，這些總線可構(gòu)成先進的交換架構(gòu)，數(shù)據(jù)吞吐量相對于早期的VXI、PXI總線提高了幾十上百倍。圖1給出了現(xiàn)有并行總線和ATCA的數(shù)據(jù)傳輸性能對比。
圖1 總線技術(shù)發(fā)展趨勢
基于這些高速串行總線的交換架構(gòu)可成功的解決測試系統(tǒng)的瓶頸問題，提供了一種最佳的、理想的解決方案。下面舉幾個ATCA在測試領(lǐng)域的應用實例。
軟件無線電技術(shù)是統(tǒng)一的通信信號處理平臺，即用軟件實現(xiàn)無線電信號的調(diào)制與解調(diào)，軟件無線電由前端信號調(diào)理、高速A/D和通信信號處理3大部分組成，其中通信信號處理是其關(guān)鍵和核心所在。目前軍用的無線電信號正在向?qū)拵Щ虺瑢拵Оl(fā)展，為了處理這樣的通信信號，A/D采集速率通常為幾GHz或幾十GHz,為了處理多種通信信號格式如TH-CDMA、FH-CDMA、DS-CDMA、OFDM，則需要多塊通信信號處理板，另外還需要系統(tǒng)協(xié)調(diào)和控制板、應用板卡，軟件無線電平臺中板卡和板卡之間數(shù)據(jù)交互量是驚人的，ATCA無疑為該類應用提供了一個良好的解決方案。
雷達信號處理平臺和軟件無線電平臺有著相似的構(gòu)成，包括微波/射頻組件、高速A/D采集組件、多塊雷達信號處理板卡、系統(tǒng)協(xié)調(diào)與控制板卡、應用板卡。多塊雷達信號處理板卡負責處理各類雷達信號，包括常規(guī)雷達、參差雷達、抖動雷達、捷變頻雷達、線性調(diào)頻雷達及其多種參數(shù)組合的雷達。將數(shù)字處理手段提升到雷達信號處理的前端（和軟件無線電類似，將數(shù)字化部分延伸到射頻部分）將獲得更佳的性能和更佳的可靠性，這就對高速數(shù)字傳輸提出了更高的要求。ATCA核心規(guī)范及其輔助規(guī)范為通用雷達信號處理平臺提供了良好的解決方案。
多媒體測試涉及多路流媒體信號的處理和分析，信號處理的運算量是巨大的，中間的測試信息需要存儲，這樣必涉及到多個模塊之間的高速數(shù)據(jù)交換。近幾年來，通信技術(shù)不斷進步和發(fā)展，其中一個最大的推動便是多媒體業(yè)務需求。兩大網(wǎng)絡(luò)，即移動通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的帶寬不斷提升，如移動通信終端已經(jīng)歷了2G、2.5G的歷程，現(xiàn)正進入3G通信時代，終端能夠提供的信息速率也從十幾KHz至幾百KHz，Internet網(wǎng)絡(luò)終端也經(jīng)歷了十兆、百兆至千兆以太網(wǎng)，兩大網(wǎng)絡(luò)性能提升都和多媒體應用需求有著密切的關(guān)系。對于移動通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)絡(luò)的多媒體測試是重要的，容易看出，核心網(wǎng)絡(luò)的流媒體數(shù)據(jù)量是巨大的。無疑，ATCA的高級交換框架結(jié)構(gòu)為多媒體測試提供了理想的平臺。
分布式測試與故障診斷系統(tǒng)。為了完成測試與故障診斷需求，需要采集多路視頻、語音或其它傳感器信號，某些信號需要傳遞到多個遠程控制終端，某些信號還要按一定的要求存儲備份一段時間。由于涉及到多路視頻、語音和其它傳感器信號，對中心交換單元的數(shù)據(jù)吞吐量有著很高的要求，對于中心交換單元的延遲也有不同等級的要求，如對視頻和語音信號要求中心交換單元能夠高質(zhì)量的服務等級，而對于某些傳感器信號服務等級要求不是很高?；赑CI-E協(xié)議規(guī)范的ATCA的高級交換框架結(jié)構(gòu)能夠拓展到2.5Tbps的超高速數(shù)據(jù)交換及其不同等級的服務質(zhì)量，解決了遠程分布式測試與故障診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換瓶頸，并為該系統(tǒng)未來二十多年的擴展升級作了預留。
幾年前，VXI、PXI測試總線技術(shù)只能提供有限的數(shù)據(jù)交換能力，因此一些模塊插卡只能交換一些運算結(jié)果信息，而舍棄一些中間運算結(jié)果信息，ATCA的高級框架結(jié)構(gòu)能夠提供更高的數(shù)據(jù)交換能力，基于這一特性，未來的測試系統(tǒng)具備最佳的模塊化結(jié)構(gòu)、更佳的易擴展性、更高的性能、更低的價格。ATCA高級交換帶來的全方位的信息互通將是未來先進測試系統(tǒng)革新的源動力和技術(shù)保障。
軟件無線電技術(shù)是統(tǒng)一的通信信號處理平臺，即用軟件實現(xiàn)無線電信號的調(diào)制與解調(diào)，軟件無線電由前端信號調(diào)理、高速A/D和通信信號處理3大部分組成，其中通信信號處理是其關(guān)鍵和核心所在。目前軍用的無線電信號正在向?qū)拵Щ虺瑢拵Оl(fā)展，為了處理這樣的通信信號，A/D采集速率通常為幾GHz或幾十GHz,為了處理多種通信信號格式如TH-CDMA、FH-CDMA、DS-CDMA、OFDM，則需要多塊通信信號處理板，另外還需要系統(tǒng)協(xié)調(diào)和控制板、應用板卡，軟件無線電平臺中板卡和板卡之間數(shù)據(jù)交互量是驚人的，ATCA無疑為該類應用提供了一個良好的解決方案。
雷達信號處理平臺和軟件無線電平臺有著相似的構(gòu)成，包括微波/射頻組件、高速A/D采集組件、多塊雷達信號處理板卡、系統(tǒng)協(xié)調(diào)與控制板卡、應用板卡。多塊雷達信號處理板卡負責處理各類雷達信號，包括常規(guī)雷達、參差雷達、抖動雷達、捷變頻雷達、線性調(diào)頻雷達及其多種參數(shù)組合的雷達。將數(shù)字處理手段提升到雷達信號處理的前端（和軟件無線電類似，將數(shù)字化部分延伸到射頻部分）將獲得更佳的性能和更佳的可靠性，這就對高速數(shù)字傳輸提出了更高的要求。ATCA核心規(guī)范及其輔助規(guī)范為通用雷達信號處理平臺提供了良好的解決方案。
多媒體測試涉及多路流媒體信號的處理和分析，信號處理的運算量是巨大的，中間的測試信息需要存儲，這樣必涉及到多個模塊之間的高速數(shù)據(jù)交換。近幾年來，通信技術(shù)不斷進步和發(fā)展，其中一個最大的推動便是多媒體業(yè)務需求。兩大網(wǎng)絡(luò)，即移動通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的帶寬不斷提升，如移動通信終端已經(jīng)歷了2G、2.5G的歷程，現(xiàn)正進入3G通信時代，終端能夠提供的信息速率也從十幾KHz至幾百KHz，Internet網(wǎng)絡(luò)終端也經(jīng)歷了十兆、百兆至千兆以太網(wǎng)，兩大網(wǎng)絡(luò)性能提升都和多媒體應用需求有著密切的關(guān)系。對于移動通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)絡(luò)的多媒體測試是重要的，容易看出，核心網(wǎng)絡(luò)的流媒體數(shù)據(jù)量是巨大的。無疑，ATCA的高級交換框架結(jié)構(gòu)為多媒體測試提供了理想的平臺。
分布式測試與故障診斷系統(tǒng)。為了完成測試與故障診斷需求，需要采集多路視頻、語音或其它傳感器信號，某些信號需要傳遞到多個遠程控制終端，某些信號還要按一定的要求存儲備份一段時間。由于涉及到多路視頻、語音和其它傳感器信號，對中心交換單元的數(shù)據(jù)吞吐量有著很高的要求，對于中心交換單元的延遲也有不同等級的要求，如對視頻和語音信號要求中心交換單元能夠高質(zhì)量的服務等級，而對于某些傳感器信號服務等級要求不是很高?；赑CI-E協(xié)議規(guī)范的ATCA的高級交換框架結(jié)構(gòu)能夠拓展到2.5Tbps的超高速數(shù)據(jù)交換及其不同等級的服務質(zhì)量，解決了遠程分布式測試與故障診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換瓶頸，并為該系統(tǒng)未來二十多年的擴展升級作了預留。
幾年前，VXI、PXI測試總線技術(shù)只能提供有限的數(shù)據(jù)交換能力，因此一些模塊插卡只能交換一些運算結(jié)果信息，而舍棄一些中間運算結(jié)果信息，ATCA的高級框架結(jié)構(gòu)能夠提供更高的數(shù)據(jù)交換能力，基于這一特性，未來的測試系統(tǒng)具備最佳的模塊化結(jié)構(gòu)、更佳的易擴展性、更高的性能、更低的價格。ATCA高級交換帶來的全方位的信息互通將是未來先進測試系統(tǒng)革新的源動力和技術(shù)保障。
二、基于ATCA的測試系統(tǒng)架構(gòu)
ATCA標準包括核心核心規(guī)范和輔助規(guī)范，ATCA核心規(guī)范即PICMG 3.0，核心規(guī)范中定義了機械結(jié)構(gòu)、電源分配、散熱管理和系統(tǒng)管理。各自的電氣連結(jié)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐負浣Y(jié)構(gòu)因基于特定傳輸?shù)男枨蠖槐M相同。ATCA的所有傳輸模式都是構(gòu)架在高可靠度的系統(tǒng)之上，故不會因為單點故障而導致傳輸?shù)陌c瘓。多傳輸模式的選擇使得控制和數(shù)據(jù)傳輸分離, 而每種傳輸類型又可被區(qū)分為單個獨立的傳輸。
圖2 PCI-E協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
輔助規(guī)范PICMG 3.1- PICMG 3.5定義了點對點之間連接的協(xié)議，其中PICMG 3.1是千兆以太網(wǎng)和光纖傳輸，PICMG 3.2是InfiniBand傳輸，PICMG 3.3是StarFabric傳輸，PICMG 3.4是PCI-E傳輸，PIC3.5是RapidIO傳輸。輔助規(guī)范中除了PICMG 3.1包括ISO定義的7層協(xié)議，其它可視為3層體系結(jié)構(gòu)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和事務層。物理層采用低電壓差分信號LVDS，為了平衡直流分量和減少EMI，物理層采用8b/10b編碼，因為輔助規(guī)范的物理層相同，因此同一個ATCA機箱中可插入支持不同輔助規(guī)范的功能刀片。圖2給出了PICMG 3.4即PCI-E協(xié)議體系架構(gòu)。
傳統(tǒng)的VXI、PXI測試總線基于共享總線結(jié)構(gòu)，而ATCA基于高級交換框架結(jié)構(gòu)，技術(shù)上的革新導致了數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性都有不同等級的提升。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)通常由控制計算機（控制器）、零槽控制器和多個模塊化儀器組成。ATCA系統(tǒng)基于交換架構(gòu)，控制器和模塊化儀器之間通過交換刀片交互數(shù)據(jù)，另外，模塊化儀器之間也可以通過交換刀片交互數(shù)據(jù)，從組件在測試系統(tǒng)中充當?shù)慕巧珌砜矗珹TCA中交換刀片的作用類似于傳統(tǒng)測試系統(tǒng)中的零槽控制器。圖3給出了基于雙星型互連的ATCA測試系統(tǒng)架構(gòu)。
傳統(tǒng)的VXI、PXI測試總線基于共享總線結(jié)構(gòu)，而ATCA基于高級交換框架結(jié)構(gòu)，技術(shù)上的革新導致了數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性都有不同等級的提升。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)通常由控制計算機（控制器）、零槽控制器和多個模塊化儀器組成。ATCA系統(tǒng)基于交換架構(gòu)，控制器和模塊化儀器之間通過交換刀片交互數(shù)據(jù)，另外，模塊化儀器之間也可以通過交換刀片交互數(shù)據(jù)，從組件在測試系統(tǒng)中充當?shù)慕巧珌砜矗珹TCA中交換刀片的作用類似于傳統(tǒng)測試系統(tǒng)中的零槽控制器。圖3給出了基于雙星型互連的ATCA測試系統(tǒng)架構(gòu)。
圖3 基于雙星型互連的ATCA拓撲結(jié)構(gòu)
圖4 基于全網(wǎng)狀互連的ATCA拓撲結(jié)構(gòu)
交換架構(gòu)除了雙星型外，還可采用全網(wǎng)狀互連，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。全網(wǎng)狀互連增加了數(shù)據(jù)交換的帶寬，但增加了測試系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜度和成本，另外測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換吞吐量需求要低于電信應用，因此雙星型互連的拓撲結(jié)構(gòu)非常適合測試系統(tǒng)應用。
圖5 基于ATCA架構(gòu)的測試系統(tǒng)應用示例
圖5給出了一個典型的基于ATCA架構(gòu)的測試系統(tǒng)，刀片互連拓撲結(jié)構(gòu)為雙星型，系統(tǒng)中包括2個交換刀片、1個處理器刀片、4個數(shù)字化儀刀片和2個高速存儲刀片。處理器刀片通常由多個Intel處理器組成，以增加多任務處理性能，平臺軟件運行于處理器刀片上。交換刀片是ATCA的核心所在，應承載ATCA的一個輔助規(guī)范，交換刀片能夠提供不同的質(zhì)量服務等級Qos，以滿足實時業(yè)務（如圖像、語音業(yè)務）的數(shù)據(jù)交換需求。
綜上，ATCA體現(xiàn)了開放式、標準化、模塊化、可擴展、可重構(gòu)的設(shè)計理念，ATCA的靈活性、穩(wěn)定性、互操作性、可管理性以及計算性能都有不同等級的得到提升。它的采用使自動測試系統(tǒng)技術(shù)進入一個嶄新階段，完全解決了高速測試領(lǐng)域和相關(guān)軍事應用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問題，因此開展此項技術(shù)研究能夠進一步推動國防工業(yè)試驗與測試技術(shù)發(fā)展，能解決未來型號對試驗與測試技術(shù)的高速傳輸要求及電子戰(zhàn)技術(shù)所需I/O技術(shù)，從根本上解決航天器和武器裝備測試系統(tǒng)控制、通信、數(shù)據(jù)傳輸、存貯、處理等應用需求。
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