基于PowerPC的高速處理系統(tǒng)設(shè)計

        摘要：本文針對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對高速、復(fù)雜運算和快速數(shù)據(jù)傳輸能力的要求，設(shè)計并實現(xiàn)了基于PowerPC的高速處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以高性能Power架構(gòu)處理器P1010為核心，配備高速DDR3內(nèi)存，通過CPCI總線進行數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效處理并有效減少傳輸延時。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在具有高速數(shù)據(jù)處理和傳輸能力的同時具有小體積、低功耗的特點，非常適合應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中。

　　引言

　　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)備的維護和保障費用等方面表現(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[3-5]，該系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效改善飛機系統(tǒng)的維護方式，降低系統(tǒng)故障發(fā)生率和維護保障費用。

　　本項目研制的高速處理系統(tǒng)主要負責(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)以及運用復(fù)雜算法和智能模型對結(jié)構(gòu)的健康狀況的進行整體監(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，支持浮點運算和最高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，具有強大的控制功能，1.1W的運行功耗和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。