隨著現(xiàn)代和未來(lái)的平臺(tái)越來(lái)越依賴電子設(shè)備進(jìn)行控制、武器管理和傳感器數(shù)據(jù)集成，這些平臺(tái)中使用的傳感器和控制點(diǎn)的數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。與這種擴(kuò)展相吻合的是，處理此傳感器數(shù)據(jù)的要求顯著增加，而不動(dòng)產(chǎn)節(jié)省需求和冗余要求增加。

然而，如果謹(jǐn)慎實(shí)施，智能分布式I/O板和傳感器接口單元（SIU）可以滿足這些相互沖突的要求。

現(xiàn)代軍事平臺(tái)越來(lái)越依賴電子設(shè)備進(jìn)行操作。正如飛機(jī)已經(jīng)過(guò)渡到電傳操縱系統(tǒng)一樣，地面車輛也正在過(guò)渡到電傳操縱系統(tǒng)。同時(shí)，更多的傳感器被整合到海上，空中和地面車輛中，這些傳感器用于檢測(cè)從進(jìn)射射彈到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的所有內(nèi)容。與此同時(shí)，越來(lái)越多的電子控制致動(dòng)器影響基于傳感器數(shù)據(jù)的響應(yīng)。這些傳感器和執(zhí)行器中的每一個(gè)都必須連接到某種類型的I / O點(diǎn)，以收集用于處理的數(shù)據(jù)。例如，考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的線控轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)。操作員（駕駛員）向右轉(zhuǎn)，需要輸入測(cè)量。然后使用控制點(diǎn)激活正確的致動(dòng)器以改變垂直軸周圍的車輪位置。

所以問(wèn)題是：我們?nèi)绾卧诓辉黾映叽缁蛑亓康那闆r下管理所有這些傳感器增加的電子內(nèi)容，然后處理這種指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)？與往常一樣，使用更多的電子設(shè)備意味著更高的處理要求和更多的互連，這引發(fā)了更多的問(wèn)題。這個(gè)悖論的答案在于現(xiàn)代“智能”分布式I/O板和傳感器接口單元（SIU），它們可以滿足以下需求：

高水平的模擬集成

在現(xiàn)代帶寬限制內(nèi)進(jìn)行精密處理

滿足日益嚴(yán)格的房地產(chǎn)需求

簡(jiǎn)化 I/O 數(shù)據(jù)和處理分發(fā)

任務(wù)關(guān)鍵型冗余

高模擬集成度：“智能”I/O 幫助

為了適應(yīng)這種傳感器引起的對(duì)電子設(shè)備日益增長(zhǎng)的需求，使用高水平的模擬集成被證明是一種可行的補(bǔ)救措施：今天可以在單個(gè)PCB上放置的I/ O點(diǎn)的數(shù)量是最近的兩到三倍。“智能”I/O板通過(guò)執(zhí)行以前由輔助模擬電路以數(shù)字方式執(zhí)行的許多功能（如校準(zhǔn)、濾波和BIT），幫助提高模擬密度。雖然肯定沒(méi)有以與數(shù)字電子集成相同的速度進(jìn)行，但模擬集成正在沿著快速的斜坡前進(jìn)。五年前，單個(gè)PCB上的32個(gè)A / D或D / As被認(rèn)為是高密度的，而今天60個(gè)或更多是司空見(jiàn)慣的。事實(shí)上，現(xiàn)在的情況是，可以放置在PCB上的模擬功能的數(shù)量更多地受到連接器上I / O引腳數(shù)量的限制，而不是可以安裝在給定PCB空間中的電子設(shè)備的密度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，制造商正在從虛擬機(jī)或緊湊型必維網(wǎng)轉(zhuǎn)向 VPX （VITA 46）。VPX 的 I/O 大約是 VME 的兩倍。

“智能”I/O 板：精密處理

目前提供的I/O板是“智能的”。這些板不僅執(zhí)行 A/D、D/A 或簡(jiǎn)單的 I/O 功能，而且還提供復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理級(jí)別。例如，簡(jiǎn)單的I/O板具有A / D轉(zhuǎn)換器，可以以每秒數(shù)千到數(shù)百萬(wàn)個(gè)樣本的速率對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后將該數(shù)據(jù)發(fā)送到任務(wù)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。現(xiàn)代軍艦、潛艇、飛機(jī)，甚至地面車輛都可以有數(shù)千個(gè)點(diǎn)可供采樣。例如，想想現(xiàn)代潛艇上需要數(shù)千個(gè)振動(dòng)傳感器來(lái)確保完全隱身。

此外，為了在不斷上升的帶寬上獲得更多信息，采樣率從幾千Hz增加到100 KHz以上，位深度從12位增加到16和24。這些數(shù)據(jù)速率很容易使最強(qiáng)大的處理器不堪重負(fù)，特別是當(dāng)需要執(zhí)行FFT和FIR濾波等復(fù)雜算法時(shí)。借助板載 FPGA 和 DSP，I/O 板制造商可以輕松提供預(yù)處理以減輕主處理器的負(fù)載。由于這些組件是高度可編程的，因此這些COTS板的硬件保持不變。但是，提供的功能是高度可配置的。

滿足不斷縮小的房地產(chǎn)需求

“智能”I/O板提供了另一個(gè)重要特性，可最大限度地減少系統(tǒng)尺寸和功耗：能夠在一個(gè)PCB上執(zhí)行多種功能。過(guò)去，許多電路板都提供 32 或 64 個(gè) A/D 或 D/As 或 28 V 分立器件，以及用于不同類型的通信功能（MIL-STD-1553、串行、ARINC 429、CANbus 等）和處理（SBC）的單獨(dú)電路板。然而，今天的許多系統(tǒng)需要較少數(shù)量的不同類型的I/O和通信。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，制造商已經(jīng)創(chuàng)建了多功能虛擬機(jī)、緊湊型PCI和VPX板。這些板允許系統(tǒng)集成商從大量可用功能中進(jìn)行選擇，并在一個(gè)PCB上集成許多功能的較小通道數(shù)。這是通過(guò)基板FPGA和DSP在最終組裝時(shí)進(jìn)行編程以執(zhí)行幾乎任何任務(wù)的能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，單個(gè)電路板可以包含 A/D、D/A、RTD、MIL-STD-1553 和 ARINC 429，僅舉幾例。

節(jié)省空間的另一種可能性是使用多功能 I/O 板，該板包含基于 PowerPC 或英特爾的 SBC 支持，并且能夠提供大型功能組合。一塊板可以取代多達(dá)六塊專用板。同樣重要的是，諸如此類的多功能板可以基于COTS。

I/O 數(shù)據(jù)分發(fā)和處理

I/ O數(shù)據(jù)分發(fā)和處理的概念非常強(qiáng)大，可以同時(shí)解決許多問(wèn)題，例如減少電纜重量和任務(wù)計(jì)算機(jī)處理要求。圖1所示的傳感器接口單元（SIU）通常是某種堅(jiān)固耐用的獨(dú)立設(shè)計(jì)，包括可配置的I/O，并提供與任務(wù)處理器的通信。這種方法允許系統(tǒng)集成商將I/O點(diǎn)放置在非常靠近實(shí)際傳感器的位置，預(yù)處理數(shù)據(jù)，然后將減少的數(shù)據(jù)發(fā)送回任務(wù)計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在，少量電纜（通常只是電線或光纖 GbE）需要從 SIU 運(yùn)行回主處理器。可以使用一個(gè)或多個(gè)包含執(zhí)行此任務(wù)所需的所有 I/O 功能的遠(yuǎn)程 SIU 以及 SBC 功能。SIU可以放置在傳感器和執(zhí)行器的幾英尺范圍內(nèi)（對(duì)于具有單個(gè)機(jī)箱的系統(tǒng)，則為數(shù)百甚至數(shù)千英尺），以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行實(shí)際功能所需的控制處理。

這種情況具有顯著的減重優(yōu)勢(shì)：100 對(duì) 50 英尺長(zhǎng)的絞合/屏蔽對(duì)與相同長(zhǎng)度的雙 GbE 電線或光纖連接之間的重量差異是巨大的 - 大于 10 比 1 的減少。較短的電纜長(zhǎng)度還可以降低噪聲拾取、導(dǎo)線損耗和接地環(huán)路電位，并且在許多情況下會(huì)降低EMI。這在飛機(jī)上可能是最有利的，因?yàn)閿?shù)百根電線現(xiàn)在只需要行駛幾英尺，而100英尺或更遠(yuǎn)，或者在數(shù)百英尺長(zhǎng)的船只和潛艇上。例如，由于此類 SIU 可能使用標(biāo)準(zhǔn) 28 VDC 或單相/三相 115 VAC，因此到 SIU 的電源布線也很短，因?yàn)榇藰?biāo)準(zhǔn)電源通常在整個(gè)平臺(tái)上的許多點(diǎn)上都可用。

冗余是一件好事

冗余是SIU方法擅長(zhǎng)的另一個(gè)領(lǐng)域。以前，冗余系統(tǒng)需要復(fù)制整個(gè)設(shè)備機(jī)架，問(wèn)題是哪個(gè)硬件和軟件決定哪個(gè)機(jī)架在控制，以及哪個(gè)處理器。通常，如果一個(gè)機(jī)架中出現(xiàn)任何故障，則需要關(guān)閉整個(gè)機(jī)架，然后接管備份。但是，分布式 SIU 可以提供固有的“軟故障”屬性。由于每個(gè) SIU 控制所有平臺(tái)功能的子集，因此如果 SIU 出現(xiàn)故障，則只需將該子集切換到備份硬件。此外，每個(gè) SIU 可能有多個(gè) GbE 或其他通信通道，因此每個(gè)通道始終連接到主任務(wù)計(jì)算機(jī)和冗余任務(wù)計(jì)算機(jī)。主任務(wù)計(jì)算機(jī)可以保持對(duì)系統(tǒng)的控制，盡管有各種硬件故障。圖 2 顯示了使用此方法的概念性冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖 2：使用 SIU 和冗余任務(wù)處理器的“故障軟件”系統(tǒng)

北大西洋工業(yè)公司（North Atlantic Industries）的制造商提供一款支持多達(dá) 300 個(gè) I/O 點(diǎn)的 SIU（可配置為許多不同的 I/O 功能），提供相當(dāng)于 SBC 的 SBC 來(lái)處理數(shù)據(jù)，并通過(guò)多種通信接口（包括 GbE、MIL-STD-1553、ARINC 429 和 CANbus）與主任務(wù)處理器進(jìn)行通信，僅舉幾例。

審核編輯：郭婷