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

然而，如果謹慎實施，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)代軍事平臺越來越依賴電子設(shè)備進行操作。正如飛機已經(jīng)過渡到電傳操縱系統(tǒng)一樣，地面車輛也正在過渡到電傳操縱系統(tǒng)。同時，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從進射射彈到發(fā)動機振動的所有內(nèi)容。與此同時，越來越多的電子控制致動器影響基于傳感器數(shù)據(jù)的響應(yīng)。這些傳感器和執(zhí)行器中的每一個都必須連接到某種類型的I / O點，以收集用于處理的數(shù)據(jù)。例如，考慮一個簡單的線控轉(zhuǎn)向設(shè)計。操作員（駕駛員）向右轉(zhuǎn)，需要輸入測量。然后使用控制點激活正確的致動器以改變垂直軸周圍的車輪位置。

所以問題是：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)級增長的數(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)了更多的問題。這個悖論的答案在于現(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)進行精密處理

滿足日益嚴格的房地產(chǎn)需求

簡化 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電子設(shè)備日益增長的需求，使用高水平的模擬集成被證明是一種可行的補救措施：今天可以在單個PCB上放置的I/ O點的數(shù)量是最近的兩到三倍?！爸悄堋盜/O板通過執(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、濾波和BIT），幫助提高模擬密度。雖然肯定沒有以與數(shù)字電子集成相同的速度進行，但模擬集成正在沿著快速的斜坡前進。五年前，單個PCB上的32個A / D或D / As被認為是高密度的，而今天60個或更多是司空見慣的。事實上，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。為了解決這個問題，制造商正在從虛擬機或緊湊型必維網(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 或簡單的 I/O 功能，而且還提供復雜的數(shù)據(jù)處理級別。例如，簡單的I/O板具有A / D轉(zhuǎn)換器，可以以每秒數(shù)千到數(shù)百萬個樣本的速率對輸入數(shù)據(jù)進行采樣，然后將該數(shù)據(jù)發(fā)送到任務(wù)計算機進行處理。現(xiàn)代軍艦、潛艇、飛機，甚至地面車輛都可以有數(shù)千個點可供采樣。例如，想想現(xiàn)代潛艇上需要數(shù)千個振動傳感器來確保完全隱身。

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)速率很容易使最強大的處理器不堪重負，特別是當需要執(zhí)行FFT和FIR濾波等復雜算法時。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PCB上執(zhí)行多種功能。過去，許多電路板都提供 32 或 64 個 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。

為了解決這個問題，制造商已經(jīng)創(chuàng)建了多功能虛擬機、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行選擇，并在一個PCB上集成許多功能的較小通道數(shù)。這是通過基板FPGA和DSP在最終組裝時進行編程以執(zhí)行幾乎任何任務(wù)的能力來實現(xiàn)的。例如，單個電路板可以包含 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大，可以同時解決許多問題，例如減少電纜重量和任務(wù)計算機處理要求。圖1所示的傳感器接口單元（SIU）通常是某種堅固耐用的獨立設(shè)計，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點放置在非常靠近實際傳感器的位置，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)計算機。

現(xiàn)在，少量電纜（通常只是電線或光纖 GbE）需要從 SIU 運行回主處理器?？梢允褂靡粋€或多個包含執(zhí)行此任務(wù)所需的所有 I/O 功能的遠程 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)（對于具有單個機箱的系統(tǒng)，則為數(shù)百甚至數(shù)千英尺），以實現(xiàn)執(zhí)行實際功能所需的控制處理。

這種情況具有顯著的減重優(yōu)勢：100 對 50 英尺長的絞合/屏蔽對與相同長度的雙 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。較短的電纜長度還可以降低噪聲拾取、導線損耗和接地環(huán)路電位，并且在許多情況下會降低EMI。這在飛機上可能是最有利的，因為數(shù)百根電線現(xiàn)在只需要行駛幾英尺，而100英尺或更遠，或者在數(shù)百英尺長的船只和潛艇上。例如，由于此類 SIU 可能使用標準 28 VDC 或單相/三相 115 VAC，因此到 SIU 的電源布線也很短，因為此標準電源通常在整個平臺上的許多點上都可用。

冗余是一件好事

冗余是SIU方法擅長的另一個領(lǐng)域。以前，冗余系統(tǒng)需要復制整個設(shè)備機架，問題是哪個硬件和軟件決定哪個機架在控制，以及哪個處理器。通常，如果一個機架中出現(xiàn)任何故障，則需要關(guān)閉整個機架，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 SIU 控制所有平臺功能的子集，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 SIU 可能有多個 GbE 或其他通信通道，因此每個通道始終連接到主任務(wù)計算機和冗余任務(wù)計算機。主任務(wù)計算機可以保持對系統(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。

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 300 個 I/O 點的 SIU（可配置為許多不同的 I/O 功能），提供相當于 SBC 的 SBC 來處理數(shù)據(jù)，并通過多種通信接口（包括 GbE、MIL-STD-1553、ARINC 429 和 CANbus）與主任務(wù)處理器進行通信，僅舉幾例。

審核編輯：郭婷