基于光鏈路和被覆線鏈路雙冗余的采集數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臧習(xí)飛　黃天發(fā)　李瑞勤　商昌文

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

基于光鏈路和被覆線鏈路雙冗余的采集數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臧習(xí)飛黃天發(fā)李瑞勤商昌文

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

為了提高采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕岢隽艘环N基于光鏈路和被覆線鏈路互為熱備份的采集數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用光鏈路和被覆線鏈路雙冗余傳輸路徑，通過對(duì)兩種路徑傳輸品質(zhì)的監(jiān)測(cè)，利用仲裁器自動(dòng)倒換傳輸路徑。并通過同步緩沖設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩種傳輸路徑采集數(shù)據(jù)的同步輸出。同時(shí)進(jìn)行了合理的軟、硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)雙冗余鏈路傳輸。

光鏈路；被覆線鏈路；雙冗余；保護(hù)倒換

1　引言

在現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，后端處理機(jī)可通過對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)分析、處理和研究即可獲得大量的目標(biāo)特征信息，具有廣泛的應(yīng)用。而數(shù)據(jù)采集的前端往往放置于比較惡劣的環(huán)境中，因此采集數(shù)據(jù)的可靠傳輸成為急待發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

本文提出了一種基于光鏈路和被覆線鏈路雙冗余的采集數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將雙冗余保護(hù)結(jié)構(gòu)引入采集數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)，依靠對(duì)傳輸路徑硬件冗余，通過對(duì)路徑傳輸品質(zhì)的監(jiān)測(cè)，利用仲裁器自動(dòng)倒換傳輸路徑，具有可靠性高、自倒換時(shí)間短等特點(diǎn)。同時(shí)可自動(dòng)同步兩種傳輸路徑采集數(shù)據(jù)，非常具有實(shí)用價(jià)值。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體目標(biāo)

系統(tǒng)采用光鏈路和被覆線鏈路雙冗余傳輸方案，對(duì)采集數(shù)據(jù)傳輸路徑冗余備份。FPGA處理模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳輸鏈路的工作狀態(tài)；當(dāng)某段鏈路發(fā)生故障，無需人工干自動(dòng)完成傳輸路徑保護(hù)倒換，確保該采集點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸正常，保證了采集系統(tǒng)工作的可靠性。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

由于采集數(shù)據(jù)經(jīng)光鏈路和被覆線鏈路傳輸延時(shí)不同，為了同一時(shí)刻采集數(shù)據(jù)經(jīng)不同傳輸鏈路后同時(shí)輸出，在后端設(shè)備應(yīng)設(shè)置恰當(dāng)?shù)难訒r(shí)緩沖時(shí)間。該延時(shí)緩沖時(shí)間可通過測(cè)量?jī)煞N傳輸鏈路的傳輸延值計(jì)算后得出，采集數(shù)據(jù)同步后即可送入上位機(jī)進(jìn)行處理。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2.2延時(shí)同步原理

延時(shí)同步由鏈路延時(shí)測(cè)定和同步緩沖控制兩部分組成。當(dāng)傳輸路徑確定后，由后端設(shè)備產(chǎn)生一長(zhǎng)周期延時(shí)測(cè)量偽隨機(jī)序列，切換到傳輸鏈路上。前端設(shè)備將接收到該碼回環(huán)，經(jīng)相同傳輸路徑傳輸回后端設(shè)備。后端設(shè)備鎖定接收序列，同時(shí)復(fù)制發(fā)送序列延時(shí)緩沖后同步于鎖定的接收序列，然后由碼相位比較器對(duì)比即可求出當(dāng)前鏈路延時(shí)時(shí)間。依次測(cè)的光鏈路、被覆線鏈路傳輸延時(shí)時(shí)間。

同步緩沖控制通過鏈路延時(shí)時(shí)間即可計(jì)算出延時(shí)緩沖FIFO的讀出位；控制FIFO的讀出指針，即可同步兩種鏈路數(shù)據(jù)。

2.3雙冗余保護(hù)原理

冗余保護(hù)是指對(duì)系統(tǒng)的重要部分依靠增加軟、硬件實(shí)現(xiàn)多重備份，當(dāng)該部分發(fā)生故障，能夠快速定位故障，并自動(dòng)完成對(duì)故障部分的替換。

本系統(tǒng)中，傳輸鏈路即為系統(tǒng)的重要部分，光鏈路和被覆線鏈路互為冗余保護(hù)。系統(tǒng)基于“并發(fā)優(yōu)收”的原則，后端設(shè)備通過監(jiān)測(cè)傳輸鏈路品質(zhì)，通過仲裁控制器，自動(dòng)完成傳輸鏈路的切換。冗余保護(hù)示意圖如圖2所示。

圖2　保護(hù)倒換環(huán)示意圖

系統(tǒng)正常工作時(shí)信號(hào)同時(shí)饋入工作通路S1和保護(hù)通路P1；接收側(cè)同時(shí)收到工作通路S1和保護(hù)通路P1兩個(gè)通道信號(hào)，按其信號(hào)的優(yōu)劣來選擇一路作為接收信號(hào)。當(dāng)S1鏈路損壞后，接收側(cè)按并發(fā)優(yōu)收原則自動(dòng)倒換到接收鏈路P1，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸鏈路的保護(hù)。

3　硬件設(shè)計(jì)

3.1硬件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的整體要求，系統(tǒng)由后端機(jī)和前端機(jī)構(gòu)成，數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括光傳輸模塊、被覆線傳輸模塊、鏈路監(jiān)測(cè)、鏈路仲裁、鏈路倒換、延時(shí)緩沖等，其中鏈路監(jiān)測(cè)、仲裁倒換由FPGA內(nèi)部狀態(tài)機(jī)控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、切換時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)；延時(shí)同步緩沖通過FPGA內(nèi)部FIFO實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。

3.2光傳輸模塊設(shè)計(jì)

光傳輸模塊采用TI公司的TLKl501作為并串轉(zhuǎn)換器，串行使用SFF光模塊完成光電互轉(zhuǎn)換。其電路圖如圖3所示。

圖3　光傳輸模塊電路圖

TLKl50l主要完成數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換及時(shí)鐘處理功能。TLKl50l支持16位的并行接口，并行數(shù)據(jù)時(shí)鐘30～75 MHz。并行數(shù)據(jù)通過8B/10B編碼為20位編碼數(shù)據(jù)，再通過并串轉(zhuǎn)換發(fā)送出去。串行數(shù)據(jù)的速率為600M～1.5 Gbps，本系統(tǒng)中并行時(shí)鐘選用50MHz。

TLKl50l芯片是光傳輸模塊的核心，因此良好的設(shè)計(jì)、控制是該模塊的關(guān)鍵。TLKl50l芯片是高速的千兆串行收發(fā)器件，對(duì)時(shí)鐘的要求比較高，發(fā)送和接收時(shí)鐘需要嚴(yán)格的同頻，頻差需要控制在O.01%內(nèi)，時(shí)鐘的抖動(dòng)小于40ps。接收同步時(shí)TLKl50l都是通過檢測(cè)1DLE7狀態(tài)下的K28.5碼來進(jìn)行同步的。可通過控制TLKl50l LCKREFN腳控制接收側(cè)進(jìn)入同步捕獲模式，從而實(shí)現(xiàn)接收側(cè)快速進(jìn)入同步狀態(tài)。

3.3被覆線傳輸模塊設(shè)計(jì)

被覆線傳輸模塊采用國際電信聯(lián)盟（ITU）規(guī)范G.SHDSL技術(shù)。利用TC-PAM編碼方式，單線對(duì)凈負(fù)荷傳輸速率可在192Kbps 至2312Kbps范圍內(nèi)變化，傳輸距離更遠(yuǎn)。本系統(tǒng)中采用凈負(fù)荷傳輸速率為192Kbps，傳輸距離可達(dá)8公里。其基本傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

該模塊基于敏迅公司開發(fā)的M28945、M28927芯片組基礎(chǔ)上，使用SAMAUNG公司S3C2440A處理器作為主控制器，使用FPGA完成采樣數(shù)據(jù)到PCM數(shù)據(jù)成幀。其中，M28945為DSL成幀芯片，M28927為AFE（模擬前端）芯片。

圖4　被覆線模塊結(jié)構(gòu)框圖

采集數(shù)據(jù)接首先在FPGA使用FIFO完成同步緩沖，在經(jīng)過數(shù)據(jù)成幀為192Kbps串行PCM數(shù)據(jù)。S3C2440A處理器完成M28945的API底層操作碼加載、接口配置及狀態(tài)信息讀取。M28945芯片完成PCM數(shù)到DSL成幀及TC-PAM16編碼的DSP模塊。M28927為系統(tǒng)模擬前端芯片，主要完成數(shù)字信號(hào)與SHDSL信號(hào)的轉(zhuǎn)換，即D/A和A/D變換、信號(hào)濾波、增益控制和線路驅(qū)動(dòng)輸出。

4　FPGA邏輯模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中FPGA采用XILINX公司SPARTAN-6系列，邏輯模塊設(shè)計(jì)采用VHDL語言為硬件描述語言，采用模塊化設(shè)計(jì)原則。整個(gè)工程分為前端機(jī)工程和后端機(jī)工程，

前端機(jī)工程：主要實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換，然后將串行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息成幀一路PCM數(shù)據(jù)；接收控制指令和監(jiān)測(cè)倒換信號(hào)完成傳輸鏈路切換及回環(huán)控制。

后端機(jī)工程：主要完成PCM數(shù)據(jù)的幀同步提取、采樣數(shù)據(jù)提取、遠(yuǎn)端狀態(tài)信息提取；同時(shí)完成鏈路監(jiān)測(cè)仲裁及倒換控制、鏈路延時(shí)測(cè)定、延時(shí)同步緩沖等功能。

5　系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)調(diào)試過程中，將前端機(jī)和后端機(jī)使用30公里光纖和8公路被覆線進(jìn)行連接。采集數(shù)據(jù)輸入端接入模擬數(shù)據(jù)源，使用示波器觀察和Xilinx在線邏輯分析儀捕獲分析相結(jié)合的方式進(jìn)行調(diào)試。使用線邏輯分析儀捕獲結(jié)果如圖5所示。

圖5　光鏈路和被覆線鏈路傳輸對(duì)比圖

通過試驗(yàn)，某一傳輸鏈路切斷后，系統(tǒng)自動(dòng)切換到另一鏈路，采集數(shù)據(jù)傳輸正常。通過測(cè)定鏈路延時(shí)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)同步輸出。

6　結(jié)束語

該采集傳輸系統(tǒng)目前已應(yīng)用于某高可靠探測(cè)信號(hào)傳輸中，在實(shí)際應(yīng)用中，可自動(dòng)或手動(dòng)切換傳輸路徑，采集數(shù)據(jù)傳輸正常，保證了傳輸鏈路可靠性。同時(shí)，利用鏈路延時(shí)測(cè)量、同步緩沖等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻采集數(shù)據(jù)經(jīng)不同傳輸鏈路后的同步輸出，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來極大的方便。

［1］ 孫秀娟.基于雙模冗余容錯(cuò)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)與儀表，2008，45（8）:49-52.

［2］ 于明，范書瑞，曾祥燁.ARM9 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］ 于爽.SDH自愈網(wǎng)原理［J］.計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2011（18）: 89-91.

Design of dual redundant data collective transmission system based on optical link and phone link

In order to improve the reliability of data transmission， this paper presents a hot backup transmission based on optical link and phone link. The system has multiple functions such as: dual redundancy protection link， real-time check and control the channel，switching channel by arbitrating the collection result of two link transmission quality. The collective data of tow transmission channel is output delayed by FIFO. The paper introduces delay synchronous theory， present the hardware and software design in detail.

Optical link； phone line； dual redundancy； protection switching

TP393.03

A

1008-1151（2016）04-0006-03

2016-03-11

臧習(xí)飛（1979－），男，中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所工程師，從事光通信、光器件、傳輸系統(tǒng)集成等研究工作。