衛星通信調制解調器雙機熱備份數據切換器的研制

摘 要： 基于W77E58微處理器設計了衛星通信調制解調器雙機熱備份數據切換器。該切換器在不改變調制解調器軟硬件配置的情況下實現了調制解調器的熱備份。介紹數據切換器的硬件設計，并闡述了軟件部分的設計。該設計縮短了衛星通信調制解調器在故障狀態下的切換時間，減少了通信中斷次數和時間，提高了衛星通信調制解調器的任務可用性和可靠性。

關鍵詞： W77E58； 調制解調器； 數據切換器； 熱備份

中圖分類號： TN915.05?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0061?03

調制解調器是衛星通信傳輸網傳輸設備中一個關鍵的環節[1]，其處于地面通信設備與發射設備的上/下變頻器之間，在很大程度上決定著傳輸信道的質量。在發送鏈路，調制解調器將地面數據源的數據變換為符合衛星通信體制的信號形式，送到衛星信道上；在接收鏈路則相反。在實際應用中特別是高可靠性要求的場合，常采用冗余熱備份機制，此時就需要數據切換器在熱備份的主備兩個調制解調器之間實現信號切換。當在線調制解調器發生故障時，切換器能夠自動或以人工方式將備份調制解調器設置為在線狀態，且調制解調器的調制和解調可以獨立切換，從而使通信繼續保持正常的工作狀態，將調制解調器故障所引起的通信中斷時間降至最小。本文介紹了一個調制解調器熱備份控制單元的設計方案，該方案可行性強，實現的產品可靠性高，實用性強，對同類產品研發具有很好的參考價值。

1 設計需求

兩臺調制解調器同時工作，在不改變調制解調器任何硬件和軟件的情況下，通過切換器選擇其中的任一路發送和接收通道作為在線狀態，另一路發送和接收通道作為備份狀態。當在線發送或接收通道發生故障時，切換器通過狀態采集電路能夠以自動或人工方式將備份支路切換為備份狀態，從而實現兩臺調制解調器的熱備份功能。在自動方式下切換時間小于100 ms。

2 硬件電路設計

調制解調器數據切換器主要由CPU控制電路、中頻開關切換電路、基帶切換控制電路、調制解調器工作狀態采集電路、面板顯示及鍵盤、監控電路組成。其構成如圖1所示。圖中帶有邊框的為切換器的各功能模塊。

2.1 調制電路

來自數據終端設備（DTE）的基帶信號（TXC、TXD）經過電平轉換電路，將RS 422接口電平轉換為TTL電平，該TTL電平的基帶信號和調制解調器接收解調的基帶信號通過基帶數據二選一切換開關，選擇任一路轉換為RS 422電平分別發送至主備兩個調制器，經調制器調制成中頻信號后發送至上變頻器，實現輸入和轉發功能。

在實際工作中，由于只將在線調制解調器的中頻信號送至上變頻器，因而此處需設置中頻切換開關，其作用是依據轉換控制電路產生的切換信號，將在線調制解調器的中頻信號輸出到上變頻器，而當在線調制解調器發生故障時，它又可以將另一備份調制解調器設置為在線狀態，并將其中頻信號輸出到上變頻器。

圖1 電路構成框圖

2.2 解調電路

來自下變頻器的中頻信號經二分路器送到主備兩個解調器，經解調后分別得到其基帶信號（RXC、RXD），由于只將在線解調器的基帶信號輸出到數據終端設備，因此，需將兩個解調器輸出的基帶信號經過基帶切換開關進行二選一切換，通過TTL電平至RS 422接口進行電平變換后輸出到DTE；同時該基帶信號送至發送基帶數據切換開關實現轉發功能。

2.3 CPU控制主板

CPU控制主板電路根據調制解調器工作狀態采集電路的信息，產生用于中頻和基帶切換所需的自動控制信號，實現主備調制解調器的自動倒換，同時，它接收來自鍵盤、站內監控的控制信號指令實現本地控制方式下手動操作。主控板包括CPU微處理器、硬件看門狗電路、參數存儲電路和接口驅動控制電路。控制主板示意圖如圖2所示。

圖2 主板原理框圖

CPU選用增強型51系列單片機W77E58[2]。W77E58是Winbond公司推出的增強型51系列單片機，可與標準的8052兼容，內含4個8位I/O口，3個16位計數器，1個看門狗電路，32 KB可編程程序存儲器，1 KB片內數據存儲器和2個全雙工串行通信標準接口。W77E58的串行口，經過SN65LBC180接口電平轉換后變成四線或二線RS 485串行通信接口，用于與遠程計算機通信，保證通信的實時性和抗干擾性，能滿足設計要求。

看門狗電路采用CPU專用監控器X5045[3]，具有定時復位、電壓監視、手動復位等功能，能夠在程序運行不正常或工作電壓不正常時迫使單片機復位，避免單片機運行不正常，提高系統工作的可靠性；接口驅動控制分為總線驅動和控制兩部分。

微處理器P0口通過總線驅動和RD引腳，完成CPU與外部電路的數據交換及數據流向控制。實現鍵盤數據、設備地址和調制解調器設備工作狀態的讀取輸入，同時也可輸出切換控制信號，前面板狀態指示和接口控制信號等。微處理器P1口完成CPU與看門狗電路的數據交換及設備狀態參數的存儲與調用，當CPU工作出現異常，看門狗電路給出電路復位信號，使CPU恢復到正常工作狀態。

2.4 工作狀態采集電路

要實現調制解調器熱備份功能，必須能實時監測調制解調器的功能，即調制解調器設備是處于正常工作狀態，還是設備處于告警或故障狀態。調制解調器故障或告警狀態有兩種查詢方式，一種是通過串行口發出查詢命令來得到；一種是直接檢測告警口TTL電平得到。前者可以得到較多的故障信息，但實時性不強，延遲較大；后者實時性強，但只能得到正常和故障兩類信號，考慮到實時性要求，方案實現選擇第二種方法，即檢測告警口TTL電平得到設備工作狀態。

2.5 基帶切換電路

基帶切換電路主要由雙二選一數據選擇器構成。發送支路如果選擇來自DTE的發送數據則設備工作在輸入方式；如果選擇來自解調器的數據則設備處于轉發工作狀態，相當于給對端衛星通信站打一個數據環。接收支路選擇兩個解調器中的任一路A或B接收數據送到終端設備。

當切換器工作在輸入方式時，地面發送的終端數據SD通過發送二選一數據選擇同時送到調制解調器A、B基帶數據接口發送端口。經過發送接口電平轉換、成幀處理、信道編碼、中頻調制等過程輸出至切換器。兩臺調制解調器同時接收的衛通數據送至切換器的數據輸入RD1、RD2中，接收二選一數據選擇開關根據需要選擇其中任一路的接收數據通過接口電平轉換輸出到地面終端數據的端口。當切換器工作在轉發方式時，兩臺調制解調器接收的衛通數據RD通過發送二選一數據選擇同時送到調制解調器A、B基帶數據接口發送端口，通過發送通道直接返回給對方，相當于給對方衛星通信信道打一個環。

3 軟件設計

系統軟件設計采用MCS?51匯編語言編寫[4?6]，由主程序模塊和多個子程序模塊組成，程序結構清晰，便于今后系統功能升級。

3.1 主程序模塊

主程序模塊是核心控制部分，主要完成系統初始化、硬件配置檢測、系統配置調用、調制解調器工作狀態查詢、故障處理等工作。程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

主程序主要是在完成系統啟動時的一些初始化配置后進入主循環程序。在設備加電或是系統復位時，轉入主程序入口地址。首先完成系統初始化、硬件配置檢測等工作，當確認設備各部件工作正常后，則按上一次退出時的狀態設置調用系統配置，接著進入主循環程序以查詢方式工作。各功能模塊都有各自的狀態標志，根據各狀態標志調用不同的功能模塊。主循環程序由調制解調器工作狀態查詢模塊和故障處理模塊兩部分組成。首先查詢調制解調器的工作狀態，判斷是否工作正常，根據工作狀態進入相應的程序模塊。其次檢查切換器是否存在故障報告，若有故障，則執行故障處理模塊，否則返回初始狀態繼續下一輪查詢。

3.2 調制解調器工作狀態查詢模塊

當切換器工作在自動方式時，根據工作方式標志位可進入調制解調器工作狀態查詢模塊，在手動方式下不能進入該程序。切換器按以下邏輯進行自動切換：若主備調制解調器一方正常，另一方故障，則正常的一方在線；若主備調制解調器均故障，則“B”在線，若當前在線一方處于正常狀態，則不論另一方處于何種狀態，切換器都將保持當前在線狀態不變。在遠端方式下，當主備調制解調器都正常時，網絡管理系統可以通過監控接口對調制解調器在線狀態進行控制。

3.3 中斷程序模塊

為提高系統運行效率，在軟、硬件設計上設計了多個中斷入口。主要中斷模塊有：定時器T0中斷模塊、鍵盤中斷處理模塊和串口中斷模塊。其中，鍵盤中斷程序采用GAL16V8可編程器件[7]，硬件編碼有0～5六個鍵值，在外部面板上設定上、下、左、右、確認和取消6個鍵，在軟件中只需將鍵盤碼值讀回即可。由于按鍵數量較少，所以鍵盤操作主要以菜單選擇為主。

4 結 語

該設計方案在不改變調制解調器軟、硬件設置的情況下，利用調制解調器提供的調制和解調TTL電平告警信號，增加一臺切換器即可實現雙機熱備份工作方式。產品研制成功后長時間連續工作，設備工作穩定可靠。配合進口的Vitcom公司的M4000調制解調器[8]、ComTech公司的570L調制解調器[9]，國產的MCPC調制解調器[10]，模擬各種調制解調器故障模式，切換時間滿足任務要求。切換時間由原人工進行拔插切換約2 min縮短至小于100 ms，縮短了通信中斷時間，提高了調制解調器的工作可靠性。

參考文獻

[1] 《衛星通信設備操作維修手冊》主編組.衛星通信設備操作維修手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2] 華邦電子.W77E58 8位微處理器[M].北京：華邦電子，2005.

[3] Intersil Americas Inc. X5043， X5045 datasheet [M]. USA： Intersil Americas Inc， 2006.

[4] 孫曉民，李紅青，徐平，等.MCS?51系統單片機實用接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[5] 張毅剛.新編MCS?51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2008.

[6] 汪德彪.MCS?51單片機原理及接口技術[M].2版.北京：電子工業出版社，2009.

[7] Lattice Semiconductor Corporation. GAL16V8 specifications [M]. USA： Lattice， 2006.

[8] Vitcom Company. M4000 modem installation and operation manual [M]. USA： Vitcom， 2004.

[9] Comtech EF Data Company. CDM?570L Modem Installation and Operation Manual [M]. CA， USA： Comtech EF Data， 2009.

[10] 中國電子科技集團公司第五十四研究所.MCPC調制解調器操作使用說明書[M].石家莊：中國電子科技集團公司第五十四研究，2006.