一種多路數據自適應復接技術的研究

呂小鳳，張　闖，李　娟

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.石家莊市公安局長安分局，河北 石家莊 050000;

3.中國人民解放軍75770部隊，廣東 廣州 510010)

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一種多路數據自適應復接技術的研究

呂小鳳1，張闖2，李娟3

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.石家莊市公安局長安分局，河北 石家莊 050000;

3.中國人民解放軍75770部隊，廣東 廣州 510010)

摘要針對地空信息系統中地空設備交互通信的數據種類繁多、交互方式復雜多樣的特點，對現有地面設備的對外I/O接口進行了簡要介紹，基于接口數量有限的硬件限制，在原有的一對一數據通信的基礎上，提出了一種多路數據自適應復接技術，根據各階段傳送的數據源的類型、速率和路數的不同，給出了具體實現方法，并進行了仿真。仿真結果表明，該技術自適應能力強、復接功能正常。經過實際系統測試，性能良好，滿足系統設計要求。

關鍵詞地空信息傳輸系統；數據源；自適應；復接

Research on a Multi-channel Data Adaptive

Multiplexing Technology

LV Xiao-feng1,ZHANG Chuang2，LI Juan3

(1.The54thResearchInstituteofCECT,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.Chang’anPoliceOfficeofShijiazhuang,ShijiazhuangHebei050081,China;

3.Unit75770,PLA,GuangzhouGuangdong510010,China)

AbstractIn view of varied communication data and interactive mode of interactive communication of ground-air information system,the external I/O interfaces of existing ground equipment is introduced briefly.Based on limited number of interface and inherent one-to-one data communication,this paper proposes a multi-channel data adaptive multiplexing technology,and provides typical implement methods according to different data source type,data rate and quantity of channel in various phases.The simulation and analysis results show that this technology has high adaptability and normal multiplexing function.The practical test proves that it has better performance and can meet the requirement of system design.

Key wordsground-air information system;data source;adaption;multiplex

0引言

地空信息系統是采用空中設備、數據鏈、地面設備和計算機網絡等綜合技術交互通信的復雜信息化系統。在飛行過程中，實時控制并監測飛行器的各種狀態信息是保證系統安全的重要手段之一。

隨著信息化時代的高速發展，地空通信需要交互的數據量急劇增加。常規地空信息系統中，數據傳輸采用的是一對一I/O接口傳送模式，當多路數據進行交互時，需要使用到多個I/O接口。不管是空中設備還是地面設備，都不能實現對外接口數量的無限大。對于龐大的數據量，傳統的系統方案通常采用增加鏈路信息傳輸幀的長度，以便在一幀數據中傳輸更多的信息，高效利用有限的接口。這種增加數據幀中有效信息的方法使得系統數據幀結構多樣，不僅加大了設計人員的工作量，同時也降低了設計的通用性和系統的可靠性。多路數據自適應復接技術更有利于這種需要實時交互通信的信息系統，使多路數據通過同一信道自適應傳輸，滿足大量的數據在有限接口上的傳輸需求。

1數據復接技術

地空信息系統的地面設備和空中設備分別是由多個不同功能的子設備組成，地空交互通信時，所有子設備的信息要實現數據交換。為了提高信道的利用率需要使多個子設備的狀態信號在同一條信道上傳輸且相互之間不產生任何干擾，這種傳輸方式就是數據復接[1]。

自適應數據復接示意如圖1所示，包括分頻處理、多路數據接收和自適應復接3大模塊[2]。其中，自適應復接模塊功能又細分為碼速調整和多路數據復接輸出控制2個部分。在外部時鐘控制下，利用分頻模塊對時鐘信號進行分頻處理，得到系統中需要的不同速率的控制信號，為系統提供統一的基準時鐘[3]；系統各子設備的信息通過數據接收模塊完成輸入數據處理；碼速調整單元是把速率不同的各子設備信號調整成與復接輸出定時完全同步的數字信號，以便由復接單元把各個子設備信號復接成一個數字流；多路數據復接控制輸出模塊控制復接輸出時各分路的選通，根據接口狀態控制子設備信息通過，依次循環控制，完成自適應復接輸出。

圖1　多路數據復接示意

2自適應數據復接的設計與實現

地空信息系統地面設備對外I/O硬件接口通常采用TTL、RS422、RS485、LVDS和MLVDS等接口形式。地面發送單元采用32.768 M的晶振作為外部時鐘輸入，地面設備包含4個子設備，在地空通信的各階段，4個子設備不需一直發送設備信息，地面發送單元完成對4個地面子設備信息的自適應復接。

2.1時鐘分頻設計

時鐘設計的穩定與否直接影響系統的穩定性和可靠性[4]。為了提高時鐘的可靠性降低時鐘的延時抖動，提高時鐘的驅動能力，從而更好地完成數據復接[5]，本設計的主時鐘將外部時鐘從芯片的全局時鐘管腳輸入，使用alter公司的PLL對輸入的外部時鐘倍頻[6]，然后用DDS模塊進行分頻處理，分別產生16.384 M、16倍波特率等送入數據復接模塊。

2.2多路數據接收

子設備數據每個時隙10 bit的定義為：1 bit起始位、8 bit數據位和1 bit停止位，起始位用邏輯值“0”表示，停止位用邏輯值“1”表示，停止位后是不定長的空閑位。根據異步信號的通信規則，沒有信號時數據線表現為高電平。數據接收模塊使用16倍于數據流的高速時鐘對子設備串行數據流進行采樣，當檢測到信號下降沿后，表示數據的起始電平可能到來，這時采樣器會使16分頻的計數器復位[7]，如果在9個高速脈沖內對輸入信號的同1 bit采樣3次得到至少2個高電平，則說明剛才是干擾信號，系統又回到起始狀態；如果信號仍維持低電平，則表示數據起始電平已經到來，計數器開始工作，并提取10 bit數據中的有效數據位，將串行數據流轉換成8 bit并行的數據流。

2.3自適應復接

地面發送單元需要復接的各子設備的數據類型和速率不同，必須進行碼速調整，將這些異步信號調整成同步信號。

子設備的數據是按照一定的幀格式來進行發送的，幀是數據傳輸的基本單位，包括控制信息和有效的數據塊[8]，對多路子設備數據進行碼速調整前，需先檢測幀的正確性和完整性。數據按周期傳送，每個周期內有效傳輸時間較短，為了避免數據丟失，要使用存儲器對接收到的有效字節流進行緩存。本設計使用FPGA內部嵌入的雙端口RAM作為數據的緩存器，并劃分了2個存儲區，實現2幀數據緩存。RAM的2個端口分別對不同的存儲區進行數據的讀寫，讀寫操作可同時進行，分別由不同的時鐘和使能控制，實現數據的無縫緩沖[9]。自適應復接功能設計如圖2所示。

圖2　自適應復接功能設計

數據接收模塊輸出字節流送往本模塊的有效幀檢測單元，按系統要求對幀頭和幀標識等幀內容進行二判二匹配判定，匹配成功后，繼續接收幀內其他數據，收到一幀完整的有效幀后，輸出一個有效幀標志frmFlag*并送往復接輸出控制單元，同時有效幀字節流寫入雙口RAM緩存，寫時鐘使用16倍波特率鐘，寫使能為一個脈沖信號，信號寬度為有效幀整幀長度，復接輸出控制單元接收frmFlag*標識用于檢測RAM緩沖區內數據的寫入情況，當檢測到frmFlag*標識的上升沿到來時，表示RAM內已至少寫入了完整的一幀有效數據，此時，用send*標識置邏輯值“1”表示該子設備數據可以用于復接輸出，用16.384 M高倍鐘將已存入緩沖區的該子設備數據幀讀出，讀滿一幀，send*標識清零等待下一幀復接輸出；用wrAddrH*確定下一幀數據的緩存區域。每個子設備數據分別緩存在對應的雙口RAM中，每個RAM都設置了2個緩存區，緩存區1寫入數據時，復接數據選擇讀出緩存區2的數據，讀寫數據互不干擾，讀時鐘頻率高，寫時鐘頻率低，數據寫入慢，讀出快，避免數據在未讀出的情況下，該緩沖區又要存入新的數據，造成數據丟失。復接控制單元控制復接輸出時，通過send*標識依次檢測地面發送單元中對應子設備的接口是否有數據輸入，若無，則跳過該接口繼續檢測下一接口的數據輸入情況(*有效取值范圍：1～4)。

2.4系統仿真

在Quartus II開發平臺上，用verilog語言進行程序設計，并用Modelsim SE軟件進行系統仿真。4個子設備數據源中子設備1采用TTL電平串行接口，數據波特率為38.4 kbps，幀周期為4 ms，每幀包含8個時隙，每個時隙有10 bit二元碼；子設備2采用TTL電平串行接口，數據波特率為38.4 kbps，幀周期為4 ms，每幀包含8個時隙，每個時隙有10 bit二元碼；子設備3采用RS422電平串行接口，數據波特率為115.2 kbps，幀周期為2 ms，每幀包含10個時隙，每個時隙有10 bit二元碼；子設備4采用RS422電平串行接口，數據波特率為115.2 kbps，幀周期為2 ms，每幀包含10個時隙，每個時隙有10 bit二元碼。實際系統中，各數據源幀周期要大得多，由于仿真量大，為了減少等待時間，適當調整了數據源幀周期，縮短傳輸過程中有效數據間的空閑時間。

若4個子設備同時發送數據，仿真結果如圖3所示。

圖3　4路數據復接仿真

若4個子設備只有子設備1、2和4發送數據，仿真結果如圖4所示。

圖4　3路數據復接仿真

若4個子設備只有子設備1和3發送數據，仿真結果如圖5所示。

圖5　2路數據復接仿真

圖3、圖4和圖5中，btyeClk*、data*是子設備數據源經過數據接收模塊處理后輸出的字節鐘和字節流，dout是自適應復接后輸出的高速復合字節流。當復接模塊同時接收到多個子設備的有效幀標識frmFlag*時，按照軟件設計中排列的設備順序依次復接輸出。仿真結果可以看出，子設備隨意調整，復接結果依然正確，自適應功能強大(*有效取值范圍1～4)。

3結束語

數據復接在通信電路中廣泛使用，本文提出了一種基于FPGA對多路異步數據進行自適應異步復接的方法，設計采用按幀復接，這種方式不破壞原來各支路的幀結構，有利于信號的交換處理[10]。該設計已應用到實際的地空信息系統中，具有一定的實用價值，同時由于該設計采用verilog語言完成電路的軟件設計，易用性和可移植性得到了加強，不僅使硬件功能的設計修改和產品升級變得十分方便，而且極大地提高了電子系統的靈活性和通用性。

參考文獻

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呂小鳳女，(1983—)，工程師。主要研究方向：數字信號處理。

張闖男，(1985—)，助理工程師。主要研究方向：計算機網絡安全管理。

作者簡介

收稿日期：2015-09-07

中圖分類號TN914

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)12-33-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.09

引用格式：呂小鳳,張闖，李娟.一種多路數據自適應復接技術的研究[J].無線電工程,2015,45(12):33-35,68.