基于PowerPC的高速處理系統(tǒng)設(shè)計

　　隨著現(xiàn)代大型系統(tǒng)和設(shè)備復(fù)雜性、綜合化、智能化程度的不斷提高，PHM(Prognostic and Health Management，故障預(yù)測與健康管理)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在提高系統(tǒng)可靠性、安全性以及降低設(shè)備的維護(hù)和保障費(fèi)用等方面表現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景[1-2]。

　　結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是對各種大型系統(tǒng)和設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、診斷、預(yù)測和管理的典型嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。用于飛機(jī)等大型設(shè)備的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是目前PHM技術(shù)的研究熱點(diǎn)[3-5]，該系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效改善飛機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)方式，降低系統(tǒng)故障發(fā)生率和維護(hù)保障費(fèi)用。

　　本項目研制的高速處理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的整體控制、接收采集系統(tǒng)和傳感器接口系統(tǒng)采集到的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)以及運(yùn)用復(fù)雜算法和智能模型對結(jié)構(gòu)的健康狀況的進(jìn)行整體監(jiān)控、診斷、預(yù)測和管理。該系統(tǒng)在處理能力和數(shù)據(jù)傳輸速度方面相比于以前的系統(tǒng)都有了較大的提高，外形符合CPCI-3U規(guī)范。

　　1 硬件總體設(shè)計

　　高速處理系統(tǒng)主要由中央處理器、存儲模塊、配置模塊、接口模塊和時鐘、電源電路組成，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　本項目選用飛思卡爾公司具有高度整合性的PowerPC處理器P1010作為中央處理器。存儲模塊由內(nèi)存芯片DDR3、系統(tǒng)和應(yīng)用程序存儲器FLASH和配置信息存儲器EEPROM組成。配置模塊包括POR配置電路和CPLD，其中CPLD也是整個系統(tǒng)的輔助控制模塊，對于系統(tǒng)上電時序、POR引腳設(shè)置、復(fù)位、LED控制和IO擴(kuò)展等都有重要作用。接口模塊包括串口、網(wǎng)口、SATA口和CPCI接口，用于實現(xiàn)本系統(tǒng)與外部的高速數(shù)據(jù)交互。

　　2 硬件功能模塊設(shè)計

　　2.1 中央處理器

　　飛思卡爾的QorIQ P1010是一款采用先進(jìn)安全技術(shù)的高性能處理器，內(nèi)部集成了高性能、Power架構(gòu)的e500v2內(nèi)核，有32KB的一級指令緩存和32KB的一級數(shù)據(jù)緩存，256KB的二級緩存，支持浮點(diǎn)運(yùn)算和最高800MHz的內(nèi)核時鐘頻率，最高數(shù)據(jù)處理速度可達(dá)1600DMIPS[6]，可滿足PHM技術(shù)對于數(shù)據(jù)處理能力的要求。同時P1010為用戶提供了GPIO、串口、網(wǎng)口、PCI-E、I2C、SATA等豐富的外設(shè)接口，具有強(qiáng)大的控制功能，1.1W的運(yùn)行功耗和19mm×19mm的BGA封裝也符合嵌入式設(shè)備對于低功耗和小體積的要求。P1010正常工作需要為其配置外圍時鐘、電源、存儲模塊和配置模塊。

　　P1010有兩個時鐘信號，系統(tǒng)時鐘SYSCLK和實時時鐘RTC。本設(shè)計采用66.667MHz的有源晶振產(chǎn)生SYSCLK，經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)電路倍頻后為P1010內(nèi)核和所有與內(nèi)核同步的設(shè)備和接口提供時鐘。RTC由實時時鐘模塊PT7C4338和32.768kHz的無源晶振實現(xiàn)，連接在P1010的I2C控制器上，為系統(tǒng)提供日期、時間信息，也可以用作內(nèi)核和PIC(可編程中斷控制器)的計時器時鐘。

　　P1010的內(nèi)核電壓為1V±50mV，工作電流較大，本設(shè)計選用Intersil的ZL6100芯片為P1010供電。ZL6100是一個集成了MOSFET驅(qū)動的數(shù)字電壓控制器，它的輸出電壓誤差在±1%以內(nèi)，輸出電流最高為3A，可以滿足P1010內(nèi)核對電壓精度和電流大小的要求。

　　2.2 存儲模塊

　　內(nèi)存主要用于存放用戶數(shù)據(jù)和代碼，為程序運(yùn)行和保存臨時數(shù)據(jù)提供空間，高速、大容量的內(nèi)存可以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。P1010內(nèi)部集成的DDR控制器支持DDR3和DDR3L兩種內(nèi)存芯片，本設(shè)計采用四片256M*8bit、支持800MHz操作頻率的DDR3芯片K4B2G0846C-HCK0并聯(lián)，實現(xiàn)了總共1GB的內(nèi)存空間。四個芯片并聯(lián)支持最高800MHz×2×4×8bit=51.2Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　2.3 配置模塊

　　P1010的大多數(shù)功能可通過在 信號的上升沿采樣POR配置引腳的值來設(shè)定，本項目通過上下拉電阻和撥碼開關(guān)電路對相關(guān)POR引腳值進(jìn)行了配置，主要配置內(nèi)容如表1所示，其中1表示上拉至高電平，0表示下拉至低電平。

　　要使P1010正常工作，必須通過CPLD對系統(tǒng)上電時序、復(fù)位信號、JTAG相關(guān)引腳等進(jìn)行配置，另外，CPLD還可以用于POR引腳配置、系統(tǒng)擴(kuò)展和整體控制等。

　　2.4 接口模塊

　　為實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)過程中與外部主機(jī)的通信，本項目采用SP3232芯片實現(xiàn)了符合EIA/TIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)的串口通信，采用RGMII物理層收發(fā)器VSC8641和一個用于電纜接口隔離的磁性模塊24HSS1041-2LF實現(xiàn)了網(wǎng)口通信。

　　P1010的SATA控制器可提供最高3.0Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，通過外接SATA硬盤可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速存儲，方便后期回放和研究。

　　P1010內(nèi)部僅集成了PCI-E控制器，為實現(xiàn)CPCI總線方式的數(shù)據(jù)傳輸，本項目采用橋接芯片PEX8112實現(xiàn)PCI-E和CPCI接口的轉(zhuǎn)換。PCI-E接口的參考時鐘為100MHz，由PI6C557-05和一個25MHz的無源晶振產(chǎn)生。

　　3 系統(tǒng)測試

　　高速處理系統(tǒng)的PCB板，大小為100mm×160mm，厚度不超過15mm。符合嵌入式應(yīng)用對于小體積的要求。硬件調(diào)試成功后即可進(jìn)行嵌入式Linux系統(tǒng)移植。

　　本文采用飛思卡爾提供的、面向Linux的軟件開發(fā)包Freescale Linux SDK for QorIQ Processors為高速處理系統(tǒng)開發(fā)嵌入式Linux系統(tǒng)，通過修改SDK中P1010rdb的配置文件得到適用于高速處理系統(tǒng)的配置文件，并在此基礎(chǔ)上生成可從NOR FLASH加載的u-boot以及Linux內(nèi)核和根文件系統(tǒng)。首先，將u-boot寫入NOR FLASH[7]，系統(tǒng)上電后可在超級終端看到如圖2所示的反饋信息，表示u-boot移植成功。

　　內(nèi)核和根文件系統(tǒng)有網(wǎng)絡(luò)和本地兩種加載方式，在系統(tǒng)調(diào)試階段，一般采用網(wǎng)絡(luò)加載方式，方便調(diào)試過程中反復(fù)修改。系統(tǒng)調(diào)試完成后，將其寫入FLASH等非易失性存儲器，采用本地加載方式，使系統(tǒng)可脫離主機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。

　　系統(tǒng)移植成功后即可進(jìn)行系統(tǒng)性能測試。在主機(jī)上編寫C語言程序?qū)崿F(xiàn)對1000個數(shù)的快速排序、選擇排序、插入排序，使用gcc編譯器生成Linux系統(tǒng)上的可執(zhí)行文件，將其加載到高速處理系統(tǒng)中并運(yùn)行，得到它們需要的時間分別為0.124s、0.376s和0.438s，可見高速處理系統(tǒng)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。

　　4 結(jié)語

　　本項目設(shè)計并實現(xiàn)了用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的高速處理系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)具有高速的數(shù)據(jù)處理和傳輸能力，可以滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的要求，具有小體積、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)可以移植嵌入式Linux系統(tǒng)，為后期各種算法的開發(fā)和移植提供了便利。該系統(tǒng)在實際使用過程中可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)迅速的對飛機(jī)的健康狀態(tài)做出評估，也可以用作其他結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。