遥感卫星快视设备的设计与实现

Posted 2020-07-13

遥感卫星快视设备的设计与实现

作者：孙磊, 安建平, 卜祥元

遥感卫星在进行地面信源测试时，需要对测试信源进行高速持续大容量记录，以达到测试卫星信源的目的。在一些诸如雷达信号处理、图像通信、高速A/D数据采集等通信和测量领域，也往往需要实时记录高速数据，以进行分析和处理。卫星快视设备就是针对卫星测试的要求，对高速像源数据进行实时大容量记录存储，通过在线和离线数据分析，达到测试卫星性能的目的。如何可靠稳定地将高速数据实时存储下来并送往计算机进行在线或离线分析处理，是卫星快视设备系统设计实现的技术关键。本方案通过设计SCSI硬盘控制器，将对硬盘的存储与管理从计算机中独立出来，实现基于计算机控制的快视设备，达到系统性能与界面友好地统一。试验结果表明，本快视设备可以对总流速高达260MBps的数据进行实时存储，持续记录时间超过900秒（记录数据总量约180GB）。通过计算机对正在记录的数据进行灰度显示，可以实时监控被测信源的运行状态。也可以通过计算机在线测试离线状态，对记录数据进行回放，以测试分析数据源性能。

1 系统设计

　　高速数据实时存储功能的实现，是本设备研制的核心。由于记录数据最终要送到计算机进行后续处理，同时考虑设备实现成本的要求，采用基于计算机控制的存储体系结构是比较理想的选择。基于计算机插卡结构的多通道高速数据采集和存储设备在已有的文献中有大量介绍^[1-2]，这些方案的数据采集和记录大都采用如图1所示的结构原理。在这种处理模式下，外部输入的高速数据流经过接口采集和数据缓冲处理后，数据通过PCI总线被传送到计算机内存，再由计算机CPU控制硬盘进行数据存储。

                            

   　通过分析该处理模式下数据的处理流向，可以找出该模式下的数据处理速率瓶颈所在。其一般处理流程是：数据采集卡通过中断向计算机申请中断，由CPU响应中断后，将计算机插卡上的缓冲数据接收到计算机（实质是送往计算机内存）；然后，在CPU的干预下，将需要存盘的数据送往硬盘存储，将需要显示的数据送往显存进行显示。需要特别指出的是，所有这些操作，都由CPU在特定的操作系统(如Windows/UNIX)下运行。由于操作系统在进行数据采集处理的同时需要进行整个计算机运行的管理，使得在这种处理模式下，存储数据流的速率不可能很高。因此该处理模式多见于速率在30Mbps以下的数据流进行的存储和处理，难以满足对更高速率的数据进行存储和处理的要求。

    　同时，上述处理模式的可扩展性也比较差。对于33M/32bit的PCI总线，其最大传输速率是132Mbps，而且由于计算机控制硬盘存储能力的限制，即使选用高性能的计算机或者加大板上数据缓冲深度，都不能从根本上解决速率瓶颈的问题。

    　而使用计算机插板直接控制磁盘阵列进行数据存储的工作模式，则可以从根本上解决前述数据存储速率的瓶颈问题。这种处理模式的数据流向及工作原理如图2所示。外部输入的高速数据流在数据采集处理板上被分成两个分支流向，其中一路数据直接通过硬盘控制器存入磁盘阵列，而另一路数据则经过抽取后通过PCI总线送入计算机。这里的硬盘控制器是一个专用的CPU，它实时地控制硬盘进行数据存取操作。计算机可对输入数据进行灰度显示，以监控采集数据流的运行状态。监控数据可以进行高倍数据抽取，只要满足高于25帧/秒这一要求，就可以达到很好的实时监控效果。这种处理模式的系统可扩展性相对较强。因为该模式的存盘操作不是由计算机CPU直接控制，而是使用专用硬盘控制器插卡控制硬盘进行数据存储。通过扩展硬盘控制器及其附带的硬盘数量，就可以达到提高系统数据记录吞吐速率的目的。

                              

2 系统设计实现

2.1 系统硬件结构

    　系统的硬件主要包括：一台工业控制计算机、LVDS信号转接板，四块插入到工控机箱内的高速数据接收处理板和由八个SCSI硬盘组成的硬盘阵列。每块高速数据接收处理板连接两个SCSI磁盘，控制一个通道的数据存储。

   　 LVDS信号转接板主要完成输入信号的物理连接、电平转换和与数据处理板的时序逻辑适配等工作。LVDS信号转接板输出的信号通过存储设备内部的高速通信电缆送到高速数据接收处理板中完成数据实时接收与缓冲，同时将输入的数据流分成两路，一路数据通过数据处理板上的SCSI硬盘控制器实时存入硬盘阵列中，另一路数据则经抽取后通过PCI总线实时送到工控机中进行实时图像显示。这里使用Qlogic公司的FAS566^[3] SCSI硬盘控制器来完成SCSI硬盘阵列的数据存取操作控制。FAS566可以支持最高160Mbps的数据传输速度，并可以控制SCSI硬盘阵列以RAID0^[4]方式存取数据。高速数据接收处理板还包括微处理器、数据缓存器、PCI桥接器等硬件模块和相应的软件控制模块，其组成原理如图3所示。

                               

　　与传统的IDE硬盘相比，SCSI硬盘在传输控制和存取速度上有很多优势。以10 000转/秒的硬盘为例，SCSI硬盘可以达到约35Mbps的持续存储速度，而IDE硬盘仅能达到约15Mbps。SCSI硬盘的传输速度也远远高于IDE硬盘的传输速度，目前Ultra320 SCSI总线数据传输速率可达320Mbps。本方案中选择了总线传输速率为160Mbps的Ultra160 SCSI控制器。采用SCSI总线和SCSI硬盘不仅数据传输速率高，而且在需要时可以通过简单地增加系统中的硬盘数量来扩展存储空间，一个SCSI硬盘控制器可以最多外挂和控制15个SCSI硬盘。

2.2 系统软件组成

    　 本系统的软件主要由驱动程序、板载处理器实时控制模块、SCSI硬盘阵列数据存储管理模块和上层用户应用程序等部分组成，系统软件组成框图如图4所示。使用Windows 2000作为系统控制计算机的操作系统。

                         

  　  实时数据接收与预处理模块运行在数据处理板上，实时接收由LVDS信号转接板输出的待测数据。数据存储单元控制SCSI硬盘阵列进行数据存储，主要包括SCSI硬盘阵列上数据文件的管理（建立、删除、修改、检索及维护等）和在图像回放时图像数据的读取和传输等操作。

  　  实时送往计算机的数据，主要用于监控测试信源的运行状态，因而可以对接收数据进行高倍抽取，以降低实时传输的数据率。抽取后数据通过PCI总线传送到工控计算机中进行图像显示。

3 系统性能测试

　 　首先对系统单通道数据记录能力进行测试。测试使用的硬盘型号为ST318404LW^[5]，记录数据采用无文件格式，每次写缓冲数据为2MB。测试结果表明，硬盘的最高记录速度是变化的，即SCSI硬盘的存储速度随着记录数据的不断增加而下降。硬盘记录速度随记录时间的变化如表1所示。

                               

    　通过基于计算机的SCSI硬盘控制器控制磁盘阵列进行数据记录，实现了对260Mbps的高速数据流进行持续记录的设计，持续记录时间超过900秒。计算机可以实时地完成被测数据流的灰度显示，达到了对记录数据实时监控的目的。该设备已经成功应用于卫星的信源测试，系统运行稳定可靠，可广泛应用于需要对高速信号进行持续记录的领域。