可擴展地面無人平臺綜合處理模塊硬件設計

劉舒陽，韓相博，謝時根

(1.北京華科海訊科技有限公司，北京 100012；2.中國北方車輛研究所，北京 100072)

地面無人平臺通常稱為無人地面車輛，可以自主感知周圍環境，并根據感知的信息，在工作人員不進入現場的情況下，半自主或自主地做出判斷和規劃，完成勘探、隱秘偵察、運輸物資等任務，這使得地面無人平臺在軍事、災害救援、物流等領域得到廣泛應用。地面無人平臺系統復雜，其體系架構及信息處理一直是科研人員研究的重點。作為地面無人平臺信息匯集及行為決策的綜合處理模塊，其硬件設計與地面無人平臺的架構設計及自主決策能力緊密相關。

地面無人平臺架構研究開始于20世紀60年代，起初的單體架構[1]主要分為分層遞階式、反應式和混合式。隨著地面無人平臺的廣泛應用，多個地面無人平臺協作成為趨勢，地面無人平臺體系架構向著模塊化、標準化、分布式、可互操作的方向發展，使得地面無人平臺的設計更加清晰，但不同地面無人平臺間模塊的復用性、可擴展性還有待提高。

地面無人平臺綜合處理模塊作為地面無人平臺的信息處理中心，匯集來自多個信息源的信息，只有對這些信息進行恰當的融合處理，地面無人平臺才能準確地感知周圍環境、識別目標，做出正確決策。多源信息融合處理技術開始于20世紀70年代，廣泛應用于環境識別、工業監測、交通運輸、戰略防御、物聯網等領域。Brzykcy[2]于2008年提出了基于XML數據的語義融合模型；王加等[3]研究了基于D-S證據推理的多傳感器信息融合技術，并將其應用在戰場目標識別中，這種推理認為所收到的信息都是證據，從而建立模型進行識別；銀奕淇等[4]建立了基于腦認知的物聯網信息融合模型，對智能化物聯網具有一定參考價值。

根據地面無人平臺模塊化、標準化、分布式體系架構的思想，設計可擴展地面無人平臺綜合處理模塊，實現對整車自身狀態監測、環境識別，從而向整車發出控制指令?？蓴U展地面無人平臺綜合處理模塊硬件設計主要考慮了4方面因素：可擴展、體積小、重量輕和功耗低?？蓴U展地面無人平臺綜合處理模塊由兩個子板組成，分別是計算機主機板和信號采集板。其中計算機主機板具有自主工作能力，可實現信息處理及指令發布，并設計了大量可擴展接口，這些可擴展接口根據實際應用設計為串口、CAN總線接口等。信號采集板是一塊實現接口擴展的子板，其本身不具有獨立工作能力，需配合計算機主機板使用。這種采用子板互連的方式，使計算機主機板可以復用于多種地面無人平臺，用戶只需根據實際應用更換擴展板。同時在硬件設計上減少芯片數量，選用了資源較豐富的FPGA芯片。串口和CAN總線接口的擴展基于FPGA實現，擴展更方便靈活。

可擴展地面無人平臺綜合處理模塊接收多源傳感器信息，通過對這些信息進行處理，完成從感知到決策的類人腦活動。多源信息融合處理適用于此過程，可以基于FPGA完成對多源信息的融合處理，由于FPGA邏輯編程具有時序性和并行性，可提高地面無人平臺決策效率。為此，通過查閱資料，提出了一種可基于FPGA實現的多源信息融合處理理論模型。

通過對可擴展地面無人平臺綜合處理模塊的硬件設計及其多源信息融合處理理論模型的研究，希望其可以在多種地面無人平臺中復用，為地面無人平臺的整體設計和高效決策提供有力幫助。

1 綜合處理計算機模塊設計

可移動地面無人平臺正向著小型輕體、可全方位自主感知信息的方向發展[5]。綜合處理計算機模塊作為其信號采集與處理的功能模塊，要具有多種多路信號采集及通信接口，可調度整車所有CAN總線控制信息，包括行車控制、配電控制、制動控制和能源管理等，并通過以太網交換機接收各傳感器信息，如激光雷達信息、慣導信息和全球定位信息等。為此，將綜合處理計算機模塊分為計算機主機板和信號采集板，采用扣板、載板的連接方式，減少平面空間占用面積。計算機主機板主要完成信息融合處理、解算及控制，從而實現車輛半自主與自主行駛。信號采集板主要完成各接口物理隔離擴展及信號采集。本文首先介紹了綜合處理計算機模塊的硬件電路設計，在理論上提出了一種基于FPGA的多源信息融合處理模型，接著詳述了基于FPGA實現CAN總線擴展及PowerPC處理器對擴展CAN控制器的控制。

1.1 計算機主機板的設計

計算機主機板板載1個PowerPC處理器和1個Xilinx Kintex-7系列FPGA芯片，其通過堆疊連接器與信號采集板連接。PowerPC處理器可外掛8 GB內存，可以滿足綜合處理數據存儲需求。在計算機主機板上有100路可擴展信號連接到信號采集板，基于Kintex-7系列FPGA實現串口控制器和CAN控制器擴展，PowerPC主處理器通過這些擴展控制器實現與本板和信號采集板上隔離串口收發器及隔離CAN收發器通信。PowerPC處理器帶有3路以太網，其中1路以太網通過堆疊連接器與信號采集板上的以太網交換機相連，可以實現信號采集板的多路以太網與計算機主機板通信。計算機主機板通過采集AD信號實時監測整車供電狀態，通過板載溫度傳感器實時監測模塊溫度。

計算機主機板的總體設計框圖如圖1所示。

圖1 計算機主機板總體設計框圖

1.2 信號采集板的設計

信號采集板主要實現通信接口擴展及信號采集。信號采集板具有以太網接口、串口及CAN總線接口等通信接口，同時還具有AD信號采集、繼電器驅動等接口。信號采集板的總體設計框圖如圖2所示。

圖2 信號采集板總體設計框圖

1.3 多源信息融合處理理論模型研究

多源信息融合處理是對多源信息進行多層次、多級別的綜合處理，從而得到準確有用信息的一種技術?？蓴U展地面無人平臺綜合處理模塊需接受多源傳感器信息，并根據這些信息感知自身狀態和周圍環境，從而半自主或自主做出決策。多源信息融合處理涉及到多方面的理論[3]，如不確定性理論、模式識別、信號處理、人工智能、神經網絡、最優化理論等。

可擴展地面無人平臺綜合處理模塊根據多源信息進行決策的過程可以參考人類感知并做出決策的過程[6]。首先地面無人平臺通過各種傳感器獲得自身和周圍環境信息并傳輸給綜合處理模塊，然后綜合處理模塊經過信息融合和機器學習，明確當前所處的環境和面對的對象，最后根據一定的規則作出決策。

可擴展地面無人平臺綜合處理模塊對多源信息的融合處理是地面無人平臺對環境認知和決策判斷的重要依據。FPGA邏輯編程可按照時序對數據進行并行處理，相比于PowerPC處理器，其處理效率更高且更穩定。因此可以應用FPGA對數據進行預處理。但FPGA邏輯編程不易進行浮點運算。由于收到的數據大多是浮點型的，需要首先對數據進行歸一化處理。

參考人腦信息融合的過程，簡單設計了一種基于FPGA預處理的類人腦多源信息融合處理理論模型，如圖3所示。

圖3 基于FPGA多源信息融合處理理論模型示意圖

首先將接收到的不同傳感器的數據進行歸一化處理。由于收到的傳感器數據存在噪聲，因此通過數據自身特點分別進行聚類，剔除冗余數據。然后在第一層數據融合中，按照傳感器種類對同類傳感器數據進行融合，例如：溫度、方位、姿態、雷達等。在這個模塊中，不同類的傳感器數據可以并行進行。之后FPGA將預處理得到的數據發送給PowerPC處理器。PowerPC處理器應用其計算性能優勢，在第二層數據融合中，將不同類但與決策相關的傳感器數據進行融合，并對融合結果進行判斷，最后發布指令。例如將方位和姿態傳感器數據進行融合后可以完成行車控制。

2 FPGA實現CAN總線擴展

計算機主機板上的Kintex-7 FPGA要實現PowerPC處理器與隔離CAN收發器的通信，可應用Xilinx Kintex-7系列FPGA的CAN控制器IP(Intellectual Property)核。此CAN控制器IP核的用戶接口是AXI-Lite接口[7]，AXI-Lite接口分為5種類型：寫地址、寫數據、寫響應、讀地址和讀數據，其中讀數據接口中包含讀響應信號。要實現PowerPC處理器與隔離CAN收發器通信，即將PowerPC處理器數據和地址總線轉換成AXI-Lite接口傳給CAN控制器IP核，繼而控制隔離CAN收發器。本文采用兩個模塊逐步實現轉換，包括PowerPC數據拼接及讀/寫傳輸模塊和讀/寫數據與AXI-Lite接口轉接模塊。其中PowerPC數據拼接及讀/寫傳輸模塊主要將PowerPC處理器16 bit位寬數據按地址正確拼接成32 bit位寬數據，并根據PowerPC處理器讀使能信號oeb或寫使能信號wen完成PowerPC處理器讀取隔離CAN收發器接收的數據或者將數據發送給隔離CAN收發器。讀/寫數據與AXI-Lite接口轉接模塊實現PowerPC處理器讀/寫功能與AXI-Lite接口的CAN控制器讀寫功能的轉接。Kintex-7系列FPGA實現PowerPC主處理器與隔離CAN收發器通信的模塊設計及數據流框圖如圖4所示。

圖4 PowerPC處理器與隔離CAN收發器通信的模塊設計框圖

2.1 PowerPC數據拼接及讀/寫傳輸模塊

PowerPC處理器按照字節讀寫數據[8]，在本設計中，PowerPC處理器一次性可讀寫16 bit位寬數據，即PowerPC處理器按照偶地址讀寫數據。Kintex-7系列FPGA的CAN控制器IP核用戶接口是AXI-Lite接口，AXI-Lite接口數據/地址位寬是32 bit，因此首先要把PowerPC處理器16 bit位寬數據拼成適用于AXI-Lite接口的32 bit位寬數據。將PowerPC處理器兩個16 bit位寬數據拼成一個32 bit位寬數據，這兩個16 bit位寬數據的讀/寫地址必須相差2，而且每個16 bit數據的開始地址都為偶地址。當PowerPC處理器向CAN控制器寫數據的時候，要保證連續2個16 bit數據正確拼接后才能產生寫使能信號write_enable，當PowerPC處理器讀取CAN控制器數據的時候，在較小的偶地址時從CAN控制器讀取32 bit數據，然后根據PowerPC的讀使能信號oeb，每次讀取16bit數據。PowerPC處理器實現讀/寫數據傳輸的狀態機如圖5所示。

圖5 PowerPC處理器傳輸讀/寫數據狀態機

其中，在PPC_WAIT狀態時，狀態機等待CAN控制器的片選信號CAN_Bus2IP_CS，當CAN_Bus2IP_CS信號有效，狀態機進入PPC_WAIT_WR狀態，此時如果PowerPC處理器的讀使能信號有效，則狀態機進入PPC_READ_ENABLE狀態，如果PowerPC處理器的寫使能有效，則進入PPC_WRITE_ENABLE狀態。在PPC_READ_ENABLE狀態和PPC_WRITE_ENABLE狀態，FPGA會根據上述的數據拼接方式，將PowerPC處理器的16 bit數據拼成AXI-Lite接口的32 bit位寬數據，并產生可讀或可寫信號，從而觸發狀態機進入PPC_WAIT_FINISH狀態，等待讀結束或者寫結束，當讀或者寫結束，狀態機進入PPC_WAIT狀態。至此完成一次PowerPC對某個CAN控制器的讀/寫操作。

2.2 讀/寫數據與AXI-Lite接口轉接模塊

在PowerPC數據拼接及讀/寫傳輸模塊中已產生的32 bit的讀/寫數據，要按照AXI-Lite接口的信號類型及時序發送給CAN控制器IP核，才能實現PowerPC處理器與隔離CAN收發器的通信。AXI-Lite接口是AXI接口的簡化接口，包括5種類型：寫地址、寫數據、寫響應、讀地址和讀數據。這5種接口各自分別包含Valid信號、Ready信號及相應的數據、地址或響應信號。對于AXI-Lite接口的寫操作來說包括：寫地址、寫數據和寫響應。寫地址和寫數據在時序上沒有先后順序，可以隨時發生，但寫響應只能在寫數據和寫地址完成之后生成[9]。由此設計了AXI-Lite接口的寫操作狀態機，如圖6所示。

圖6 AXI-Lite接口寫操作狀態機

對于AXI-Lite接口的讀操作包括讀地址和讀數據，讀響應在讀數據完成后產生。與AXI-Lite接口的寫操作不同，讀操作首先要讀取地址，然后再讀取數據，當讀地址和讀數據都完成后才能收到讀響應[9]。AXI-Lite接口的讀操作也采用狀態機控制。

2.3 N個CAN控制器的擴展

CAN總線協議支持多節點多主的工作方式，理論上節點數可達110個[10]。對CAN總線的擴展，可以提高地面無人平臺控制外部設備的能力。處理器芯片一般自身會帶有CAN控制器，但數量有限，不能滿足多外設大數據傳輸的要求。使用FPGA實現PowerPC處理器與隔離CAN收發器通信，可以根據FPGA的資源和實際需求實現多節點CAN控制器擴展，方便快捷。如圖4所示，本文在一個CAN控制器接口模塊中例化了PowerPC數據拼接及讀/寫傳輸模塊、讀/寫數據與AXI-Lite接口信號轉接模塊及CAN控制器IP核，要實現N(N>1)個CAN控制器擴展時，只需要例化N個CAN控制器接口模塊，通過處理器本地總線的片選信號、中斷信號來分發和接收數據，具有較強的可擴展性。

3 性能分析

本文對可擴展地面無人平臺綜合處理模塊接口進行了全面測試，包括擴展串口、擴展CAN總線接口、AD輸入電壓監測、繼電器驅動、GPIO信號和以太網通信。各種接口通信正常，其中PowerPC處理器與基于FPGA實現的擴展串口和擴展CAN總線接口通信測試較復雜，本文詳述了擴展CAN總線測試，對擴展串口的測試與此類似。

3.1 擴展CAN總線測試

本文對綜合處理模塊中PowerPC處理器與擴展CAN收發器的通信進行了測試。測試中使用USB-CAN調試器，此調試器的調試軟件Ginkgo USB-CAN Classic可以實時監測CAN收發數據及狀態。表1為PowerPC處理器與1個隔離CAN收發器通信時，用USB-CAN調試器監測到的實驗結果，表2為PowerPC處理器端顯示的收發數據，CAN總線初始化速率為1 Mbit/s。

表1中顯示收發數據傳輸狀態為“成功”。表1中監測到的發送數據與表2中監測到的接收數據相同，表1中監測到的接收數據與表2中監測到的發送數據相同，說明PowerPC處理器與隔離CAN收發器通信正常。

表1 USB-CAN調試器監測數據表

表2 PowerPC處理器監測數據表

圖7和圖8為使用Vivado編譯器中的Hardware manager功能觸發得到的某次PowerPC處理器讀/寫時的地址、數據時序圖。

圖7 Vivado Hardware Manager監測某次PowerPC處理器讀數據時序圖

圖8 Vivado Hardware Manager監測某次PowerPC處理器寫數據時序圖

圖7中S_AXI_AR*信號為讀地址信號，S_AXI_R*為讀數據信號，S_AXI_RRESP為讀響應。當S_AXI_ARREADY和S_AXI_ARVALID同時有效即兩者值都為“1”時，S_AXI_ARADDR值是此時PowerPC處理器要讀的地址。當S_AXI_RREADY和S_AXI_RVALID同時有效即兩者值都為“1”時，S_AXI_RDATA值為PowerPC處理器讀到的數據，此時S_AXI_RRESP讀響應信號的值說明讀響應的狀態，其值為“0”，說明讀操作正常完成。

圖8中S_AXI_AW*信號為寫地址信號，S_AXI_W*為寫數據信號，S_AXI_B*為寫響應。當S_AXI_AWREADY和S_AXI_AWVALID同時有效即兩者值都為“1”時，S_AXI_AWADDR值是此時PowerPC處理器要寫的地址。當S_AXI_WREADY和S_AXI_WVALID同時有效即兩者值都為“1”時，S_AXI_WDATA值為PowerPC處理器發送給隔離CAN收發器的數據。測試中PowerPC處理器給隔離CAN收發器發送的是隨機數據，時序圖中S_AXI_WDATA顯示的數值為PowerPC處理器第一次發送的數據，其值與表1中第一次接收到的數據以及表2中第一次發送的數據一致。

在2.1節中，PowerPC讀/寫數據拼接要按照拼接數據地址相差2且都為偶地址的原則，圖7和圖8時序圖中addr_lsb_flag代表某次拼接地址中較小地址有效，addr_msb_flag代表這次拼接地址中較大地址有效，we_addr_exact_flag代表這次地址拼接有效。由圖7可以看出，當addr_lsb_flag有效時，PowerPC處理器完成一次讀CAN控制器，得到32 bit位寬數據，當addr_msb_flag有效時，PowerPC處理器不會再讀一次CAN控制器，而是讀取當前32 bit中的未讀取的16 bit數據，同時we_addr_exact_flag有效，PowerPC完成一次對CAN控制器的讀操作。由圖8可以看出，當addr_lsb_flag和addr_msb_flag有效，并且we_addr_exact_flag有效時，PowerPC完成一次對CAN控制器的寫操作。

3.2 綜合處理計算機模塊基本性能

可擴展地面無人平臺綜合處理模塊具有12路串口，10路CAN總線接口以及12路以太網，每個接口都對應一個獨立的接口芯片，這就導致綜合處理模塊全負載時功耗較大。PowerPC處理器的主頻最高可達1 GHz，但綜合處理模塊不需要這樣高的速率，適當降低處理器主頻有助于降低整體功耗。根據實際需要將PowerPC處理器主頻降到600 MHz，內存設計為1 GB。其中以太網的功耗最大，本文將綜合處理模塊的12路以太網分別連接一個自研的計算機終端，自研的計算機終端可使用相應的以太網測試軟件，進行每次傳輸50 MB數據的長時間循環測試，大約在1 h之后綜合處理模塊溫度穩定在60 ℃左右，功耗在40 W左右。

可擴展地面無人平臺綜合處理模塊以PowerPC處理器為主處理器，相比于原有系統以單片機或者數字信號處理芯片為主處理器，此模塊在數據運算、功能開發、系統更新方面具有明顯優勢。

4 結束語

本文設計了一種以PowerPC為主處理器，FPGA為協處理器的可擴展地面無人平臺綜合處理模塊。此模塊的設計對多種地面無人平臺間綜合處理模塊的復用、擴展以及綜合處理模塊進行多源信息融合處理方法的研究具有一定的借鑒作用。對綜合處理模塊的多種接口進行了全面測試，保證各接口通信正常，其中詳細描述了PowerPC處理器與擴展CAN總線接口的通信過程。不足之處是僅介紹了測試階段綜合處理模塊功耗、頻率等基本性能，實際應用中此模塊性能還需要進一步實驗，對多源信息融合處理理論模型中第一層和第二層融合的方法也需要進行更深入的研究。