基于VPX总线、可重构信号处理模块 【技术领域】
本发明涉及一种基于VPX总线、可重构信号处理模块，属于数字信号处理领域。
背景技术
数字信号处理技术主要实现对时域、频域和空域的信号处理，例如雷达信号处理、电子对抗、通信等电子系统设备。这些领域中的信号处理运算量大，算法结构复杂，这就要求数字信号处理系统具备更强的实时处理能力和高速数据通讯能力。为了满足应用系统日益增长的对信号处理能力的要求，需要研制新一代数字信号处理模块。
【发明内容】
1、所要解决的技术问题：
针对以上问题本发明提供了一种基于VPX总线、可重构信号处理模块。
2、技术方案：
一种基于VPX总线、可重构信号处理模块包括高速板卡、前面板、散热盖板、模块插拔器、定位销、锁紧机构部件；
高速板卡包括一块高速印制板以及焊接在上面的器件，高速印制板的外形为VPX 6U标准板型；焊接器件包括供电电路、通用处理器、桥接芯片、可编程逻辑(FPGA)芯片、存储器、高速高密电连接器、光电转换器件、千兆以太网接口；
供电电路由十个电源模块组成，它们是：1个PTH04040WAH，3个PTH05050WAH，1个PTH08T241WAD，4个LT3021ES8，1个MIC37139-1.8BS；
通用处理器是FreeScale公司的MPC7448处理器芯片；
桥接芯片是Marvell公司的MV64460芯片；
可编程逻辑(FPGA)芯片是XILINX公司的PGA芯片，型号为XC5VLX110T；
存储器有DDR SDRAM和FLASH两种，DDR SDRAM芯片组由四片型号为MT46V64M16TG-6TIT芯片组成，存储容量为2G；FLASH芯片组由四片型号为S29GL256N10TFI01芯片组成，存储容量为512M；
高速高密电连接器共有七个，在高速印制板上的位号是XP0-XP6，XP0提供模块电源，XP1提供8路模块间互连的高速串行端口，XP2提供VME接口，XP4提供4路系统间互连的高速串行端口和两个千兆以太网接口，XP5提供GPIO和串口，XP3、XP6为自定义；
光电转换器件型号为LTP-ST11MB；
前面板开有六个开口，焊接在高速印制板的两个多模光电转换器件、一个9芯电连接器、一个以太网接口、一个复位按钮以及八盏信号灯的接口从开口部分露出，用于调试以及和其它系统联调。其中9芯电连接器用来调试串口，其的型号是J30J-9TJWP7-J。以太网接口可以与工作平台计算机或者其它系统相连接，进行数据通讯。
散热盖板覆盖在高速印制板上，为模块提供散热装置。
模块插拔器、定位销、锁紧机构通过固定器固定在高速印制板上，为模块提供插拔装置，方便模块的插拔。
所述的高速板卡有四个处理节点，每个处理节点包括一片PowerPC系列MPC7448通用处理器、一片MV64460桥接芯片，512MB的DDR SDRAM；
MPC7448处理器芯片和MV64460桥接芯片的CPU接口相连接，MPC7448处理器芯片和MV64460桥接芯片之间为64位MPX 100MHz总线，用于数据传输与寻址；存储器DDRSDRAM和MV64460桥接芯片的DDR SDRAM接口连接，位宽64位，速度100Mhz，用于数据存取；MV64460桥接芯片的Device接口与FPGA相连接，FPGA内部寄存器与Flash芯片统一编址，通过Device接口对其进行访问；FPGA与加载Flash芯片连接，FPGA实现各处理节点访问加载Flash的仲裁控制；模块上电启动时，各处理节点按仲裁时序通过各MV64460桥接芯片Device接口寻址加载Flash，运行启动引导代码，将操作系统映像移至节点内存运行实现系统正常启动；MV64460桥接芯片的MPP接口与FPGA相连接，对FPGA内部功能模块进行触发与控制；
模块内部处理节点之间的互连方式是PCI-X总线，四片MV64460桥接芯片之间提供了四组超高速PCI-X总线，第一节点与第二节点之间、第二节点与第三节点之间、第三节点与第四节点之间为64位100MHz超高速PCI-X总线，第一节点与第四节点之间为32位100MHz超高速PCI-X总线；
模块之间通讯的接口形式有三种：高速串行通道Rocket IO、VME总线、千兆以太网络协议，GPIO RS232接口；
高速串行通道Rocket IO由FPGA提供，每路传输率可达2.5Gbps，支持XILINX公司的Aurora串行通讯协议，共有14路；8路通过VPX插座XP1实现背板互连，XP1按VITA46.3协议定义为八组高速串行通道，通过背板与同一机箱内的其它板卡通讯；4路高速串行通道Rocket IO通过VPX电连接器与后出线板连接，实现与后出线板通讯；2路高速串行通道RocketIO与两个光电转换器件相连，光电转换器件的光纤接口从前面板光纤接口露出，通过光纤可以与其它系统实现光纤通讯；每片MV64460桥接芯片的Sync FIFO接口分别与FPGA相连接，由FPGA内部实现MV64460桥接芯片Sync FIFO接口到高速串行通道Rocket IO的转换，支持软件配置的交换结构由FPGA实现，通过交换结构可以实现任一节点中桥接芯片MV64460的Sync FIFO接口与14路高速串行通道Rocket IO中任一通道建立通讯链路，从而实现模块间的高速数据通讯；
XP2按VITA46.1协议定义为VME并行总线，FPGA的相关管脚通过XP2实现背板互连，具有主从功能的VME总线控制器由FPGA设计实现，处理主芯片MPC7448的Device接口与FPGA相连，在FPGA内部实现并行总线到VME总线的转换；
第一和第四处理节点中MV64460桥接芯片的Giga Ethernrt接口分别与超高速以太网络收发器(GPHY)相连接实现两个千兆以太网接口，前面板提供一个网口，后插座提供两个网口出线，其中后插座的一个网口与前面板的网口为二选一使用；
GPIO RS232接口由FPGA实现，通过高速高密度连接器与PC机相连，实现对本模块的调试。
3、有益效果：
1)本发明采用四片MPC7448处理器芯片，具有强大的处理能力，可以满足信号处理系统对各种算法复杂度、实时性的需求，提高了信号处理系统的处理速度；
2)数据传输接口采用高速串行通讯技术，FPGA内部的高速串行接口模块支持高速串行通讯协议，大幅度提高了数据交换带宽；
3)通过FPGA内部交换网络实现一种灵活的拓扑结构，用于构建不同的信号处理系统，能够满足不同应用对信号处理能力的要求，便于系统升级维护，缩短研制周期，降低研制成本；
4)该模块对外接口为标准vita46接口，具有较强的通用性；
5)提供了完备的模块底层驱动函数接口，方便应用层设计开发。
【附图说明】
图1为基于VPX总线、可重构信号处理模块的系统框图。
图2为本发明模块应用的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
本模块包括高速板卡、前面板、散热盖板、模块插拔器、定位销、锁紧机构部件。
高速板卡包括一块高速印制板以及焊接在上面的器件，高速印制板的外形为VPX 6U标准板型。焊接器件包括供电电路、通用处理器、桥接芯片、可编程逻辑(FPGA)芯片、存储器、高速高密电连接器、光电转换器件、千兆以太网接口。
供电电路由十个电源模块组成，它们是：1个PTH04040WAH，3个PTH05050WAH，1个PTH08T241WAD，4个LT3021ES8，1个MIC37139-1.8BS。
通用处理器是FreeScale公司的MPC7448处理器芯片。
桥接芯片是Marvell公司的MV64460芯片。
可编程逻辑(FPGA)芯片是XILINX公司的PGA芯片，型号为XC5VLX110T，它是整个模块的核心部件，实现对模块地控制、数据调度、通讯协议转换等功能。
存储器有DDR SDRAM和FLASH两种。DDR SDRAM芯片组由四片型号为MT46V64M16TG-6TIT芯片组成，存储容量为2G；FLASH芯片组由四片型号为S29GL256N10TFI01芯片组成，存储容量为512M。
高速高密电连接器共有七个，在高速印制板上的位号是XP0-XP6，XP0提供模块电源，XP1提供8路模块间互连的高速串行端口，XP2提供VME接口，XP4提供4路系统间互连的高速串行端口和两个千兆以太网接口，XP5提供GPIO和串口，XP3、XP6为自定义。
光电转换器件型号为LTP-ST11MB，每个通道的串行速率可高达2.5GBPS，用来与其它分系统进行通讯。
前面板开有六个开口，焊接在高速印制板的两个多模光电转换器件、一个9芯电连接器、一个以太网接口、一个复位按钮以及八盏信号灯的接口从开口部分露出，用于调试以及和其它系统联调。其中9芯电连接器用来调试串口，其型号是J30J-9TJWP7-J。以太网接口可以与工作平台计算机或者其它系统相连接，进行数据通讯。
散热盖板覆盖在高速印制板上，为模块提供散热装置。
模块插拔器、定位销、锁紧机构通过固定器固定在高速印制板上，为模块提供插拔装置，方便模块的插拔。
高速板卡是实现整个模块功能的载体，系统框图如图1所示，其功能架构描述如下：
四个处理节点，每个处理节点包括一片PowerPC系列MPC7448通用处理器、一片MV64460桥接芯片，512MB的DDR SDRAM。
MPC7448的工作时钟由100MHz晶振锁相倍频，工作主频通过电阻选焊配置选择，模块缺省工作主频为1000MHz。
MV64460桥接芯片的接口包括CPU接口、DDR SDRAM接口、Device接口，Ethernet接口、JTAG接口、MPP接口、Sync FIFO接口。
MPC7448处理器芯片和MV64460桥接芯片的CPU接口相连接，MPC7448处理器芯片和MV64460桥接芯片之间为64位MPX 100MHz总线，用于数据传输与寻址。存储器DDRSDRAM和MV64460桥接芯片的DDR SDRAM接口连接，位宽64位，速度100Mhz，用于数据存取。MV64460桥接芯片的Device接口与FPGA相连接，FPGA内部寄存器与Flash芯片统一编址，通过Device接口对其进行访问。FPGA与加载Flash芯片连接，FPGA实现各处理节点访问加载Flash的仲裁控制。模块上电启动时，各处理节点按仲裁时序通过各MV64460桥接芯片Device接口寻址加载Flash，运行启动引导代码，将操作系统映像移至节点内存运行实现系统正常启动。模块提供了完备的底层驱动函数接口，能够直接访问硬件设备，它包含了处理器复位、初始化、串口驱动程序、网口驱动程序、Flash芯片驱动程序和必要的时钟处理，方便开发者根据需求研制复杂、高端的实时系统。MV64460桥接芯片的MPP接口与FPGA相连接，对FPGA内部功能模块进行触发与控制。
模块的通讯协议主要包括PCI协议、VME协议、千兆以太网协议、XILINX公司的aurora协议，SMBUS协议。
模块内部处理节点之间的互连方式是PCI-X总线，四片MV64460桥接芯片之间提供了四组超高速PCI-X总线，第一节点与第二节点之间、第二节点与第三节点之间、第三节点与第四节点之间为64位100MHz超高速PCI-X总线，第一节点与第四节点之间为32位100MHz超高速PCI-X总线。
模块之间通讯的接口形式有三种：高速串行通道Rocket IO、VME总线、千兆以太网络协议，GPIO RS232接口。
高速串行通道Rocket IO由FPGA提供，每路传输率可达2.5Gbps，支持XILINX公司的Aurora串行通讯协议，共有14路。8路通过VPX插座XP1实现背板互连，XP1按VITA46.3协议定义为八组高速串行通道，通过背板与同一机箱内的其它板卡通讯。4路高速串行通道Rocket IO通过VPX电连接器与后出线板连接，实现与后出线板通讯。2路高速串行通道RocketIO与两个光电转换器件相连，光电转换器件的光纤接口从前面板光纤接口露出，通过光纤可以与其它系统实现光纤通讯。每片MV64460桥接芯片的Sync FIFO接口分别与FPGA相连接，由FPGA内部实现MV64460桥接芯片Sync FIFO接口到高速串行通道Rocket IO的转换，支持软件配置的交换结构由FPGA实现，通过交换结构可以实现任一节点中桥接芯片MV64460的Sync FIFO接口与14路高速串行通道Rocket IO中任一通道建立通讯链路，从而实现模块间的高速数据通讯。
XP2按VITA46.1协议定义为VME并行总线，FPGA的相关管脚通过XP2实现背板互连，具有主从功能的VME总线控制器由FPGA设计实现，处理主芯片MPC7448的Device接口与FPGA相连，在FPGA内部实现并行总线到VME总线的转换。多个模块组成信号处理系统，VME主控制器通过VME总线传递工作模式、控制命令和参数给其它模块，实现整个系统各模块的控制功能
第一和第四处理节点中MV64460桥接芯片的Giga Ethernrt接口分别与超高速以太网络收发器(GPHY)相连接实现两个千兆以太网接口，前面板提供一个网口，后插座提供两个网口出线，其中后插座的一个网口与前面板的网口为二选一使用。
GPIO RS232接口由FPGA实现，通过高速高密度连接器与PC机相连，实现对本模块的调试。
基于本模块及其互连方式可以构建任意拓扑结构的信号处理系统，基于VPX总线、可重构信号处理模块构建的某雷达信号处理分系统，其结构如图2所示。在VPX总线架构下，该系统由五块本发明模块和一块VPX高速背板构成，另外，电源、示波器、交换机、G4仿真器、FPGA cable、计算机作为该系统的调试设备。VPX高速背板的零槽模块作为VME控制器，系统内支持高速串行总线和VME并行总线通讯，利用该系统能够完成脉压、多普勒处理、恒虚警检测、剩余杂波图处理、目标积累检测、目标提取等信号处理功能。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。