遙感衛(wèi)星快視設備的設計與實現(xiàn)
加入技術交流群
1 系統(tǒng)設計
高速數據實時存儲功能的實現(xiàn)，是本設備研制的核心。由于記錄數據最終要送到計算機進行后續(xù)處理，同時考慮設備實現(xiàn)成本的要求，采用基于計算機控制的存儲體系結構是比較理想的選擇?；谟嬎銠C插卡結構的多通道高速數據采集和存儲設備在已有的文獻中有大量介紹[1-2]，這些方案的數據采集和記錄大都采用如圖1所示的結構原理。在這種處理模式下，外部輸入的高速數據流經過接口采集和數據緩沖處理后，數據通過PCI總線被傳送到計算機內存，再由計算機CPU控制硬盤進行數據存儲。
通過分析該處理模式下數據的處理流向，可以找出該模式下的數據處理速率瓶頸所在。其一般處理流程是：數據采集卡通過中斷向計算機申請中斷，由CPU響應中斷后，將計算機插卡上的緩沖數據接收到計算機（實質是送往計算機內存）；然后，在CPU的干預下，將需要存盤的數據送往硬盤存儲，將需要顯示的數據送往顯存進行顯示。需要特別指出的是，所有這些操作，都由CPU在特定的操作系統(tǒng)(如Windows/UNIX)下運行。由于操作系統(tǒng)在進行數據采集處理的同時需要進行整個計算機運行的管理，使得在這種處理模式下，存儲數據流的速率不可能很高。因此該處理模式多見于速率在30Mbps以下的數據流進行的存儲和處理，難以滿足對更高速率的數據進行存儲和處理的要求。
同時，上述處理模式的可擴展性也比較差。對于33M/32bit的PCI總線，其最大傳輸速率是132Mbps，而且由于計算機控制硬盤存儲能力的限制，即使選用高性能的計算機或者加大板上數據緩沖深度，都不能從根本上解決速率瓶頸的問題。
而使用計算機插板直接控制磁盤陣列進行數據存儲的工作模式，則可以從根本上解決前述數據存儲速率的瓶頸問題。這種處理模式的數據流向及工作原理如圖2所示。外部輸入的高速數據流在數據采集處理板上被分成兩個分支流向，其中一路數據直接通過硬盤控制器存入磁盤陣列，而另一路數據則經過抽取后通過PCI總線送入計算機。這里的硬盤控制器是一個專用的CPU，它實時地控制硬盤進行數據存取操作。計算機可對輸入數據進行灰度顯示，以監(jiān)控采集數據流的運行狀態(tài)。監(jiān)控數據可以進行高倍數據抽取，只要滿足高于25幀/秒這一要求，就可以達到很好的實時監(jiān)控效果。這種處理模式的系統(tǒng)可擴展性相對較強。因為該模式的存盤操作不是由計算機CPU直接控制，而是使用專用硬盤控制器插卡控制硬盤進行數據存儲。通過擴展硬盤控制器及其附帶的硬盤數量，就可以達到提高系統(tǒng)數據記錄吞吐速率的目的。
2 系統(tǒng)設計實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)硬件結構
系統(tǒng)的硬件主要包括：一臺工業(yè)控制計算機、LVDS信號轉接板，四塊插入到工控機箱內的高速數據接收處理板和由八個SCSI硬盤組成的硬盤陣列。每塊高速數據接收處理板連接兩個SCSI磁盤，控制一個通道的數據存儲。
LVDS信號轉接板主要完成輸入信號的物理連接、電平轉換和與數據處理板的時序邏輯適配等工作。LVDS信號轉接板輸出的信號通過存儲設備內部的高速通信電纜送到高速數據接收處理板中完成數據實時接收與緩沖，同時將輸入的數據流分成兩路，一路數據通過數據處理板上的SCSI硬盤控制器實時存入硬盤陣列中，另一路數據則經抽取后通過PCI總線實時送到工控機中進行實時圖像顯示。這里使用Qlogic公司的FAS566[3] SCSI硬盤控制器來完成SCSI硬盤陣列的數據存取操作控制。FAS566可以支持最高160Mbps的數據傳輸速度，并可以控制SCSI硬盤陣列以RAID0[4]方式存取數據。高速數據接收處理板還包括微處理器、數據緩存器、PCI橋接器等硬件模塊和相應的軟件控制模塊，其組成原理如圖3所示。
與傳統(tǒng)的IDE硬盤相比，SCSI硬盤在傳輸控制和存取速度上有很多優(yōu)勢。以10 000轉/秒的硬盤為例，SCSI硬盤可以達到約35Mbps的持續(xù)存儲速度，而IDE硬盤僅能達到約15Mbps。SCSI硬盤的傳輸速度也遠遠高于IDE硬盤的傳輸速度，目前Ultra320 SCSI總線數據傳輸速率可達320Mbps。本方案中選擇了總線傳輸速率為160Mbps的Ultra160 SCSI控制器。采用SCSI總線和SCSI硬盤不僅數據傳輸速率高，而且在需要時可以通過簡單地增加系統(tǒng)中的硬盤數量來擴展存儲空間，一個SCSI硬盤控制器可以最多外掛和控制15個SCSI硬盤。
2.2 系統(tǒng)軟件組成
本系統(tǒng)的軟件主要由驅動程序、板載處理器實時控制模塊、SCSI硬盤陣列數據存儲管理模塊和上層用戶應用程序等部分組成，系統(tǒng)軟件組成框圖如圖4所示。使用Windows 2000作為系統(tǒng)控制計算機的操作系統(tǒng)。
實時數據接收與預處理模塊運行在數據處理板上，實時接收由LVDS信號轉接板輸出的待測數據。數據存儲單元控制SCSI硬盤陣列進行數據存儲，主要包括SCSI硬盤陣列上數據文件的管理（建立、刪除、修改、檢索及維護等）和在圖像回放時圖像數據的讀取和傳輸等操作。
實時送往計算機的數據，主要用于監(jiān)控測試信源的運行狀態(tài)，因而可以對接收數據進行高倍抽取，以降低實時傳輸的數據率。抽取后數據通過PCI總線傳送到工控計算機中進行圖像顯示。
3 系統(tǒng)性能測試
首先對系統(tǒng)單通道數據記錄能力進行測試。測試使用的硬盤型號為ST318404LW[5]，記錄數據采用無文件格式，每次寫緩沖數據為2MB。測試結果表明，硬盤的最高記錄速度是變化的，即SCSI硬盤的存儲速度隨著記錄數據的不斷增加而下降。硬盤記錄速度隨記錄時間的變化如表1所示。
通過基于計算機的SCSI硬盤控制器控制磁盤陣列進行數據記錄，實現(xiàn)了對260Mbps的高速數據流進行持續(xù)記錄的設計，持續(xù)記錄時間超過900秒。計算機可以實時地完成被測數據流的灰度顯示，達到了對記錄數據實時監(jiān)控的目的。該設備已經成功應用于衛(wèi)星的信源測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，可廣泛應用于需要對高速信號進行持續(xù)記錄的領域。
評論