基于環網結構的高可靠性分布式采集設計

易 敏 ，蘇淑靖

（1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 電子測試技術重點實驗室，太原 030051）

隨著高速數據通信技術的發展，傳統的一點對一點分布式采集結構已經難以滿足工業化應用。數據記錄和采集設備在航空、工業領域中占據著重要的地位，多點數據采集技術的應用需求越來越廣泛，對其傳輸的可靠性要求也越來越嚴格，特別是在大數據量采集和記錄的情況下迫切需要更高的可靠性和自糾錯能力。現有的點對點結構和星形結構的采集方法由于其在資源的利用率、成本、功耗等方面的限制已難以勝任多點之間數據采集與通信的任務，而且現有的分布式采集也存在可靠性低和傳輸速率低的問題[1-3]。

因此采用新的硬件結構以及新的通信協議解決多點數據采集的問題顯得日益重要，冗余技術以及差錯控制編碼的出現，對解決分布式數據采集與傳輸的可靠性問題提供了可能，而LVDS技術的應用提高了本設計的傳輸速度。

1 拓撲結構的設計

大部分分布式采集都是計算機控制，主要采用的拓撲結構有：星型和環型。星型拓撲結構是用一個節點作為中心節點，其他節點直接與中心節點相連而構成的網絡，其常用示意圖如圖1所示。若使用星形作為分布式采集的拓撲結構，則需要耗費大量的電纜，會增加安裝和維護的工作量，而且各站點的分布處理能力較低，這些缺點使得星形結構在高效分布式采集中受到很多的限制。

圖1 星型拓撲結構Fig.1 Star Topology

環型結構由網絡中若干節點通過點到點的鏈路首尾相連形成一個閉合的環，這種結構使公共傳輸電纜組成環型連接，數據在環路中沿著一個方向在各個節點間傳輸，數據流從一個節點傳到另一個節點，通常這類網絡也稱之為“令牌環網”[4]（如圖2所示）。在分布式采集中，使用環型網絡具有實現簡單、投資最小、傳輸速度較快以及電纜長度短的優點，它可以簡化分布式路徑選擇的控制，而且控制軟件簡單。當需要增加或減少記錄儀時，僅需簡單的連接操作，就可以增加分布式網絡中的節點數。故在本設計中采用環網總線的拓撲結構實現分布式數據采集。

圖2 環型拓撲結構Fig.2 Ring Topology

2 物理層接口

低壓差分信號LVDS（low voltage differential signaling）技術是一種低電壓擺幅的數據傳輸和接口技術。低功耗、低的電磁干擾（EMI）和出色的抗噪聲性能等優點使得LVDS在遠距離傳輸中應用非常廣泛，數據速率能夠達到3 Gb/s以上。LVDS的典型信號擺幅為350 mV，對應的功率很低，因此，LVDS是一種效率極高的技術。為了滿足至少200 Mb/s傳輸速率的要求，本設計中采用LVDS的物理層接口技術。設計中設備之間采用點對點的連接結構。

延展器的使用可以實現信號無衰減的長線通信，在本設計LVDS的發送端和接收端都使用一對電纜延展器 （DS15BA101 和 DS15EA101）[5]，保證了至少25 m通信的信號完整性以及抗噪聲性能。其中，DS15EA101作為信號調理的接收器，DS15BA101作為與之匹配的電纜驅動器。而且單個驅動器和接收器對的互連結構很簡單，可以很好地控制信號路徑中的阻抗，保證極高的數據傳輸率。

DS92LV18芯片是18位總線LVDS串化/解串器，其具有獨立的發送和接收控制時鐘、使能和電源中斷引腳，工作頻率范圍在15～66 MHz之間，為達到高速串化/解串的目的，通道的數據傳輸接口都用此芯片作為LVDS總線傳輸的發送端和接收端。冗余技術能有效提高系統的可靠性，因此在設計中增加一條通道作為冗余通道[6]。

3 數據鏈路層

數字信號在傳輸的過程中，容易受到噪聲的干擾，導致碼元波形變壞，使接收到的數據出錯。為提高傳輸的可靠性，在數據傳輸之前將數字信號進行差錯編碼，降低誤碼率。正反碼是一種簡單的能夠糾錯的編碼，其監督位數目和信息位數目相同。圖3給出本設計編碼和解碼規則。

圖3 編碼/解碼規則Fig.3 Encode/decode rules

若信息位為01101011，則監督位為01101011，發送碼組為“信息位+監督位”；當“信息位⊕監督位”結果全為‘0’時，由于接收碼組中‘1’個數為奇數，所以校驗碼組就是00000000，此時傳輸無錯碼。正反碼具有糾正1位錯碼的能力，設計中正反編碼的應用，提高了分布式數據傳輸的可靠性，同時可以降低傳輸的誤碼率。

4 分布式采集方法實現

4.1 分布式采集控制

計算機完成分布式采集的控制、數據分析和存儲，數據綜合器作為多點采集的控制中心。計算機軟件下發數據采集和傳輸的命令，并通過高速USB外圍控制器CY7C68013讀回采集到的數據并對結果進行分析。數據綜合器通過給節點發送采集命令和地址控制采集的節點，通過回收的節點結束命令結束該節點的讀數，并控制下一個節點的采集，從而實現環網結構各站點的采集功能。主控卡和數據綜合器之間采用雙絞線連接，主控卡將采集到的信號編碼，并通過LVDS芯片串化后發送給數據綜合器，數據綜合器的LVDS芯片對數據進行解串并在解碼后發送給計算機。

4.2 分布式采集方法

設計中采用環網總線的拓撲結構（圖2所示），在采集之前，計算機需要給每個采集節點分配地址，作為節點標志。每個節點由電源卡供電，主控卡作為采集和傳輸控制卡，0卡/1卡為采集卡，環網結構中有N個記錄儀，地址/命令/數據在系統中的流向如圖4所示。在分配完地址后，數據綜合器上傳網絡內采集節點的個數給計算機，以便完成循環采集的命令。完成先采集記錄儀1的0卡和1卡各一幀數據，每個記錄儀1環路周期內總共采集2幀數據，接著采集記錄儀2的0卡和1卡，繼續下去，當循環采集完整個網絡內的節點各卡的一幀數據后就相當于完成了一次分布式采集指令。

圖4 地址/命令/數據流向圖Fig.4 Address/order/data flow graph

數據綜合器和主控卡的配合是采集過程實現的基礎，數據綜合器在接收到計算機通過CY7C68013 USB接口下發的采集命令后，打開其FPGA內部的控制程序，以“地址+讀幀命令”格式的形式發送給第一個記錄儀的主控卡，主控卡先判斷地址是否匹配，如果匹配則接收讀幀命令，讀幀命令使得在線讀數有效，當第一個記錄儀的1卡的幀結束標志傳回綜合器后，綜合器發送結束命令，并將地址加1，繼續以同樣的格式下發給網絡，此時第二個記錄儀的讀幀命令有效，開始采集該記錄儀0卡和1卡的數據。

循環一周后，各站點完成一次數據采集后，將地址初始化，繼續下一個采集周期，這樣就實現了基于環網總線結構的分布式數據采集，一個采集周期的數據結構如圖5所示。

圖5 1環路周期數據結構Fig.5 A loop cycle data structure

結束命令使得當前記錄儀地址匹配無效，為讀取下一個記錄儀數據提供方便，如果地址不匹配則記錄儀不執行采集命令，如果地址匹配則采集該記錄儀的2幀數據。分布式循環采集的具體實現流程圖如圖6所示。

5 實驗結果

本設計采集3個記錄儀設備，經過多次測試，證明了采集與傳輸的高可靠性。圖7是分布式采集系統的計算機采集并記錄的一段數據，每個記錄儀的兩卡都發送自增數，各記錄儀設備之間采用25 m的雙絞線連接，實線框內的“14+6F”為一個環路標志，虛線內為各個記錄儀的兩幀數據，“EB+90”為幀頭，“84/85”為第一個記錄儀設備“0卡/1卡”兩卡標志，“88/89”、“8C/8D” 為第二個/第三個站點設備地址，其中每個站點都有兩張采集卡，11為采樣率，00～0F為采集卡發的自增數，測試中LVDS的通信容量為240 Mb/s。通過這樣的數據標準格式，可以方便地使用計算機分析。測試10次10G的自增數大小實驗都沒有出現誤碼和丟數的情況。

圖6 循環采集流程圖Fig.6 Acquisition cycle flowchart

6 結語

本文介紹了一種基于環網結構的高可靠性分布式采集設計，整個設計參照了局域網中環形拓撲的結構，物理層上采用雙通道15～66 MHz的LVDS串化解串器、同時增加了線纜驅動器和均衡器，數據鏈路層運用正反差錯控制編碼方式，硬件和軟件部分都提高了采集可靠性。該設計已經可以實現最大240 Mb/s的高可靠性的分布式數據采集與傳輸，并具有速度高、可靠性高、實現簡單以及功耗低的特點，在工業化應用中具有很高的使用價值和參考價值。

[1] 陳寧，徐春雷，莊衛金，等.地縣一體化調度自動化系統分布式數據采集方法[J].電力系統自動化，2011，35（24）：89-92.

[2] 李振華，王志新，張華強.分布式無線數據采集系統的實現方法[J].自動化儀表，2010，31（5）：73-78.

[3] 張亞南，劉洞華，王飛飛，等.星形低功耗無線數據采集網絡的設計與分析[J].自動化儀表，2011，32（12）：47-50.

[4] 單彥虎，甄囯涌，李圣昆.基于令牌環的LVDS總線協議設計與實現[J].電測與儀表 2010，47（3）：77-80.

[5] 戴蕭嫣，王立恒，李圣昆，等.基于LVDS的長線傳輸模塊設計[J].通信技術，2009，42（11）：4-6.

[6] 王珍熙.可靠性·冗余及容錯技術[M].北京：航空工業出版社，1991.