基于SCA架构的测量仪器方案
基于SCA架构的测量仪器方案
杨文举1 李小红2
(1.中国电子科技集团公司第五十研究所 上海 200331；
2.中国电子科技集团公司第三十二研究所 上海 201808)
摘 要 本文针对软件无线电（SDR）在测量仪器领域没有规范化实现，存在软硬件关联度高，仪器功能增加和扩展不便，以及升级换代耗时费力等问题，提出以软件通信体系结构（SCA）为架构的测量仪器方案，可有效解决相关问题，提高测量仪器的可重构性。并以数据链综合测试仪为例说明基于SCA架构测量仪器方案的实现。
关键词 测量仪器；SDR；SCA
中图分类号 TN06 文献标识码 A
Scheme of Measuring Instrument based on SCA Architecture
Yang WenJu1 Li XiaoHong 2
（1. Electronics Technology Group Corporation No.50 Research Institute,Shanghai,200331,China；
2. Electronics Technology Group Corporation No.32 Research Institute,Shanghai,201808,China）
Abstract based on the soft-defined radio (SDR) in the field of measuring instruments is not standardized, there are hardware and a high degree of correlation, instrument function by expanding and upgrading and inconvenient, time-consuming problem, put forward to the software communication architecture (SCA) for measuring instrument architecture, can effectively solve related problems, improve the measuring instrument reconfigurability. And taking the data link comprehensive test instrument as an example to illustrate the realization of the measurement instrument based on SCA.
Key words Measuring instrument; SDR；SCA
在测量仪器领域，软件无线电（SDR）已经广泛使用，即采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现各种测试功能。基于SDR 结构的测量仪器具有开放性和可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置结构，可实现新的仪器功能。另外，基于SDR 结构的测量仪器采用标准、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。总之采用SDR设计思想的测量仪器，能实现硬件平台通用化，仪器功能软件化，从而简化硬件设计复杂度，减小仪器体积，比较便于功能的扩展和升级。
虽然基于SDR的测量仪器有很大的优越性，但其实现方法在测量仪器领域中没有规范化和形成标准的体系结构，仅是广义的软件无线电，仍然存在仪器软硬件关联度高，功能增加和扩展不便，以及升级换代耗时费力等问题。但在通信领域，SDR实现已经规范化，形成标准的软件通信体系结构（SCA），SCA在美军联合战术无线电系统（JTRS）系列电台中被选为软件无线电标准，在国内，SCA也制定了相关标准，指导研制相关的通信设备。SCA是一套独立于具体设备、应用的系统设计的规则集，用来指导SDR的标准化实现。本文主要探讨SCA在测量领域中的实现，解决SDR在测量领域不规范实现所存在的问题。
1 SCA的发展现状
1.1 国外发展现状
对于SCA，世界各国都在进行深入的研究，美国在联合战术无线电系统（JTRS）中采用了SCA规范，目前已经形成了系列化产品。主要产品有通用动力C4系统公司的AN/PRC-155型小型手持便携式双通道网络电台，哈里斯公司的“猎鹰”III AN/PRC-117G多频带便携式无线电系统和AN/VRC-107车载无线电台，以及波音公司的机载、海上/固定站联合战术无线电系统（AMF JTRS）。
部分欧洲国家也参与了美军的JTRS计划，按照SCA规范研制产品，如英国的全综合通信系统（FICS），法/德的多模式多用途电台高级演示模型（MMR-ADM），芬兰的战术无线电通信系统（TRCS）。另外，芬兰、法国、意大利、西班牙、瑞典等五国联合发起了欧洲安全软件无线电参考（ESSOR）项目，该项目的目标是增强各欧洲国家的中期软件无线电项目与美军JTRS项目的互操作性，从战略层面上提高欧洲工业部门在软件无线电领域的设计和制造能力。
各标准组织（OMG：对象管理组织；IEEE：美国电气和电子工程师协会；OMA：开放式移动联盟）也都在推广SCA规范，希望通过修订后，能够适应各应用领域的需要，从而成为全球性的规范。
目前，国外基于SCA规范的产品通过多年的发展，产业链逐渐成熟，各自分工也逐步明确。比较知名的软件（CF（核心框架层）及IDE（集成开发环境））包括美国Harris（哈里森） 的dMTK，美国Prismtech公司的Spectra，Zeligsoft公司的Component Enabler，加拿大的SCARI++，以及美国维吉尼亚科技大学的OSSIE（OWD）开源实验平台。但这些软件产品当前的解决方案大都基于SCA V2.2.2规范，在软件体系可裁剪线性、装备易操作性上存在诸多不足，严重影响了SCA的装备化进程。
在JPEO、国际软件无线电组织、工业部门的共同推动下，2012年4月，JPEO发布了最新版的SCA V4.0规范。该规范为软件无线电设备中波形组件的部署、管理、互连互通提供了更为通用的框架，在DSP、FPGA等专用处理器的可移植性支持和API设计模式等方面都进行了改进，可以满足网络化、小型化、电池供电等无线通信设备使用特性，可应用于战术无线通信领域、个人移动通信领域等领域。新标准可以适应于大功率的多信道设备、单通道便携式设备小型化、低功耗设计需求。随着SCA新规范的逐步推广和应用以及符合SCA V4.0规范的轻量化核心框架产品的面世，针对SCA软件架构庞大，关键技术指标（如：功耗、体积、部署/启动时间、通信性能等）不能满足装备要求等技术难题有望逐步得到缓解和解决。
1.2 国内发展现状
在国内，SCA也主要应用在通信领域。从“十五”开始，以某所为代表的国内众多科研院所都投入了大量精力对该领域进行跟踪和研究，目前已经完成了GJB5082《战术无线通信系统软件通信体系结构》、GJB7036《软件通信体系结构操作系统接口》、GJB7094《软件通信体系结构波形装配与部署要求》、GJB7095《软件通信体系结构硬件抽象层应用程序接口》、GJB7037《软件通信体系结构波形应用程序接口》、GJB7093《软件通信体系结构中间件接口》等国家军用标准体系。涉及到硬件平台、软件平台、波形设计、安全保密、测试等方面的标准，有效指导了SCA研究、验证和产品研制工作，极大地推动了新技术发展和推广应用。随着SCA标准体系的逐步完善，一方面开创了“标准先行”的标准化发展道路，另一方面对“研制标准”的理念进行了成功尝试，走出了技术标准系统工程的标准制定模式，将标准的研究、验证和制定完美地融为一体。另外，国内其他军兵种也都始终在关注国内SCA标准体系的发展情况，部分通信设备已经开始参照标准进行研制。
从SCA国内外现状分析，SCA主要应用在通信领域，在测量领域没有相关标准和产品问世。
2 基于SCA架构的测量仪器方案
基于SDR的测量仪器仅做到仪器功能用软件实现，硬件和软件的关联度仍然很紧密，在仪器功能增加和扩展时，软硬件都要更改，耗时费力，如果测量仪器采用SCA架构可解决这些问题，但在测量领域，SDR的实现没有相关标准，本文采用通信领域的SCA标准来实现SCA架构的测量仪器，具体以数据链综合测试仪为例说明实现方案。一个采用SCA架构的测量仪器包括硬件体系结构和软件体系结构两部分。
2.1 基于SCA架构的测量仪器硬件体系结构方案
按照SCA标准GJB5082-2004《战术无线通信系统软件通信体系结构》中的硬件体系结构要求，基于SCA架构测量仪器的硬件体系结构要采用面向对象形式的类结构进行设计，第一层为硬件顶层类结构，定义了与系统实现有关的整体属性，包括外形尺寸、使用环境、设备名称等属性。硬件进一步可分为机箱类和硬件模块类，机箱类的属性包括插槽的数目、背板类型等。硬件模块类的属性包括可编程能力和性能两大类。硬件模块类是所有硬件模块的父类，它的基本属性被所有硬件模块继承。当类结构从更通用化的顶层向下扩展到更专用化的底层时，每一个子类都继承父类的所有属性。硬件模块类可以通过增加新的子类或在已有的类中增加新的属性来进行扩展。硬件体系结构允许在一个单独的硬件模块上实现几个硬件类的功能。每个硬件模块都有相应的域配置文件，硬件模块的关键接口应在域配置文件中明确定义，并可以不受限制地被公共使用。所有的硬件模块接口定义都应符合标准，除非由于程序性能的需要而不得不采用非标准接口。如果采用了非标准接口，那么接口定义应有清楚而又公开的文本说明。
下面以数据链综合测试仪为例说明基于SCA架构的测量仪器硬件体系结构方案。
数据链综合测试仪需要实现无线电综合测试（包含射频频率测试、射频功率测试、模拟调制性能测试、数字调制性能测试、频谱分析、音频发生、数据发生、模拟调制源、矢量源、音频分析、数据分析）、数据链网络综合测试（包含数据链消息模拟、协议模拟、多成员模拟、一致性测试、互操作测试、网络性能测试等功能）及数据链无线传输性能测试等多种仪器功能。这么多仪器功能的实现，硬件上不可能是电路的简单叠加，必须采用SDR设计思想，各模块组成通用硬件平台，仪器各种功能尽可能通过软件实现，如图1所示。
图1 数据链综合测试仪硬件原理框图
数据链综合测试仪仅采用SDR设计思想是不够的，需要按照SCA标准进行硬件体系结构设计。数据链综合测试仪的顶层类为“数据链综合测试硬件”，又可以进一步分为机箱类和硬件模块类，如图2所示。机箱采用标准总线的机箱；数据链综合测试仪集成多种仪器功能，综合考虑这些功能的实现和硬件平台通用化的要求，硬件模块子类分为射频发生上变频、射频接收下变频、基带处理、音频发生与分析、数据发生与分析、时钟、终端、电源等，如图3所示，模块都采用标准总线接口，便于硬件升级扩展。具体来讲，数据链综合测试仪器结构采用标准VPX架构，支持千兆以太网和RapidIO总线，以统一的标准化模块为基础，以以太网、SRIO实现内层数据交换，达到体系先进开放、硬件规范统一的目标。
图2 数据链综合测试仪硬件顶层类结构
图3 数据链综合测试仪二级硬件模块类结构
按照SCA标准设计的数据链综合测试仪硬件体系结构，整个硬件体系结构由各层硬件类组成，从顶层到底层划分仪器的模块类实现了硬件平台的通用，而不是简单的硬件电路叠加；模块类采用了标准的接口，尺寸也符合标准，便于硬件升级扩展。另外，按照GJB7095《软件通信体系结构硬件抽象层应用程序接口》标准进行硬件抽象，在硬件抽象层形成标准的应用程序接口，便于上层软件调用，实现了与上层软件的隔离。
2.2基于SCA架构的测量仪器软件体系结构方案
按照SCA标准GJB5082-2004《战术无线通信系统软件通信体系结构》中的软件体系结构要求，基于SCA架构的测量仪器软件体系结构自底向上分为四层：操作系统、分布式中间件、核心框架和应用软件，其中操作系统、分布式处理中间件和核心框架共同构成一个通用的软件平台。
操作系统提供本地系统引导、硬件设备驱动、内存管理、进程管理、任务实时调度等功能，为上层软件提供多线程支持；操作系统应满足支持多种类型的处理器、支持多种工业总线标准、支持多种标准接口。
分布式处理中间件是SCA操作环境的重要组成部分，是应用组件间通信的软总线，是位于操作系统和应用软件之间的通信服务，它利用对象请求代理ORB 软总线隐蔽了真实的通信机制，提供了跨平台的消息传递，其主要作用是用来屏蔽网络硬件平台的差异性和操作系统与网络协议的异构性，使应用软件能够比较平滑地运行于不同平台上，以透明的方式实现对象间互连、互通和互操作，免去繁琐而容易出错的底层工作，使分布式软件开发提高速度并增加可靠性。
核心框架指的是一组“核心”的开放接口和服务软件，为上层应用软件设计人员提供底层软件和硬件的抽象，由基本应用接口、框架控制接口、框架服务接口和域配置文件构成。核心框架是SCA的核心部分，首先为上层的应用软件提供了软硬件的抽象部分，使得上层软件在开发过程不必考虑硬件，提高软件的可移植性；其次核心框架完成了波形的配置与布署，在创建波形时，完成程序加载，负责组件的相连，在卸载应用程序时负责将组件释放；再者核心框架为整个软件无线电系统提供了控制与管理系统的接口。软件无线电要求做到软件可加载与硬件可升级，在硬件升级时不需要更改软件，在软件升级时不用更改硬件，也就是做到软件与硬件无关，这种特性必须由核心框架来实现。
应用软件以组件的形式实现，根据实现的方式，组件可以分为CORBA组件和非CORBA组件两类。非CORBA组件应通过相应的适配程序来提供标准的CORBA接口。CORBA组件细分为资源组件和设备组件，资源组件与实际硬件无关，由纯软件实现；设备组件与具体的硬件设备相关，为资源组件提供访问硬件的标准接口。CORBA组件在实现中应满足以下要求：采用高级语言开发，尽量与硬件平台无关，以方便软件的移植；所有资源组件只能使用软件平台提供的API，除此之外不使用其他接口；应提供相应的域配置描述文件，可被软件平台加/卸载。所有的组件都应实现核心框架定义的基本接口，并可以通过软件平台进行控制和管理，如安装、配置和卸载等。
下面以数据链综合测试仪为例说明基于SCA架构的测量仪器软件体系结构方案。
数据链综合测试仪软件分FPGA逻辑软件、模块级处理软件、主机管理软件三部分。软件总体方案采用模块化、分层次设计的思想，如图4所示。
FPGA逻辑软件主要实现数字滤波、抽取、缓存、DDS、数字时序与逻辑控制等数字电路。
模块级处理软件由板级独立的嵌入式微处理器实现，它支持实时性要求较高的控制和测试功能。它以信息应答的形式与主机管理软件进行通信。模块级处理软件主要完成电路控制和信号处理功能，主要包含射频接收下变频控制、射频接收上变频控制、基带控制与处理、音频发生控制与处理、音频分析控制与处理、数据发生控制与处理、数据分析控制与处理及时钟产生控制等功能。
主机管理软件主要完成无线电综合测试（发射机测试包含射频频率测试、射频功率测试、模拟调制性能测试、数字调制性能测试、频谱分析、音频发生、数据发生等子功能）、接收机测试（包含模拟调制源、矢量源、音频分析、数据分析等子功能）、数据链网络综合测试（包含数据链消息模拟、协议模拟、多成员模拟、一致性测试、互操作测试、网络性能测试等功能）及数据链无线通信信道仿真等功能。
图4 数据链测试软件总体方案框图
数据链综合测试仪软件除采用模块化、分层次设计的思想外，还要参照SCA的标准进行软件体系结构设计，才能做到软硬件隔离。数据链综合测试仪的软件体系结构包括设备驱动、操作系统、分布式中间件、核心框架、硬件抽象和应用软件等组成，如图5所示。其中操作系统、分布式中间件和核心框架共同构成一个通用的软件平台，隔离了应用软件和硬件抽象层，可以实现硬件性能升级，不影响应用软件，软件修改完善，不影响硬件和仪器功能扩展。每个层的软件要做到通用，在于内部凝聚，外部耦合度低，对外的接口也要标准化。每层软件的接口设计参照GJB7036《软件通信体系结构操作系统接口》、GJB7037《软件通信体系结构波形应用程序接口》及GJB7093《软件通信体系结构中间件接口》等标准实现。另外，数据链综合测试仪各仪器功能都以组件形式存在，包括应用组件、DSP组件及FPGA组件都可随时加载和卸载，对组件的加载和卸载也要标准化，可参照GJB7094《软件通信体系结构波形装配与部署要求》标准实现。
图5 数据链综合测试仪软件体系架构图
3 结语
SCA就是在通信领域对SDR的设计制定了一套可遵循、可操作的规范和原则，能更好的指导SDR的设计。采用广义的软件无线电思想设计测试仪器，虽然能实现硬件平台通用化，仪器功能软件化，从而简化了硬件设计复杂度，减小了仪器体积，但缺点是软硬件隔离仍然不彻底，如果要进行扩展升级，软硬件关联度大，软硬件都需大幅改动。在测试仪器中参照SCA实现SDR，就可以使用面向对象的开发方法定义一个标准、开放、可互操作的通用平台，实现了硬件与应用软件的最大隔离，做到软件可加载与硬件可升级，在硬件升级时不需要更改软件，在软件升级时不用更改硬件。SDR在测量领域的实现没有规范化，参照通信领域的SCA，并进行适应性改造，建立测量领域SDR的实现标准有重要意义。
参考文献
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[5] 张琼，SCA 规范的起源及发展研究，计算机光盘软件与应用，No4，May，2013
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[8] GJB7094-2010《软件通信体系结构波形装配与部署要求》
[9] GJB7095-2010《软件通信体系结构硬件抽象层应用程序接口》
[10] GJB7037-2010《软件通信体系结构波形应用程序接口》
[11] GJB7093-2010《软件通信体系结构中间件接口》
(资讯来源：《现代科学仪器》期刊，由现代科学仪器网官方发布，请勿转载）
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