“智能”COTS多功能I/O设计彻底改变了数据分发系统

随着现代和未来的平台越来越依赖电子设备进行控制、武器管理和传感器数据集成，这些平台中使用的传感器和控制点的数量呈指数级增长。与这种扩展相吻合的是，处理此传感器数据的要求显着增加，而不动产节省需求和冗余要求增加。

然而，如果谨慎实施，智能分布式I/O板和传感器接口单元（SIU）可以满足这些相互冲突的要求。

现代军事平台越来越依赖电子设备进行操作。正如飞机已经过渡到电传操纵系统一样，地面车辆也正在过渡到电传操纵系统。同时，更多的传感器被整合到海上，空中和地面车辆中，这些传感器用于检测从进射射弹到发动机振动的所有内容。与此同时，越来越多的电子控制致动器影响基于传感器数据的响应。这些传感器和执行器中的每一个都必须连接到某种类型的I / O点，以收集用于处理的数据。例如，考虑一个简单的线控转向设计。操作员（驾驶员）向右转，需要输入测量。然后使用控制点激活正确的致动器以改变垂直轴周围的车轮位置。

所以问题是：我们如何在不增加尺寸或重量的情况下管理所有这些传感器增加的电子内容，然后处理这种指数级增长的数据？与往常一样，使用更多的电子设备意味着更高的处理要求和更多的互连，这引发了更多的问题。这个悖论的答案在于现代“智能”分布式I/O板和传感器接口单元（SIU），它们可以满足以下需求：

高水平的模拟集成

在现代带宽限制内进行精密处理

满足日益严格的房地产需求

简化 I/O 数据和处理分发

任务关键型冗余

高模拟集成度：“智能”I/O 帮助

为了适应这种传感器引起的对电子设备日益增长的需求，使用高水平的模拟集成被证明是一种可行的补救措施：今天可以在单个PCB上放置的I/ O点的数量是最近的两到三倍。“智能”I/O板通过执行以前由辅助模拟电路以数字方式执行的许多功能（如校准、滤波和BIT），帮助提高模拟密度。虽然肯定没有以与数字电子集成相同的速度进行，但模拟集成正在沿着快速的斜坡前进。五年前，单个PCB上的32个A / D或D / As被认为是高密度的，而今天60个或更多是司空见惯的。事实上，现在的情况是，可以放置在PCB上的模拟功能的数量更多地受到连接器上I / O引脚数量的限制，而不是可以安装在给定PCB空间中的电子设备的密度。为了解决这个问题，制造商正在从虚拟机或紧凑型必维网转向 VPX （VITA 46）。VPX 的 I/O 大约是 VME 的两倍。

“智能”I/O 板：精密处理

目前提供的I/O板是“智能的”。这些板不仅执行 A/D、D/A 或简单的 I/O 功能，而且还提供复杂的数据处理级别。例如，简单的I/O板具有A / D转换器，可以以每秒数千到数百万个样本的速率对输入数据进行采样，然后将该数据发送到任务计算机进行处理。现代军舰、潜艇、飞机，甚至地面车辆都可以有数千个点可供采样。例如，想想现代潜艇上需要数千个振动传感器来确保完全隐身。

此外，为了在不断上升的带宽上获得更多信息，采样率从几千Hz增加到100 KHz以上，位深度从12位增加到16和24。这些数据速率很容易使最强大的处理器不堪重负，特别是当需要执行FFT和FIR滤波等复杂算法时。借助板载 FPGA 和 DSP，I/O 板制造商可以轻松提供预处理以减轻主处理器的负载。由于这些组件是高度可编程的，因此这些COTS板的硬件保持不变。但是，提供的功能是高度可配置的。

满足不断缩小的房地产需求

“智能”I/O板提供了另一个重要特性，可最大限度地减少系统尺寸和功耗：能够在一个PCB上执行多种功能。过去，许多电路板都提供 32 或 64 个 A/D 或 D/As 或 28 V 分立器件，以及用于不同类型的通信功能（MIL-STD-1553、串行、ARINC 429、CANbus 等）和处理（SBC）的单独电路板。然而，今天的许多系统需要较少数量的不同类型的I/O和通信。

为了解决这个问题，制造商已经创建了多功能虚拟机、紧凑型PCI和VPX板。这些板允许系统集成商从大量可用功能中进行选择，并在一个PCB上集成许多功能的较小通道数。这是通过基板FPGA和DSP在最终组装时进行编程以执行几乎任何任务的能力来实现的。例如，单个电路板可以包含 A/D、D/A、RTD、MIL-STD-1553 和 ARINC 429，仅举几例。

节省空间的另一种可能性是使用多功能 I/O 板，该板包含基于 PowerPC 或英特尔的 SBC 支持，并且能够提供大型功能组合。一块板可以取代多达六块专用板。同样重要的是，诸如此类的多功能板可以基于COTS。

I/O 数据分发和处理

I/ O数据分发和处理的概念非常强大，可以同时解决许多问题，例如减少电缆重量和任务计算机处理要求。图1所示的传感器接口单元（SIU）通常是某种坚固耐用的独立设计，包括可配置的I/O，并提供与任务处理器的通信。这种方法允许系统集成商将I/O点放置在非常靠近实际传感器的位置，预处理数据，然后将减少的数据发送回任务计算机。

现在，少量电缆（通常只是电线或光纤 GbE）需要从 SIU 运行回主处理器。可以使用一个或多个包含执行此任务所需的所有 I/O 功能的远程 SIU 以及 SBC 功能。SIU可以放置在传感器和执行器的几英尺范围内（对于具有单个机箱的系统，则为数百甚至数千英尺），以实现执行实际功能所需的控制处理。

这种情况具有显著的减重优势：100 对 50 英尺长的绞合/屏蔽对与相同长度的双 GbE 电线或光纤连接之间的重量差异是巨大的 - 大于 10 比 1 的减少。较短的电缆长度还可以降低噪声拾取、导线损耗和接地环路电位，并且在许多情况下会降低EMI。这在飞机上可能是最有利的，因为数百根电线现在只需要行驶几英尺，而100英尺或更远，或者在数百英尺长的船只和潜艇上。例如，由于此类 SIU 可能使用标准 28 VDC 或单相/三相 115 VAC，因此到 SIU 的电源布线也很短，因为此标准电源通常在整个平台上的许多点上都可用。

冗余是一件好事

冗余是SIU方法擅长的另一个领域。以前，冗余系统需要复制整个设备机架，问题是哪个硬件和软件决定哪个机架在控制，以及哪个处理器。通常，如果一个机架中出现任何故障，则需要关闭整个机架，然后接管备份。但是，分布式 SIU 可以提供固有的“软故障”属性。由于每个 SIU 控制所有平台功能的子集，因此如果 SIU 出现故障，则只需将该子集切换到备份硬件。此外，每个 SIU 可能有多个 GbE 或其他通信通道，因此每个通道始终连接到主任务计算机和冗余任务计算机。主任务计算机可以保持对系统的控制，尽管有各种硬件故障。图 2 显示了使用此方法的概念性冗余系统设计。

图 2：使用 SIU 和冗余任务处理器的“故障软件”系统

北大西洋工业公司（North Atlantic Industries）的制造商提供一款支持多达 300 个 I/O 点的 SIU（可配置为许多不同的 I/O 功能），提供相当于 SBC 的 SBC 来处理数据，并通过多种通信接口（包括 GbE、MIL-STD-1553、ARINC 429 和 CANbus）与主任务处理器进行通信，仅举几例。

审核编辑：郭婷