分布式综合可重构电子系统平台架构的制作方法

1.本发明涉及一种主要用于航天、航空、通信领域，且可适应于资源重构的分布式综合可重构电子系统平台架构。


背景技术：

2.综合电子系统先起源于航空工业。综合化电子系统指把单个或多个平台上的不同种类、不同型号、不同频段与不同用途的电子设备有机组合成一个完整的、通用的多功能电子系统。其特点是逻辑上整个系统分为多个节点，每个节点可以访问本地的内存资源，也可以访问远程内存资源。虽然综合化电子系统突出的综合设计、信息资源的综合利用和电子资源的综合管理与控制，实现多种电子功能综合化，可以为己方地面运动和静止的设备提供电子信息。通过模块化、开放的架构设计和行业标准接口使其系统连接最佳化。但访问本地内存资源远远快于远程内存资源。分布式综合电子系统架构通过与诸如信号/数据记录仪，测向仪和无线电，提供了一套用于实时收集更多数据的功能情境意识和事后分析设备，在多模块集成过程中实现在物理上的紧耦合(硬件组成高度集成)，同时又能保持在逻辑上的松耦合(软件架构高度灵活)，在模块级进行综合集成。当前，系统设备受装机要素或功能分割限制，单独的一个机箱不能完成系统所有功能项集成时，单纯的运用基于模块的系统集成方法会有一定的局限性。
3.随着航空综合化电子系统技术的不断成熟，各航天公司将此技术引入到卫星平台的设计与开发中，形成了卫星综合电子系统。卫星综合电子系统是一个对信息的采集、处理、分综合化电子系统配和存储的系统，是一个在苛刻空间限制条件下，对密集性很高且复杂的航天电子系统进综合化电子系统行信息和功能综合的系统。微小卫星综合电子系统承载了卫星大部分功能，是卫星任务处理和控制的中心，未来新的智能化应用、星群应用、通信服务等需求也将由卫星执行，对综合电子系统提出了新的要求。典型小卫星综合电子系统，具有功能综合度高、多数功能集中在一台计算机中、卫星功能软件化的特点。设计了基于软件定义的综合电子系统一体化结构，硬件采用高度集成的模块化设计，软件采用分层和组件化设计，将系统功能进行分层，通过软件定义组件的方式实现各层功能和业务。高功能密度综合电子系统由一个通用化的高性能硬件平台和各种可加载的app软件组成，除传统功能外，还可扩展自主任务管理、星间组网和载荷管理等功能，不仅使卫星的集成度和功能密度大幅提升，还能实现卫星功能重构，达到一星多用、一星多能的目的，有利于紧急时期卫星系统快速构建与应用。目前微小卫星综合电子系统尚未出现统一的平台，系统多种多样，集成度和标准化方面不足，给软件开发带来挑战，不利于综合电子系统的应用和推广。随着飞行应用能力、品质和效能需求不断提升，航空电子系统功能的扩展、信息组织和环境构成日趋复杂。航空电子系统面对复杂的飞行应用组织、系统功能组织和设备资源组织，是一个典型的集应用、处理和能力一体的复杂系统。对于这种复杂系统，现代航空电子系统必须采用以应用为目标，以功能为能力，以设备为基础，以过程为对象，以运行为实践的体系、架构、能力和管理综合化的系统。传统航空电子系统操作的需求、条件、处理和结果
直接耦合的方法无法实现复杂系统的目标、环境、能力、效率、效果和有效性综合优化的需求。由于航空电子系统具有复杂环境、多重任务、多种目标的背景，存在着众多的元素、复杂的关系、不同的权重的组织，采用多项不同专业、不同技术、不同方法的处理，具有不同类型、不同能力和不同性能的资源组织。单一的系统组织、处理与管理方式无法满足和实现系统组织效能、效率和有效性能力。目前航空电子系统综合化技术研究主要停留在传统航空电子系统组织与构成基础上。主要特征是面向独立的航空电子系统的组织模式，如各个独立的航电分系统的组织架构；面向独立的航空电子系统功能模式，如各个航电分系统提供的独立功能能力；面向独立的航空电子系统资源构成，如各个独立的航电分系统资源平台或ima通用处理平台；实现航空电子系统独立的应用、能力和设备的综合。这种独立系统应用组织、功能处理和资源操作综合仅考虑局部的条件和因素，系统综合能力受到了很大的限制，直接影响了系统综合化的收益，也限制了系统综合化问题和收益分析与评估。当前我国卫星地面站装备体制多样,呈现自成体系、条块分割的局面.各系统之间开放性差,互联互通互操作能力不足,管理系统存在体系和技术体制屏障。随着集成电路规模的增长，功耗密度越来越大，处理器的速度和存储器的速度差距越来越大，存储器的延迟限制了综合化系统计算机的性能的发展。由于单处理器受到控制计算单元的限制，并且amdahl定律指出指令级并行取决于程序的可并行程度，由若干通过高速专用网络连接起来的独立节点构成的综合电子系统也无法有效提高计算机的速度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种模块化、通用化、多任务、高安全、全动态、可重构、可升级、可扩展、可成长的分布式综合可重构电子系统平台架构。
5.本发明的上述目的可通过以下措施来达到：一种分布式综合可重构电子系统平台架构，包括：通过无线通信/有线通信实现互连，并围绕核心节点单元分布的最小颗粒单元，其特征在于：各最小颗粒单元结合交叉分组开关器件，通过多个点到点的通信链路被组织在一起，实现所有芯片或模块间的任意互连和并发传输；各核心节点单元和最小颗粒单元间基于tte以太网协议进行有线/无线网络通信，构成最小颗粒单元和核心节点单元通过各自网络交换模块上的有线/无线通信单元实现信息交互和资源共享，并通过各自的电源模块实现电源的无线传输供电的设备集，所述设备集通过高速串行总线、芯片级互连标准化模块，构成开放式的交叉开关网络switchfabric综合电子集成系统；最小颗粒单元完成雷达脉冲压缩、目标检测、实时成像，电侦信号检测、参数测量、信号分选、信号配对、调制识别，通信信号波形解调、编/译码、协议处理、干扰抑制、跳频同步、扩频解扩、测量参数处理及解模糊和各类功能应用的信号处理工作，结合信号处理结果和其他来源探测信息，通过加载数据处理程序完成多源信息融合处理，以及典型目标识别信息层面的数据处理，获得各个功能应用运行所要获得的数据结果，将业务数据流转发至核心节点单元；核心节点单元作为综合电子系统平台的管控中心，根据上位机任务指令，面向试验与应用任务，检测和管理所述系统软硬件资源，动态加载业务重构，实现整个平台的资源管理、网络管理、对外交互、波形加载、接口适配、控制信息交互和总线交换；基于高速互连网络的开放式功能应用服务接口，对外提供万兆网、千兆网，rs422、1553b接口，进行网络通信和数据分发。
6.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：本发明基于高速互连网络的开放式、可扩展硬件体系结构，通过标准化模块、高速串行总线、芯片级互连、switchfabric网络管理等技术构成开放式的综合电子集成系统，该架构可根据系统在软硬件架构基于通用标准模块、开放式体系架构将多种弹载终端功能集成在一个设备中，设备多种功能可按需重构，灵活扩展，从而缩减测量系统的设备数量，减小设备的体积、重量、功耗等，提高系统的可靠性。这种基于“switchfabric”网络(rapidio+ttethernet)互连的硬件体系结构系统，避免了传统的vem或pci等并行总线构造系统时，存在的系统总线带宽受限、应用功能功能之间紧耦合、相互竞争、系统响应时间不确定、可靠性不高、扩展性不强的缺陷。同时系统各核心节点单元和最小颗粒单元间通过基于tte以太网协议的有线/无线网络进行通信，实现数据的传输和资源的共享，这样系统设备集中的各设备虽然在物理位置上分离，但在在逻辑上构成一个整体，各子系统可以独立或相互配合完成某任务，系统可以通过增配多个核心节点单元和最小颗粒单元，来适应不同规模的任务需求。通过远程调用协同工作，能够实现所有芯片或模块间的任意互连和并发传输,系统带宽从而成倍的增加。这种依托网络虚以及sdn技术体制,将实体资源从频率、存储、计算等多维度进行切片和分离,实现单个资源的精细优化使用以及集群资源的协同优化调度,显著提升有限地面站资源的利用效率。
7.本发明将计算资源进行分布式设计的新一代综合电子系统架构，采用“积木式”结构途径，用基于有线/无线连接的最小颗粒单元集代替传统的单体综合电子设备，降低大型综合电子集成系统设计的复杂度。各颗粒都能支持如指令与控制、数据处理、信号处理等能力，同时一些颗粒也能复制其他颗粒的功能，各颗粒结构上虽然独立但能通过高速交换网络实现数据资源的共享和分配处理，以完成大型单体综合电子设备承担的任务。此新一代综合电子系统将各功能任务分散到各“分离”的小型颗粒上，且同时拥有可升级、可修改的容错分布式计算能力，从而具有轻质量、高可靠、多灵活、自适应等特点，符合大型复杂综合电子系统的发展需求。一方面，随着系统硬件模块的通用化、可复用、可重构能力的不断提升，系统的体积、质量、功耗大幅度降低、系统可靠性、可用性显著提升；另一方面，随着统一数字网络，可扩展、可成长开放式体系架构的建立，系统技性能指标得到质的飞跃，系统全生命周期成本显著降低。
8.本发明通过先进的设计理念、高效的设计手段，既支持各种不同系统、不同标准、不同体制的通信波形，又支持波形应用的扩展和移植的模块化、通用化、多任务、高安全、全动态、可重构、可升级、可扩展、可成长的新一代综合电子系统平台。平台既能满足综合电子信息应用系统当前规划的试验和任务需求，又满足未来发展、不断扩展的新试验任务需求，支持综合电子信息应用系统的滚动、迭代发展。
附图说明
9.图1是本发明分布式综合可重构电子系统平台架构示意图。
10.图2是图1的一个综合电子系统平面架构的实施例示意图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的示意性优选实施例中，一种分布式综合可重构电子系统平
台架构，包括：通过无线通信/有线通信实现互连，并围绕核心节点单元分布的最小颗粒单元。各最小颗粒单元结合交叉分组开关器件，通过多个点到点的通信链路被组织在一起，实现所有芯片或模块间的任意互连和并发传输；各核心节点单元和最小颗粒单元间基于tte以太网协议进行有线/无线网络通信，构成最小颗粒单元和核心节点单元通过各自网络交换模块上的有线/无线通信单元实现信息交互和资源共享，并通过各自的电源模块实现电源的无线传输供电的设备集，所述设备集通过高速串行总线、芯片级互连标准化模块，构成开放式的交叉开关网络switchfabric综合电子集成系统；最小颗粒单元完成雷达脉冲压缩、目标检测、实时成像，电侦信号检测、参数测量、信号分选、信号配对、调制识别，通信信号波形解调、编/译码、协议处理、干扰抑制、跳频同步、扩频解扩、测量参数处理及解模糊和各类功能应用的信号处理工作，结合信号处理结果和其他来源探测信息，通过加载数据处理程序完成多源信息融合处理，以及典型目标识别信息层面的数据处理，获得各个功能应用运行所要获得的数据结果，将业务数据流转发至核心节点单元；核心节点单元作为综合电子系统平台的管控中心，根据上位机任务指令，面向试验与应用任务，检测和管理所述系统软硬件资源，动态加载业务重构，实现整个平台的资源管理、网络管理、对外交互、波形加载、接口适配、控制信息交互和总线交换；基于高速互连网络的开放式功能应用服务接口，对外提供万兆网、千兆网，rs422、1553b接口，进行网络通信和数据分发。
12.在可选的实施例中，分布式综合电子系统平台由多个核心节点单元和多个最小颗粒单元构成设备集，其中，最小颗粒单元完成雷达脉冲压缩、目标检测、实时成像，电侦信号检测、参数测量、信号分选、信号配对、调制识别，通信信号波形解调、编/译码、协议处理、干扰抑制、跳频同步、扩频解扩、测量参数处理及解模糊等各类功能应用的信号处理，同时最小颗粒单元结合信号处理结果和其它来源探测信息，通过加载数据处理程序，完成多源信息融合处理以及典型目标识别等信息层面的数据处理，获得各个功能应用运行所要获得的数据结果。
13.核心节点机箱除高速背板和机箱及结构附件之外，每个插箱放置5个标准模块。
14.数字化机箱选用5槽机架。各个槽位通用化模块定义如下：槽位1：信道模块，完成信号下变频、放大等处理；槽位2：数据存储转发模块，完成业务数据的存储转发等工作，对外提供万兆网接口；槽位3:系统控制模块，完成整个系统平台的控制，主要包括对各模块设置工作参数、进行设备配置、监视设备运行状态、任务配置，同时负责调度系统各设备执行自检、测试、动态加载等工作，以及网络的管理和实时监控，机箱内网络、总线、有线/无线通信网络关键信息的捕获记录等；槽位4：网络交换模块，完成内部数据交互与对外数据传输。其中通过模块上的rapidio交换芯片，实现设备内部模块间的rapidio数据交换，并通过模块上的有线/无线通信单元，实现设备间的数据交互；槽位5：电源模块，为自身设备供电。
15.参阅图2。核心节点单元包括：通过tte以太网传输数据的信道模块、数据存储转发模块、节点网络交换模块、系统控制模块和提供电源的电源模块，核心节点单元各模块间通过tte以太网以及控制总线rapidio高速交换网络实现数据的交换和共享，通过功能应用服
务接口发送数据。
16.信道模块根据控制总线接收的频标信号和b码以及收发两端之间的信号同步信号，按接收信号的数字编码方式划分为单极性码和双极性码，单极性码使用一个电平，正或负的电压表示数据，使用正电平表示“1”，使用零电平表示“0”，在归零码rz编码中，正电平代表逻辑1，负电平代表逻辑0，把时钟信号用归零编码完成自同步，在接收器处以与发射器相同的速率通过采样恢复，从接收到的数据中重新生成同步信号，在以太网环境下，采用无线信道控制算法对多信道环境进行模拟，模拟出无线自组织网络节点的通信环境发送信号，信道模块完成信号的上下变频、放大处理后，信号数据通过设备内的tte以太网流向数据存储转发模块。
17.数据存储转发模块采集系统中数据传输及大容量存储，将大容量数据实时存储到pc机中，采用并行传输数据，通过软件编码实现spi模式的数据传输，包括串行时钟。数据的输入和输出，在进行数据收发的同时完成数据的存储、替换和转发，将来自内部总线接口的存储数据发送给相应节点网络交换模块内部总线接口，在网络间节点实时数据传输和节点对数据实时控制，通过tte以太网、rapidio网络将数据存储转发系统控制模块，实现数据的交互和整个平台的资源管理、网络管理、对外交互、波形加载、接口适配、控制信息交互，通过总线交换到节点网络交换模块中。
18.节点网络交换模块中的有线/无线通信单元接收各最小颗粒单元传来的信号业务数据流和设备状态信息，把网络拆解成网络分支、分割网络数据流，隔离分支中发生的故障，且从逻辑角度出发，将实际的lan基础设施分割成多个子网，借助以太网交换机完成对输入信息流的确认，然后分类信息流并且分配相应的优先级，按照优先级实现转发。
19.节点网络交换模块通过数据链路层验证数据包头的地址信息来确定是否接收，查找内存中的地址对照表，确定目的网卡的硬件地址(mac)的网卡(nic)挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的mac若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后以太网交换机交换机学习新的地址，并把它添加入内部mac地址表中。以减少每个网络分支的数据信息流量，而使每个网络更有效，提高整个网络效率。通过交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域。这样可以克服传统的点到多点通信方式，不仅浪费带宽、也容易产生延迟和拥塞，甚至会产生一些无用的广播报文，对系统性能带来负面影响。
20.节点网络交换模块算节点信令和交换数据有关的命令，通过这些命令可以查询和设置各个槽位模块的相关信息，按照不同交换方式的要求，根据出线地址在交换网络内部建立通道，在交换网络内部建立一条通过多个交换单元的可用的通路，使需交换的信息流从入线沿着已建立的通道流向出线完成，交换网络交换模块中的有线/无线通信单元接收各最小颗粒单元传来的信号业务数据流和设备状态信息，通过tte以太网转发到各最小颗粒单元中。
21.每个最小颗粒单元包括：通过光纤连接信号处理模块的信号预处理模块，通过tte以太网与rapidio网络传输数据的数据处理/控制模块、颗粒网络交换模块和电源模块；核心节点单元将待处理信号数据经设备内部的tte以太网，通过rapidio网络流向信号预处理模块进行预处理，净化处理和网页元数据信息的提取，经ad采样、串并换等处理后，经光纤送入信号处理模块进行数字基带信号处理，完成各任务功能的基带数字信号的信号波形产生、数字波束形成、信号波形调制/解调，通过数据处理/控制模编码/译码、完成信号的下变
频、协议解析、协议转换、pdxp换码操作、组帧处理、数据分发、业务数据的应用处理，通过扩频/解扩、干扰抑制处理后，将业务数据流送入颗粒网络交换模块，颗粒网络交换模块采用硬件来完成以网桥，通过软件来完成过滤、学习和转发过程的任务，将发送数据到所有的端口，经有线/无线通信单元转发至核心节点单元。
22.在可选的实施例中，2个最小颗粒单元和1个核心节点单元组成一个新一代综合电子系统平台，最小颗粒单元各模块间通过rapidio网络、tte以太网以及控制总线与核心节点单元实现数据的交换和共享，完成2收2发的信号处理任务。
23.以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。