Коллектор каналов – многоканальное устройство сопряжения источников цифровых сигналов с ЭВМ через USB2 интерфейс

Задача, которая ставилась перед разработчиками Коллектора каналов, заключалась в создании высоконадежного, достаточно высокоскоростного и универсального многоканального устройства сопряжения источников цифровых сигналов (демодуляторов) с ЭВМ.
Разработанное устройство состоит из аппаратного и программного модуля с наиболее оптимальным распределением функций между ними для достижения надежности и достаточно высокой скорости передачи данных.
Высокая надежность Коллектора каналов достигается за счет отказа от предварительной обработки поступающих на входы устройства данных с демодуляторов. Любая ошибка на стадии предварительной обработки данных или аппаратный сбой неизбежно приводит к потере данных без возможности их восстановления. Это основной недостаток устройств, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, который устраняется при применении Коллектора каналов.
В аппаратном модуле Коллектора каналов в части, касающейся манипуляции с данными, реализована лишь многоуровневая буферизация и пакетная передача данных через USB2 интерфейс в ЭВМ для достижения максимально возможной скорости передачи информации при обеспечении целостности данных.
Программный модуль управляет работой Коллектора каналов, принимает пакеты данных, записывает их в оперативную память ЭВМ, анализирует целостность принимаемой информации, осуществляет сортировку пакетов по каналам и регистрирует данные, записывая их на жесткий диск ЭВМ порциями («10-ти секундными файлами»).
Следует отметить, что система регистрации данных программным модулем Коллектора каналов не критична к текущей загруженности жесткого диска ЭВМ операциями чтения и записи со стороны других программ. То есть, уже во время регистрации можно начинать предварительно обрабатывать данные с помощью специальных программ или аппаратных
ускорителей. Например, можно выводить предварительно обработанную информацию в темпе приема на контрольный монитор или осуществлять декодирование данных.
Важно, что в случае сбоя работы программы или аппаратного ускорителя во время предварительной обработки данных, всегда есть возможность вернуться к исходному массиву
уже принятых данных (к месту хранения «сырого потока») и обработать их снова. Это существенно повышает надежность устройства в целом.
Аппаратный модуль Коллектора каналов реализован на базе универсального модуля, содержащего программируемую логическую интегральную схему ПЛИС (FPGA Spartan-3, XILINX) и USB2 интерфейс обмена данными с ЭВМ.
Проект выполнен полностью на языке описания «железа» Verilog HDL (Hardware Description Language) , что позволяет легко переносить его на другие микросхемы ПЛИС.
Коллектор каналов имеет пять физических входов данных, объединенных в три логических канала - А, B и C. Каналы A и B имеют по два входа каждый специально для подключения демодуляторов с двухразрядными выходами, работающих в X-диапазоне частот. Канал C имеет один вход для подключения демодулятора, работающего в L-диапазоне частот. Каждый вход – это одноразрядная линия данных, сопровождаемая тактовым сигналом синхронизации.
Для достижения достаточно высокой скорости передачи данных из аппаратного модуля Коллектора каналов в ЭВМ был выбран USB2 интерфейс и реализован пакетный режим (bulk transfers) передачи данных через USB2 интерфейс c размером пакетов до 8 Мбайт. Теоретическое значение скорости передачи данных составляет 480 Мбит/с, реальное - до 250 Мбит/с, что удовлетворяет требованиям по быстродействию. В случае необходимости приема информации по большему количеству каналов или с большими скоростями можно использовать дополнительные Коллекторы каналов.
Следует отметить, что USB2 интерфейс был выбран не только из-за высоких скоростных характеристик, но и в связи с его универсальностью, позволяющей подключать к выходу аппаратного модуля Коллектора каналов широкий спектр ЭВМ, работающих под управлением ОС Microsoft Windows, без установки дополнительных интерфейсных плат. Кроме того, через USB2 интерфейс осуществляется программное управление устройством и возможность программировать конфигурацию микросхемы ПЛИС. Наконец, питание устройства также производится по кабелю USB.
Универсальность устройства достигается еще и возможностью подключения входных сигналов различных стандартов. В обычной конфигурации аппаратный модуль Коллектора каналов работает с LVDS входными сигналами. В том случае, если следует подключить входные сигналы другого стандарта, требуется лишь замена одной из составных плат аппаратного модуля (конвертерной платы), содержащей LVDS/TTL конвертеры, на плату, содержащую другие конвертеры. Необходимым условием этой замены является возможность подачи на входы конвертерной платы внешнего питания от источника сигнала.
Таким образом, назначение аппаратного модуля Коллектора каналов заключается в: а) приеме и записи данных, поступающих одновременно по различным каналам с различной скоростью в буферные контейнеры памяти (FIFO); б) формировании пакетов данных с
заголовками, содержащими служебную информацию о пакетах по каждому из каналов;
в) записи сформированных пакетов данных в буферное оперативное запоминающее устройство для временного хранения до считывания в ЭВМ; г) пересылке пакетов данных в ЭВМ через высокоскоростной USB2 интерфейс; д) выполнении функций контроля состояния устройства и индикации, измерении частоты входных сигналов по каждому из каналов, тестировании устройства с помощью имитационных сигналов.
Назначение программного модуля Коллектора каналов заключается в: а) управлении аппаратным модулем Коллектора каналов и установке параметров регистрации; б) приёме пакетов данных из аппаратного модуля и записи их в оперативную память ЭВМ; г) анализе целостности принимаемой информации и осуществлении сортировки пакетов по каналам; д) записи данных на жесткий диск ЭВМ порциями («10-ти секундными файлами»).
Основные характеристики Коллектора каналов:
- Пять входных линий, объединенных в три канала специально для подключения различных видов демодуляторов.
- Универсальный USB2 интерфейс для обмена данными с ЭВМ.
- Максимальная тактовая частота сигнала по каждому входу составляет до 100 МГц.
- Общая максимальная скорость приема данных по всем каналам составляет до 250 Mбит/с.
- Питание устройства по кабелю USB (+5В, до 500 мА).
- Контроль состояния, индикация и управление устройством осуществляется с помощью специального программного обеспечения. Управление может осуществляться как в ручном, так и в автоматическом режимах.
- Система регистрации данных не критична к текущей загруженности жесткого диска ЭВМ операциями чтения и записи со стороны других программ, что позволяет проводить предварительную обработку во время регистрации.
Результатом практического применения Коллектора каналов стало его использование в штатном режиме на приемном комплексе НЦ ОМЗ для приема информации с отечественных и зарубежных космических аппаратов ДЗЗ. Потенциал Коллектора каналов позволяет использовать его и в других областях науки и техники.