基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置

技术领域

本发明涉及异构计算领域，涉及一种高性能数据接入及处理系统。

背景技术

无人机由于其成本低、效率高、机动性好的特点，被广泛用于军用及民用领域。随着载荷技术的快速发展，以及无人机搭载能力、处理能力的增强，越来越多的任务载荷接入无人机系统，极大地扩展了无人机的应用领域。目前载荷接入无人机系统的接口没有达到标准化，系统需要针对接入的载荷修改系统设计。并且受限于机上的处理能力，载荷数据通常是传给地面站进行处理，再将处理结果返回给无人机。传统的载荷接入方式和数据处理方式降低了无人机投入使用的快速性及操作的自主性，影响了无人机作用的发挥。

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，使得通过该系统，无人机可以更快搭载异质异构的多种载荷，并对载荷数据进行机载快速处理。

本发明的技术方案为：基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述计算装置包括VPX机箱单元、主处理单元、GPU处理单元、IO接口单元、PCIe交换单元、电源单元及背板互联单元；所述主处理单元提供顺序逻辑处理能力，所述GPU处理单元提供数据并行处理能力，为主处理单元提供辅助的并行数据处理能力；所述 IO处理单元提供载荷通用接入的能力；所述PCIe交换单元用于扩展主处理单元的PCIe接口数量，与其它单元相连接；所述主处理单元、 GPU处理单元、IO接口单元通过背板互联单元与PCIe交换单元相连；所述电源单元通过背板单元为主处理单元、GPU处理单元、IO接口单元、PCIe交换单元提供电能；所述计算装置采用模块化设计，所述各单元采用统一的模块结构；各个功能模块通过接插组件连接背板互联单元。

进一步地，基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述计算装置还包括导冷模块，本设计用于计算装置的散热。

进一步地，基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述各个功能模块上的接插组件通过楔形锁紧滑块与所述背板互联单元及机箱内导槽构成楔形锁紧机构固定，并添加紧锁装置。

进一步地，基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述各个模块与背板互联模块通过定位装置进行插拔的准确位置定位。

上述设计用于各模块能够快速与VPX机箱单元进行准确安装。

进一步地，基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述VPX机箱单元还设置有与无人机的安装接口。

进一步地，基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述载荷接口的数据收发通过IO处理单元并行进行，IO处理单元通过 PCIe接口与PCIe交换单元相连，再通过PCIe交换单元与主处理单元相连。

进一步地，基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述电源单元采用两块EMI滤波器，所述一块EMI滤波器为主电源供电，另一块滤波器为其余电源供电。

进一步地，基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述各个模块能够根据需要进行替换。

进一步地，基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述背板互联模块采用VPX连接器，支持7槽互联；第一槽连接主处理单元、第二槽连接交换单元、第三槽连接GPU处理单元、第四槽为预留槽位、第五槽连接IO接口单元、第六槽为预留槽位、第七槽连接电源单元。

进一步地，基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述载荷设备的控制程序为.ko形式的动态库。本设计主要是通过动态加载实现载荷设备的灵活使用与更换。

本发明基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置具有以下有益效果：

1)该处理异构计算装置体积小、接口丰富、独立于飞机系统，可以适配多种型号无人机；

2)该处理异构计算装置具有CPU、GPU和FPGA的高处理性能，可以实施无人机应用的在线处理，提高任务执行的实时性。

3)该处理异构计算装置可以使各种类型的载荷与无人机机载计算机无缝的连接在一起，建立载荷接入及管理的快速高效途径，极大地简化了无人机搭载载荷的设计和开发，极大地拓展了无人机内部设备的互联关系。

4)该处理异构计算装置提供了一套软硬件规范，具有功能可扩充、单元可更换的特性。在遵守规范的前提下，可以通过更换现有功能单元改变功能及性能，也可以在预留槽位增加功能单元拓展新功能。整个系统具有较高的通用性和灵活性。

附图说明

图1为本发明提供的基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置系统模块连接示意框图；

图2为VPX背板互联模块原理示意图。

图3为主处理单元实现原理示意图。

图4为PCIe交换单元实现原理示意图。

图5为GPU处理单元实现原理示意图。

图6为IO接口单元实现原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明的技术方案，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1，图1为本多载荷通用接入与处理异构计算装置模块连接示意框图，基于VPX架构的多载荷通用接入与处理异构计算装置，所述计算装置包括VPX机箱单元、主处理单元、GPU处理单元、IO接口单元、PCIe交换单元、电源单元及背板互联单元；所述主处理单元提供顺序逻辑处理能力，所述GPU处理单元提供数据并行处理能力，为主处理单元提供辅助的并行数据处理能力；所述IO处理单元提供载荷通用接入的能力；所述PCIe交换单元用于扩展主处理单元的PCIe接口数量，与其它单元相连接；所述主处理单元、GPU处理单元、IO接口单元通过背板互联单元与PCIe交换单元相连；所述电源单元通过背板单元为主处理单元、GPU处理单元、IO接口单元、PCIe交换单元提供电能；所述计算装置采用模块化设计，所述各单元采用统一的模块结构；各个功能模块通过接插组件连接背板互联单元。

实施例：

具体来说，本发明的VPX机箱单元作为整个计算装置的物理载体及保护装置，对外提供载荷连接接口、对内集成其它单元，提供电磁、抗腐蚀、防电磁干扰、防震、散热的保护。VPX机箱内部，电源单元通过背板互联单元向主处理单元、GPU处理单元、IO接口单元、交换单元提供12V、3.3V电源供电。VPX机箱内部，交换单元与背板互联单元为主处理单元、GPU处理单元、IO接口单元提供互联机制。所述 PCIe交换单元提供各个单元之间的PCIex8交换功能。

本实施例中，VPX机箱为长方体8槽风冷加固机箱，包含安装支耳和航插。VPX机箱支持7个功能槽，符合OpenVPX3U标准，且支持 1个电源槽，符合VITA623U标准。VPX机箱采用后面板航插方式出线。本发明的计算装置还包括导冷模块，整个VPX机箱采用导冷设计，在机箱的左右侧进风、机箱的上方出风，并加有波导通风板用于电磁屏蔽。在机箱的前后盖做导电橡胶填充处理，增加机箱导电性及密封性。采取滤波、去耦、屏蔽、接地的方法屏蔽电磁干扰。

多载荷通用接入与处理异构计算装置采用模块化设计，各单元模块采用统一的模块结构。各单板模块上的插拔单元组件通过楔形锁紧滑块与背板互联单元及机箱内导槽构成楔形锁紧机构固定，并添加紧锁装置，防止出现松动。各个模块与背板互联模块通过定位装置进行插拔的准确位置定位。

以上每个模块具有替换性，而且本发明的VPX机箱还提供与无人机的安装接口。

下面来一一介绍本实施例中各处理单元的设计。

(一)主处理单元

主处理单元提供顺序逻辑处理能力，以Inteli7处理芯片为核心，采用Inteli7四核八线程处理，集成IntelHDGraphics530显卡，支持16GBDDR4内存，具有1TBMLC存储空间，本实施例中采用DDR4内存颗粒构成内存单元、采用1TB固态硬盘构成大容量存储单元。具有2路1000Base-T接口、1路PCIe3.0总线接口、1路异步RS232接口、 1路USB2.0接口、1路VGA接口，采用IntelI210构成网口单元，可以将2路PCIe接口转化为2路1000Base-T接口与背板互联单元相连，一路用于调测，一路用于数据传输。通过主处理单元上的电源模块将 12V电源转换为主处理单元上各芯片所需电源。采用二级电源单元将背板输入的12V电源转换为主处理单元需要的电源，本实施例中主处理单元需要的电源为8种，分别为5V、3.3V、2.5V、1.0V、0.6V、 1.2V、0.95V、0.55～1.52V；主处理单元上具有与其它单元相连多类型互联接口。如图3所示为主处理单元的实现框图。

(二)VPX背板互联单元

VPX背板互联单元是多载荷通用接入与处理异构计算装置的核心系统模块，各个功能模块通过接插件连接背板互联单元，各个模块板卡与背板互联模块通过定位装置进行插拔的准确位置定位。如图2所示为背板互联模块的原理示意图。背板互联模块采用VPX连接器，支持7槽互联。第一槽连接主处理单元、第二槽连接交换单元、第三槽连接GPU处理单元、第四槽为预留槽位、第五槽连接IO接口单元、第六槽为预留槽位、第七槽连接电源单元。

(三)PCIe交换单元

PCIe交换单元用于扩展主处理单元的PCIe接口数量，与其它单元相连接。PCIE交换单元与主处理单元的接口为1路PCIE X8；与 GPU处理单元的接口为2路PCIE X8(GPU处理单元及预留GPU处理单元)；与IO接口单元为1路PCIE X4。

本实施例中，PCIe交换单元以PEX8750交换芯片为核心，通过二级电源模块产生交换单元需要的三种电源：0.9V、3.3V、1.8V，通过复位模块为IO接口单元和GPU处理单元产生单独的PCIe复位信号；通过时钟模块为IO接口单元和GPU处理板提供PCIE时钟。如图4所示为PCIe交换单元的实现原理图。

(四)GPU处理单元

GPU处理单元提供数据并行处理能力，采用NVIDIA的 GeForceGTX1060为核心，为主处理单元提供辅助的并行数据处理能力。

本实施例中，GPU处理单元采用NVIDIA的GeForce GTX 1060，配备6GB GDDR5显存。GPU处理单元采用子板加载板的形式，子板采用MXM接口的M3N1060-MN模块，载板完成2路DP转2路VGA，其中1路VGA可选择前出或后出，方便板卡调试，另外1路VGA采用后出形式。如图5所示为GPU处理单元的实现原理图。

(五)IO处理单元

本发明的IO处理单元提供载荷通用接入的能力，载荷接入接口支持2路SDI、1路CAN、4路异步RS422、4路同步RS422、1路 1000Base-T网口、1路光纤RapidIO；系统内互联接口支持1路PCIe。

IO处理单元支持SDI、CAN、异步RS422、同步RS422、1000Base-T、RapidIO及PCIe的物理层协议及传输协议解析；支持SDI、同步RS422、异步RS422、CAN、1000Base-T网口、RapidIO6种接口与PCIe接口之间的并行协议转换；支持SDI、同步RS422、异步RS422、CAN、1000Base-T网口、RapidIO6种接口速率可配置。载荷通过SDI、同步RS422、异步RS422、CAN、1000Base-T网口、RapidIO接口接入处理异构计算装置,载荷接口的数据收发通过IO处理单元并行进行，IO 处理单元通过PCIe接口与PCIe交换单元相连，再通过PCIe交换单元与主处理单元相连。其中，IO处理单元对同步RS422、异步RS422 接口、CAN采用低速PCIe通道传输数据，对SDI、1000Base-T网口、 RapidIO接口采用高速PCIeDMA通道传输数据。

通过IO处理单元主处理单元可以对接入载荷实现设备的发现与即插即用。

本实施例中，IO接口单元以FPGA处理器为核心，包括电源模块、连接器模块、接口转换模块、光电转换模块、时钟模块、内存模块、FPGA模块。如图6所示为IO接口单元的实现原理图。

IO接口单元的电源模块对12V电源输入进行电平转换，将12V 电源转换为1.0V、3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V，为将IO接口单元上的芯片提供电源。

IO接口单元的时钟模块为IO接口单元上的芯片提供50MHz、 100MHz、125MHz、185MHz、184.34MHz、25MHz时钟输入。

IO接口单元的内存模块为FPGA提供外部存储模块，包括 Norflash、EEPROM、DDR3存储。

IO接口单元的连接器模块包括与VPX背板互联单元相连的连接器；

IO接口单元的光电转换模块将Rapid IO电信号转换为光信号。

IO接口单元的接口转换模块通过专用芯片实现接口的物理层协议，并将SDI、RS422、1000Base-T、CAN的接口电平转换为与FPGA 引脚电平兼容的信号电平。

IO接口单元的FPGA部分包括逻辑部分及arm部分，逻辑部分实现接口控制器、缓冲；ARM部分软件实现载荷接入的接口管理、协议解析、协议转换。

IO接口单元与主处理单元通过PCIe接口进行数据交互，同步 RS422、CAN、异步RS422接口通过PCIe的数据通道进行数据收发， SDI、RapidIO、1000Base-T通过PCIe的DMA通道进行数据收发。

IO接口单元在主处理单元的驱动程序提供基于PCIe接口驱动的 IO接口单元控制，通过缓冲队列提供载荷接口的数据收发，并向上提供用户通知机制及用户调用接口。

IO接口单元为载荷驱动提供数据支持，IO接口单元接收带有载荷设备信息的数据，上层软件接收并解析载荷设备信息，识别设备型号，若设备型号与系统配置文件相一致，则加载对应型号设备控制程序；若所识别设备型号与系统配置文件不一致，则更新系统配置文件，并加载对应设备型号的设备控制程序，以实现设备发现与即插即用。

(六)电源单元

电源单元采用18V-36V直流输入，经过软启动电路、滤波器为整个系统供电，为系统提供所需的12V、5V、3.3V，以确保设备正常运行。该电源板具有多种电压及高功率输出能力，具有常供电VBAT(标称值：+3.0V)输出能力，具有输出开关控制能力。主电源输出支持电压过压保护、电流过流保护，具有输出电压检测和温度采集功能。

电源单元设计中先采用了两块EMI滤波器，滤波器输入范围 -40～+40V，输出额定电流30A。其中一块EMI滤波器为12V主电源供电，另一块滤波器为其余电源供电。经过EMI滤波器后，进行DCDC 转换成所需的电压。DCDC选用成熟的模块，输出电压为+12V、+5V、 +3.3V、3.3_AUX和±12V_AUX。电源单元的额定功率可以达到400W，峰值功率小于450W，电源效率可以达到80％以上。

为进一步提高本发明技术方案的有益效果，本发明中的载荷设备的控制程序为.ko形式的动态库，通过动态加载实现载荷设备的灵活使用与更换。