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2021第11期JiangsuScience江苏科技信息&TechnologyInformationNovember2021
年月,
基于VPX架构的高可靠综合电子系统设计
谢扬
430050
(武汉船舶职业技术学院,湖北武汉)
摘要:近年来,基于嵌入式计算机平台的电气设备已被广泛应用于各类工业应用场景。随着应用环境
VPX
对电气设备高速化通讯、高度集成化及系统可靠性的要求不断提升,基于架构的新一代嵌入式计
VPX
算机平台以其通讯速率快、带宽高、集成度高等特性,逐渐发展成熟并得以实际应用。文章将架
VPX
构与综合电子设计思想相结合,提出了一种基于架构的高可靠综合电子系统设计方案,并着重对
计算机的可靠性设计进行了阐述。
VPX
关键词:架构;高可靠计算机;综合电子系统
TP336A
中图分类号:文献标志码:
1
0引言()电源管理模块:电源管理模块将系统输入外
综合电子系统即通过软硬件复用技术、可扩展技部供电进行调压、分流和滤波处理后,输出系统用一
术以及柔性化设计技术等,打破传统分布式电子设次电源;接收并执行总线指令或控制信号;对综合电
备的界限,进行一体化设计而形成的高度集成化设子系统内部各母线电压、电流进行实时测量;系统过
1
备[]。综合电子系统的实现,既将复杂电气系统进行流、短路保护以及蓄电池的充放电管理。
2
精简,消除了功能重叠的设备,大幅减少了传统电气()中心控制模块:中心控制模块是由任务进程、
系统的设备数量和体积;又对原本软硬件接口各异的实时操作系统、处理器和可重构硬件资源共同组成的
电气设备进行了规范化和标准化改进,减少了重复的完整的中心控制计算机。在多任务、多进程的工作背
开发和验证工作,并使系统具备了相当的通用性和可景下,完成综合电子系统信息综合处理,中心控制模
2VPXVME3
扩展性[]。总线由总线演变而来[],继承了块具备完全自主、动态调整电路结构的能力。
3
其机械结构及导冷抗震方面的优势,进一步采用了高()信号采集处理模块:信号采集处理模块采用
速串行总线替代并行总线,以支持更高的背板带宽,手机主板的设计思想,将尽可能多的微小型传感器和
实现了更高的通信速率。相应的信号采集处理电路一体化设计,形成一个高集
本文立足于综合电子设计思想,从先进性和创新
VPX
应用需求出发,提出了一种基于架构的高可靠
VPX
综合电子系统设计方案,一方面选择基于总线
架构开展系统设计,打破了各处理器间协同处理和数
4
据交换的瓶颈[];另一方面针对重要工业应用场景的
高可靠性需求,对综合电子系统核心功能即中心控制
计算机开展了容错设计。
1综合电子系统总体设计
依据系统板卡式功能划分思想,将综合电子系统
“系统核”电路进行深度融合,划分为电源管理模块、
中心控制模块、信号采集处理模块、数据交换模块等
4VPX
个功能模块,各个功能模块设计为一块独立的
VPX5
标准板卡,并通过背板进行互连而构成系统[]。
CANI2CUSB
综合电子系统提供总线、总线、等多种
VPX
接口与外部设备进行通信。基于架构的高可靠
11
综合电子系统组成如图所示。图基于VPX架构的高可靠综合电子系统组成
1989—
作者简介:谢扬(),男,湖北武汉人,工程师,硕士;研究方向:工业自动化及工业机器人技术。
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成度功能模块。对于无法小型化、无法实现一体化集
成的传感器,模块对外提供通用化总线接口。
4
()数据交换模块:数据交换模块一方面基于计
VPX
算机网络技术实现综合电子系统各板卡间总线
化、网络化通信;另一方面对外提供与开发人员进行
数据交互的通信接口。
5VPX
()背板:实现综合电子系统各板卡互联。
2综合电子系统功能模块设计
电源管理模块
电源管理模块实现了一次电源变换、二次电源管
A/DDO
制输出、测量、控制输出等功能,功能框图如
2
图所示。
3
图运算子系统运算节点单机功能
接口包括:
1QSPIQSPIFlash
2()接口,连接控制支持计算机
图电源管理模块功能
启动。
28V5VDC/DC2SPIPS
其中,一次电源变换通过转的电()接口,实现侧较低速率的控制信息传
DC/DC5V
源模块实现,提供两路并联后输出电源,递,比如操作系统监控信息、平台软件监控信息等。
45W50mV3GPIO
额定负载能力,输出纹波小于。要求一次()接口,包括输出的硬件监控信息和输入
QSPI
电源与二次电源隔离。处理器通过总线接口接收到的控制信息,后者比如控制系统启动、读写使
系统中心控制模块发送的各电源配电、断电控制命令能、主备切换启动、运算节点重启等硬件指示信息。
4CANCAN
后,发出控制指令,用于驱动相应继电器动作。二次()总线接口,提供两路总线与综合电
电源管制输出采用磁保持继电器设计,双继电器并联子系统其他模块通信。
5SGMII
控制电源正线输出,两个继电器的常闭触点串联构成()接口,作为备用接口分别通过交换机
配电状态指示电路,继电器线包设计二极管串并联冗后合并成一路输出;在内部可以作为主备用机之间的
余泄放电路。处理器对综合电子系统各母线电源电高速数据连接,用于用户数据的同步。
A/
压、温度信息进行实时测量,根据当前状态可输信号采集处理模块
DO
出控制指令,完成相应控制。信号采集处理模块设计为一个包含处理器和多
中心控制模块种传感器的智能节点,内置接收机、陀螺
I2CCAN
中心控制模块是综合电子系统的处理核心,设计和加速度计,并对外提供总线和总线接口各
3
为分级多机冗余结构,由个相互独立的计算机组两路,用于与其他模块或外部设备通信;此外,模块还
XilinxZynq-7000
成,每台计算机以一块公司的系列内置温度传感器,用于自主温度监测。模块功能框图
SOCARMCortex-A94
器件为核心,其主处理器为双核如图所示。
,每个运算节点能够支持单机的双核备份。数据交换模块
QSPIFLASHSGMII
每***立计算机均配置独立的备用存储数据交换模块一方面作为系统交换机,完
DDR
电路和独立的存储器。三模冗余运算节点共用成系统各网络节点间的数据交换、互联通信,实现全
QSPIFLASH
三模冗余的启动电路,将启动和数据存系统模块间的通信网络连接。因综合电子系统采用
储器分开。三模冗余系统中单台计算机的功能框图双星互连的拓扑结构,数据交换模块集成了两个独立
3SGMII
如图所示。的交换机单元。另一方面,数据交换模块还设
中心控制模块三模冗余系统中每台计算机对外计了用于开发人员与综合电子系统间进行数据交互
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在该表决系统下,台并行工作计算机的输出进
行比对并表决,取结果相同的两台计算机的输出为正
确结果,如果任意一台结果错误,则认为该台计算机
故障。该表决系统能够较好地平衡可靠性和复杂
Zynq-7000
度。此外,中心控制模块计算机所采用的
SOCARMFPGA
系列兼具处理器的灵活性和的灵活
性,还实现了以下设计策略:
1ARMPL
()双核结合实现综合电子系统信息综
合处理。
2ARM
()双核可设计成对称多处理器或主备用
4的工作方式,提高系统可靠性。
图信号采集处理模块功能3PSDDRECC
()侧的控制器自带功能(采用
的通信接口,可选择标准无线通信或基于的冗余保护数据),有效提高了存储器的
进行有线通讯。可靠性。
背板()通过对进行有效多模校验和定
VPX
背板是系统各模块互联与供电的硬件平台,时刷新,以及软件可执行文件的多模备份,进而获得
SGMIICAN
用于为各系统模块提供供电、总线、总线、高可靠性。
控制信号、状态信号、时钟信号、同步信号、复位信号4结语
DI/DOVPX
以及部分信号的传输通路。根据综合电子系本文从基于架构的高可靠综合电子系统的
VPX5
统的模块组成,系统背板设计个板卡槽位,其总体方案出发,对各功能模块的方案及中心计算机可
中一个槽位用于后续功能扩展使用。靠性设计进行了阐述。所提出的综合电子系统具有
3中心计算机可靠性设计高度模块化、即插即用、结构紧凑、集成度高、电源管
在重要的工业应用场
合,为保证系统可靠性,通常
6
对计算机采用冗余设计[]。
当前计算机的冗余备份主要
采用两种技术路线,即多模
表决系统和主备用系统,后
者还包括冷备、温备、热备和
双工几种。
VPX
为提高基于架构的
综合电子系统的可靠性,综
合考虑可用性和复杂度,中
心控制模块设计了三模冗余
5
计算机表决系统,如图所
示。主要设计思想包括:
1
()计算机为三机冗余
3
备份,即包含个运算节点,
并进行三模冗余表决。
2
()每台计算机内部均
ARM
为双核处理器,可以某
种程度上提高运算单元可靠
ARM
性,甚至可以将双核设
计成主备用的架构。
3
()接口冗余备份,包括
CAN
总线接口的主备用设
SGMII5
计、的主备用设计等。图中心控制模块三模冗余计算机表决系统
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.
理灵活的优势,系统兼具高速信息交换和处理性能及[]史雪辉嵌入式总线架构的发展分析[]舰船电子
2020348-52.
较高的可靠性,能够满足当前重要工业应用场景的高对抗,():
性能和高可靠性要求。[]廖育富,申晓亮,刘泽基于总线的高速信号
-153.
与信息处理系统设计[]电子世界,():
.
参考文献[]王全振,全洪飞基于标准的板卡设计[]
-97.
[]唐志军,关升,汪跃,等综合电子信息系统元数据数字通信世界,():
-.
标准框架[]指挥信息系统与技术,():[]诸磊基于的双模冗余计算机的设计与实现[]
.
[]陈浩综合电子信息系统面向构件的软件开发与北京:中国航天科技集团公司第一研究院,
-55.
集成技术[]电子技术与软件工程,():(编辑王永超)
DesignofahighlyreliableintegratedelectronicsystembasedonVPX
XieYang
WuhanInstituteofShippingTechnology,Wuhan430050,China
()
Inrecentyears,electricalequipmentbasedonembeddedcomputerplatformshasbeenwidelyusedin
Abstract:
,anew
generationofembeddedcomputerplatformbasedonVPXhasgraduallymaturedduetoitsfastcommunicationspeed,
,andproposesa
high-reliabilityintegratedelectronicsystemdesignbasedonVPXwiththecomputersreliabilitydesignintroducedas
’
akeypoint.
VPX;highlyreliablecomputer;integratedelectronicsystem
Keywords:
􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛􀤛
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(上接第页)
ResearchontheconstructionandapplicationofrealestatearchivesGISmapfor
theurbanmemoryproject
XiaoGuangfeng
ZhengzhouCityRealEstateArchives,Zhengzhou450000,China
()
Realestatearchivesplayanimportantroleintheconstructionofurbanmemoryprojectandtheprotectionof
Abstract:
servicecitymemoryprojectthispapertriestoconstructGISmapofrealestatearchiveswiththehelpofrelevant
,
technologyindigitalhumanities,anddiscussesitsconcreteapplicationintheconstructionofurbanmemory,sothatthe
realestatearchivescanrealizethemulti-dimensional,multi-pictureandmulti-functionaldisplayofsurface,lineand
,itisnotonlynecessaryfortherealestatearchives
departmenttostrengthentheconstructionofdataresourcesofrealestatearchivesandimprovethedigitalmanagement
level,
sametime,therealestatearchivesdepartmentshouldstrengthencooperationandjointconstruction,enhancethe
capacityofcollaborativegovernance,elevatetheawarenessandabilityofinnovation,andconstantlyimprovethelevel
ofservices.
urbanmemoryproject;realestatearchives;GIS;archivescompilationandresearch;digitalhumanities
Keywords:
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