基于PowerPC的高速处理系统设计

        摘要：本文针对结构健康监测系统对高速、复杂运算和快速数据传输能力的要求，设计并实现了基于PowerPC的高速处理系统。该系统以高性能Power架构处理器P1010为核心，配备高速DDR3内存，通过CPCI总线进行数据传输，可实现数据的高效处理并有效减少传输延时。测试结果表明，该系统在具有高速数据处理和传输能力的同时具有小体积、低功耗的特点，非常适合应用于结构健康监测系统中。

　　引言

　　随着现代大型系统和设备复杂性、综合化、智能化程度的不断提高，PHM(Prognostic and Health Management，故障预测与健康管理)技术应运而生，并在提高系统可靠性、安全性以及降低设备的维护和保障费用等方面表现出了巨大的发展潜力和应用前景[1-2]。

　　结构健康监测系统是对各种大型系统和设备健康状态进行监测、诊断、预测和管理的典型嵌入式应用系统。用于飞机等大型设备的结构健康监测系统是目前PHM技术的研究热点[3-5]，该系统的应用可以有效改善飞机系统的维护方式，降低系统故障发生率和维护保障费用。

　　本项目研制的高速处理系统主要负责结构健康监测系统的整体控制、接收采集系统和传感器接口系统采集到的大量监测数据以及运用复杂算法和智能模型对结构的健康状况的进行整体监控、诊断、预测和管理。该系统在处理能力和数据传输速度方面相比于以前的系统都有了较大的提高，外形符合CPCI-3U规范。

　　1 硬件总体设计

　　高速处理系统主要由中央处理器、存储模块、配置模块、接口模块和时钟、电源电路组成，整体结构图如图1所示。

　　本项目选用飞思卡尔公司具有高度整合性的PowerPC处理器P1010作为中央处理器。存储模块由内存芯片DDR3、系统和应用程序存储器FLASH和配置信息存储器EEPROM组成。配置模块包括POR配置电路和CPLD，其中CPLD也是整个系统的辅助控制模块，对于系统上电时序、POR引脚设置、复位、LED控制和IO扩展等都有重要作用。接口模块包括串口、网口、SATA口和CPCI接口，用于实现本系统与外部的高速数据交互。

　　2 硬件功能模块设计

　　2.1 中央处理器

　　飞思卡尔的QorIQ P1010是一款采用先进安全技术的高性能处理器，内部集成了高性能、Power架构的e500v2内核，有32KB的一级指令缓存和32KB的一级数据缓存，256KB的二级缓存，支持浮点运算和最高800MHz的内核时钟频率，最高数据处理速度可达1600DMIPS[6]，可满足PHM技术对于数据处理能力的要求。同时P1010为用户提供了GPIO、串口、网口、PCI-E、I2C、SATA等丰富的外设接口，具有强大的控制功能，1.1W的运行功耗和19mm×19mm的BGA封装也符合嵌入式设备对于低功耗和小体积的要求。P1010正常工作需要为其配置外围时钟、电源、存储模块和配置模块。

　　P1010有两个时钟信号，系统时钟SYSCLK和实时时钟RTC。本设计采用66.667MHz的有源晶振产生SYSCLK，经内部锁相环电路倍频后为P1010内核和所有与内核同步的设备和接口提供时钟。RTC由实时时钟模块PT7C4338和32.768kHz的无源晶振实现，连接在P1010的I2C控制器上，为系统提供日期、时间信息，也可以用作内核和PIC(可编程中断控制器)的计时器时钟。

　　P1010的内核电压为1V±50mV，工作电流较大，本设计选用Intersil的ZL6100芯片为P1010供电。ZL6100是一个集成了MOSFET驱动的数字电压控制器，它的输出电压误差在±1%以内，输出电流最高为3A，可以满足P1010内核对电压精度和电流大小的要求。