0 引　言

随着计算机技术、网络技术的快速发展，光电侦察系统中的数据采集器要始终保持技术先进性，借助先进技术优化设计采集器的硬件系统和软件系统。本文提出的数据采集器采用嵌入式设计方式，具备功耗低、故障率低、数据传输效率高的优势，能够为光电侦察系统运行提供数据支持^[1-3]。

1 舰艇光电侦察系统 1.1 系统硬件设计

本文采用Xilinx Artix-7GTP收发器的光纤传输技术设计光电侦察系统，实现光电侦察系统中信息数据的双向传输，简化信息传输链路，保证系统的稳定性。光电侦察系统的硬件组成结构如图1所示，其中FPGA内置高速GTP收发器，共16个，运行速度高达6.6 Gbps。本系统业务数据包括HD−SDI接口高清可见光视频、Gamera link接口红外视频和RS422接口指令信息。根据舰艇光电侦察系统的运行需求，缩短传输时延，将业务数据带宽确定为1.254105600 Gbps。

1.2 总体信号流程

系统信息传输包括发送与接收2个部分，其中发送子系统需要将视频、指令数据转变为32 bit数据，借助GTP向接收子系统发出，接收子系统在光纤通道中对传输数据进行判断，根据不同类型的传输数据采取不同的接收还原方式。当接收可见光数据和红外数据时，用32转256的方式，在DDR3中写入FIFO，并在读写控制后，将可见光数据通过FIFO5输出，还原为HD-SDI输出^[4-6]。将红外数据通过FIFO6输出，还原为Carmera link。所有输出的数据可以直接在显示器上显示查看^[7-10]。

1.3 系统数据发送

在GIP传输中，其通道数据位宽需要转换成32 bit才能完成传输，同步信号和无用数据提供自定义功能，向GTP发送K28.5码，根据高控制信号对不同类型数据进行控制。发送和接收数据的控制信号分别为1000、0000。不同类型数据的发送控制状态不同，各类型数据都可以在FIFO中缓存，在缓存之后再转换数据，具体包括以下方面：

1）可见光数据发送

此类数据需要通过解码转换再缓存到FIFO中，FIFO识别数据后判断数据的所处状态，作出决策。当可见光数据发送时，红外数据、指令信息也在同时发送，则要等红外数据、指令信息发送之后再进行发送；如果当前无信息发送，系统处于空闲状态，则可以优先发送可见光数据，在发送过程中产生相应的标志位，形成有效图像数据。

2）红外视频发送

此类数据在发送中要先通过解码，转换成16转32的数据，缓存在FIFO中，缓存后用状态机判断数据发送状态，优先发送红外视频数据，再发送可监管数据。红外数据发送时会在GTP中产生标志位，发送流程与可见光数据发送流程基本一致，数据发送完成后会自动在当前行数上加1。

3）指令信息发送

系统在接收指令信息时执行分次接收机制，2次指令信息接收的间隔时间不少于1 s，指令信息长度为64。当接收到指令信息之后，借助MAX3490解码器进行解码，转换后暂存到FIFO2中。当指令信息发送需要识别判断其他类型数据的发送状态时，如果此时正常发送红外数据，则要等红外数据发送后再发送指令数据。为保证系统运行安全，要将FIFO2设定为512深度，同时缓存8帧指令，当数据接收后，GTP继续发送帧长度为LEN的VART_SOF数据，从FIFO中读取指数据，完成全过程发送。

1.4 系统数据接收

系统数据在光纤通信技术的支撑下进入到光模块中，在数据传输后转换为32位数，根据实测结果显示，32位数可能会发生位移现象，32位数据需要以对齐模块为前提才能进行数据解析。数据解析中，根据同步信号BC码的位置对位移方向进行判断，当BC转移到低8位后，要将接收到的所有数据向左移动24位进行对齐，待对齐后分析同步信号与类型码，提取各类型数据。设定DDR3、用户的参考输入时钟分别为200 MHz、100 MHz，系统连接2片DDR3，使数据量处于满载荷书写状态，数据缓存速率为1.25 Gbps，能够避免数据占用原视频接口的宽带。

在系统中，设读写地址长度、DDR3长度分别为138、8，按照地址分类将DDR3内部划分为8大区域，其中可见光数据、红外视频数据分别存放到1-4、5-8区域。

2 舰艇光电侦察系统嵌入式数据采集器的设计 2.1 嵌入式数据采集器硬件设计

嵌入式数据采集器设计要按照低功耗的原则进行设计，以保证系统可靠运行。本文提供设计方案采用低功耗微处理器，硬件系统构成包括RS-232接口、RJ-45接口、RS-485接口、AI接口、DI接口、USB接口、SD卡接口等，提供数据采集、处理、存储、传输功能。硬件系统结构如图2所示，共划分为多个模块，包括存储、电源、以太网、RS-485、RS-232、处理器等模块。

1）电源模块设计

电源模块由LM2576开关型降压稳压器、LM1117-33低压差电压调节器、A2425S-2W型DC-DC模块3个部分组成，分别产生5 V，3.3 V和15VDC电压。电源模块采用二极管DPI，用于防范电源短路。在电源硬件系统中，LM2576的降压、稳压、负载调节性能优越，满足系统低功率运行要求；LM1117-33的可靠性相对较差，本系统在调节器上安装钽的电容，容量不小于10 μF，以改善LM1117-33的电压瞬态响应性能；电源模块增加纽扣电池电源硬件，使用10 μF电感分开数字电源与模拟电源，避免了谐波信号对数字信号造成干扰。

2）处理器模块设计

处理器模块是嵌入式数字采集系统的核心模块，本系统采用LPC2478处理模块，用于吸收集成电路瞬间产生的充放电能，抑制旁路滤除期间的高频噪声。在处理器模块中，配置低功耗MCU专用复位监控芯片，产生快速低电平复位信号200 ms，当处理器模块的FEEDDOG引脚信号未发生动作时，复位监控芯片会执行看门狗的工作，定期检查处理器的低电平输出情况，激发强制复位功能。

3）以太网模块设计

系统设计以太网媒介访问控制器，该控制器具备DMA硬件加速功能，为其他硬件设备提供全双工选择或半双工选择，能够满足硬件加速运行、启动局域网的要求。以太网模块配置独立的媒介接口，将媒介接口串行总线连接到PHY上，设置16个引脚，以简化电路，提高硬件电路的使用性能。Ethernet接口电路在连接网络隔离变压器后，可促使信号得到进一步增强，隔离芯片端与外部的通信，当出现雷击等意外情况时，可起到设备保护作用。

4）RS-485模块设计

该模块传输速率高、距离远，具备噪声抑制功能，适用于较宽的通信总线。在RS-485模块中加入双向TVS二极管，其特性曲线如图3所示。双向TVS二极管能够抑制数据与控制总线之间的噪声干扰，避免系统芯片受到脉冲损害。

2.2 嵌入式数据采集器软件设计

在嵌入式数据采集器的软件设计中，CPU处理芯片是设计重点，本文采用Bootloader启动代码进行设计。在CPU应用程序中编写main函数，保证芯片在正常运行环境下高效运转。

为保证嵌入式数据采集器运行的可靠性，要根据需求灵活配置数据，设置15 min扫描读取一次数据点，完成数据的主动上传。在数据上传后，将数据存储到数据库中，进入到自检应用程序。除此之外，系统还利用RT-Thread空闲线程检查系统运行状况，及时识别和修复系统，保证系统运行的可靠性。

在网络环境下，嵌入式数据采集器的软件要对无线延拓静较正频率进行计算，设f(x)为舰船当前位置函数，求解方法为拉格朗日插值函数，建立起二维波动方程：

$ \frac{\sigma^{2} u}{\sigma x^{2}}+\frac{\sigma^{2} u}{\sigma z^{2}}=\frac{1}{v^{2}} \frac{\sigma^{2} u}{\sigma t^{2}} \text{，} $

式中：x，z为二维坐标；u为波场；v为舰船行驶速度，根据公式将其转换为：

$ \left\{\begin{array}{c} x_{1}=x ,\\ z_{1}=z-f(x), \\ t_{1}=t。\end{array}\right. $

应用傅里叶变换，转换为频率波数据方程，用U表示波场函数，最终得到计算公式：

$ {U}\left({k}_{{x}}, {Z}, \omega\right)={K}\left({k}_{{x}}, \omega\right) {Z}\left({z}_{1}, \omega\right) \text{。} $

在系统软件运行中，可以根据舰艇移动起伏函数转换为波场函数，准确选择基准面，以提高数据采集的准确性。

3 嵌入式数据采集器性能测试

嵌入式数据采集器实施性能测试，测试硬件选用工控机，软件为C#语言，网络设置为无线路由器、服务端和协议转换器。其中，无线路由器设置加密口令，通过网络连通性检查，测试过程中将采集到的数据存储到数据库中。当产生发往本机的数据后，采用缓存的方式暂存到IP数据包中，完成无线传输协议。性能测试环境要同时考虑10个协议转换器的运行需求，设定多个数据发送端，以检测嵌入式数据采集器的数据收集效果。

3.1 响应时间测试

测试条件为同时启动协议转换器，每15 s发送一个节点数据，然后逐一减少节点发送，判断数据采集器的运行效果。分别采样10 min、30 min后的嵌入式数据采集器系统的响应时间变化图如图4所示。从性能测试结果来看，系统响应时间开始随着节点的增加而缓慢增加，系统响应时间和网络吞吐量达到最大值后呈递减趋势，整体平均响应时长为3.7 s，当全部节点并发时的响应时间为4.5 s，由此表明本文设计的嵌入式数据采集器具备快速响应能力和较强的信息处理能力。

3.2 CPU使用率测试

2种状态的嵌入式数据采集器的网络吞吐量与CPU使用率关系图如图5所示。根据图中显示，系统平均网络吞吐率为5 MByle，能够完全适应宽带网络运行需求，使系统维持在较低的CPU使用率，表明系统具备良好的可扩展性。

3.3 采集准确度测试

在性能试验中，对嵌入式数据采集器设置信号干扰，干扰强度范围为0～600 Hz，将本文设计的系统与传统的数据采集系统进行对比，数据采集精确度与信号干扰强度关系图如图6所示。可以看出，嵌入式数据采集器在信号干扰下的采集精确度明显高于传统采集分析系统，更加适用于舰艇光电侦察系统运行。

4 结　语

舰艇光电侦察系统在运行过程中会受到多种信号干扰，影响数据采集能力，降低数据可靠性。为解决这一问题，应基于嵌入式计算机系统设计数据采集器，提高采集器硬件配置技术水平，满足多种数据接口需求，并配置高性能CPU，借助以太网完成数据高效率传输，有效抑制信号干扰，进而保证舰艇光电侦察数据获取的可靠性。