基于VPX的多模数据链终端设计
何源洁 田雨
摘要：数据链终端是数据链系统的重要组成部分。VPX总线是一种能够适应恶劣环境的全新的总线标准。在分析了数据链综合发展需求的基础上，提出了一种基于VPX标准的多模数据链终端架构，并开展了总线架构、硬件架构、软件架构、通用功能模块架构的详细设计和分析，为多模式数据链终端的集成化、通用化、模块化、低功耗提供了一种全新的解决思路。
关键词：VPX；
多模数据链终端；
星形交换
中图分类号：TN919文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）16-56-4
0引言
数据链终端是数据链系统通信介质的物理形态[1]。由于数据链种类繁多、通信体制各式各样，单一体制的数据链终端已经无法满足数据链综合发展的需求。本文提出了一种基于VPX架构的多模数据链终端，将VPX总线标准架构引入数据链终端设计中，实现了多种通信体制、多种通信协议，以及多个通信频段的一体化、通用化设计。从分析VPX标准入手，提出了多模数据链终端的VPX总线架构，开展了硬件及软件架构设计，并详细设计了机箱背板和通用功能模块。
1国内外发展现状
由于涉及保密因素，在国内外文献中很难查到采用VPX架构的数据链终端的相关报道和具体技术指标。为了解决国际贸易协会（VME）总线带宽和功耗受限的问题，美国VITA组织在2004年对VME总线进行了修订，并在2007年发布了全新的VPX标准。此后又在该标准化结构基础上发布了机械加固型的VPX標准，即VITA48标准。该标准很好地解决了结构散热问题，能够满足恶劣环境下超带宽信号处理的需求，也能满足军工系统的严酷需求。目前，美军已经在F-16战机、预警机的雷达系统上采用了VPX标准。由此可见，VPX标准具有很强的环境适应性，对产品的通用化设计表现出了优越性。
国内基于VPX总线架构的雷达系统、控制系统等领域在近几年有一些发展[2]，但在数据链领域的应用极为少见，尤其是在数据链终端方面才刚刚起步，且大部分还处于测试和试验阶段，还未形成成熟的产品。目前，国内很多数据链终端都还是基于分体式独立功能模块方式在发展[3]，采用标准VPX总线技术的多模数据链终端产品还未见有报道，严重制约了我国数据链技术的应用和发展。
2 VPX标准
VPX标准是VITA组织于2007年公开发布的新一代高速串行总线标准[4]，即ANSI/VITA46标准。2010年VITA组织发布了Open VPX标准，随后又发布了模块机械加固型的VPX标准，即VITA48标准。
ANSI/VITA46标准规范继承和延续VME总线的诸多优点，对VPX总线的基本规范、总线信号、机械结构等方面做出了全面的定义。VITA46标准规定了模块结构尺寸采用3U和6U两种；
连接器采用了Multigig RT连接器，并明确了连接器定位螺栓的位置、角度等；
总线采用Serial RapidIO，PCI Express，10 Gbp/s以太网等高速串行总线，对系统的电源供电能力进行了提升，能够提供近千瓦的供电能力；
规范了空气散热、金属传导散热和液体散热3种散热方式[5]。
VITA48标准是一种VPX模块机械加固型的协议族规范[6]，对模块的散热和结构加固等方面进行了重新定义，以满足航空、航天、军事等领域恶劣严酷的使用环境[7]，该标准也被称为VPX REDI规范。
VPX总线标准拥有如下突出特点：①具有超强的输入输出能力、强大的交换能力，同时其背板带宽非常宽，能很好地满足多种通信信号处理对带宽和处理能力的需求。②VPX板卡（模块）的尺寸以及背板的拓扑结构等均采用统一标准，利于数据链终端的通用化、模块化[4]。③VPX架构的数据链终端采用加固结构规范，具有良好的散热系统，同时能够实现超大的功率设计，具有非常好的稳定性和可靠性。这些突出的优点都能满足多模数据链终端的高可靠使用要求。
3多模数据链终端架构设计
多模数据链终端不但要求能进行视距通信，而且能实现组网通信，还能利用不同的中继平台实现多种手段的数据中继通信。因此，要求多模数据链终端具有开放性、扩展性、高可靠的系统架构。下面分别描述基于VPX标准的多模数据链终端总线架构、硬件架构、软件架构、背板设计、通用功能模块设计。
3.1总线架构设计
为了满足多模数据链终端多速率交换的需求，减少数据链终端的种类、体积、重量和功耗，提出采用一种基于OPEN VPX的多模数据链终端系统开放式总线架构。多模数据链终端总线采用星型互联架构，分为高速数据交换网络、中速数据控制网络和低速健康状态管理网络。多模数据链终端与外部设备互连的总线包括：1553B总线、LVDS及以太网等总线。
采用基于中心交换的高速总线结构，总线架构如图1所示。多模数据链终端机箱内部RapidIO高速总线以接口及交换模块为中心，构成星型互联网络，RapidIO总线主要用于高速传输各种业务数据、采样数据及软件升级数据等，最高支持6.25 Gbps的数据交换。
控制管理总线采用CAN总线，用于传输机箱内部的各种参数控制和功能模块回报信息，CAN总线采用主从模式，主控节点工作在主模式，从节点工作在从模式，主控节点采用广播和查询方式与从节点进行通信，控制管理总线架构如图2所示，内部CAN总线不对外开放，保证总线的可靠性，最大通信速率为1 Mbps。
I2C總线是内部健康状态管理总线，可对处理机内部的每个模块进行各种工作状态在线测试，I2C总线是独立供电的总线，采用双总线热备份方式，保证状态监控和管理的可靠性，健康状态管理总线架构如图3所示。I2C总线传输速率设计为400 kbps，用于对多模数据链终端内部各个模块的工作电压、温度、软件加载运行状态及功能模块运行状态等全面检测。其中接口及交换模块作为I2C的主控设备，其他模块作为I2C从控设备对I2C总线进行管理。
除上述主要总线外，为增强系统的可靠性和可扩展性，同时采用LVDS总线和千兆以太网作为高速交换的备份手段，用RS485作为控制和状态管理总线的备份。
3.2硬件架构及背板设计
为了实现设备的小型化、轻量化，多模数据链终端的硬件架构采用VITA48.2标准，将接口、数据交换、管理功能集成在一个硬件板卡中，电源转换为单独板卡。多模数据链终端的硬件架构如图4所示。硬件架构以接口及交换管理为数据交换中心，其他模块单元均是通用模块单元，通过内部总线与接口及交换管理模块单元进行连接，硬件接口上完全兼容，单独的电源模块为各个模块提供电源。
多模数据链终端机箱背板架构根据系统的总线架构采用高速互联背板，以接口及交换管理模块作为中心，各个模块插卡位置等同，可以进行互换。机箱背板架构如图5所示，接口及交换管理模块位置采用标准的VPX接插件，通用模块板卡的硬件定义完全一致，采用数模混装的VPX接插件。
3.3软件架构
多模数据链终端软件架构参考SCA的核心系统软件架构对系统的软件架构进行了设计，系统软件架构分成硬件支撑层、操作系统层、应用层3层。将应用软件与底层的物理硬件资源进行隔离，中间通过硬件驱动程序和应用接口管理软件将应用软件与硬件资源进行连接，多模数据链终端系统软件架构如图6所示。
嵌入式操作系统采用开源的Linux操作系统。在嵌入式操作系统上将底层硬件运算和接口资源（如FFT、异步串口、QSPI接口、SRIO等）封装成应用函数，提供给上层的应用软件进行调用。上层应用软件通过基础应用函数的组合实现不同模式的数据链通信链路功能。
3.4通用功能模块架构
基于VPX的多模数据链终端包含数据处理模块（DPM）、信号处理模块（SPM）、射频处理模块（RFPM）3类3U尺寸的标准通用功能模块。
DPM采用FPGA加ARM处理器的架构，内部采用PCI-E总线将各种接口和存储器连接，DPM架构如图7所示。DPM主要用于完成数据处理、内外部数据交换、内部各个通用模块的数据交换、通用模块的状态及资源管理等。
SPM支持多种数字调制解调体制，如BPSK，QPSK，MSK，2CPFSK，OFDM等，支持多种信息传输速率，能够实现同一硬件设备完成不同信号处理功能。SPM根据不同通信模式的传输信号特点和信号处理的要求，通过动态重载的方式使系统具备相应的通信协议和功能。SPM采用FPGA，ZYNQ（ARM），DAC，ADC组合的架构，ZYNQ处理器作为核心的处理和管理芯片，FPGA作为协处理芯片，为模块提供强大的并行计算能力；
监测ARM处理器作为模块系统的第三方监测芯片单独供电，对模块其他芯片的运行状态和整个模块的功能状态进行采集，SPM架构如图8所示。
数据处理模块均实现射频和数字化集成，可在线配置参数的开放式接口，具有动态配置FPGA和DSP运行参数的功能。在有限的空间内，依靠目前的FPGA和高速DSP器件，采用并行处理结构，实现所需的高运算能力。
RFPM具有通用可配置接口，具备宽带变频功能，采用DSP作为核心处理器。RFPM具有高速SRIO接口，既可完成中频信号的采样输出，又可以实现模拟中频信号的输出，RFPM架构如图9所示。
4结束语
OPEN VPX标准能够工作在恶劣的环境条件下，给种类繁多的数据处理提供各种接口，具有开放式的架构，并提供可靠的操作，非常适合多模数据链终端的应用场景。通过对基于VPX的多模数据链终端架构的设计和分析可知，采用VPX架构能实现多模通信模式数据链终端的硬件通用化、功能软件化。多模数据链终端采用VPX标准不仅提升了系统的性能和可靠性，具有很强的时效性，而且也易于扩展升级，具备了前瞻性，为数据链终端的综合化、通用化、模块化、低功耗提供了一种新的解决思路。
参考文献
[1] ANSI，Inc.ANSI/VITA46.0-2007，American National Standard for VPX Baseline Standard[S].Fountain Hills：VMEbus International Trade Association，2007.
[2]胡倩，陈善志，刘建妥，等.基于VPX架构的遥测采集平台设计[J].宇航计测技术，2017，37（4）：43-48.
[3]邱里鑫，孟芳.基于VPX的自主可控交换板设计[J].计算机与网络，2016，42（15）：60-63.
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[7] ANSI，Inc.ANSI/VITA48.0-2010， Mechanical Specification for Microcomputers Using Ruggedized Enhanced Design Implementation （REDI）[S].Fountain Hills：VMEbus International Trade Association，2010.