基于PON結構的FCAE1553接口電路設計

練震 孔政敏 方彥軍

摘 ?要： 為了進一步簡化航空電子系統結構，滿足航空電子環境對網絡高性能、低功耗的要求，設計一種基于PON結構的FC?AE?1553接口電路整體方案，由FTCS?OLE?20B和FEU3411S?2DT?1芯片對FPGA的信號光電轉換，并經過光分路器組成PON無源光網絡進行數據傳輸，最后通過回環測試平臺進行功能測試和驗證。實驗結果表明，所設計的接口電路不僅可以基本滿足FC?AE?1553設備對底層光纖協議的功能要求，而且也驗證了其低延遲、強抗干擾、高傳輸速率的傳輸特性。

關鍵詞： 接口電路; FC?AE?1553協議; PON結構; 數據傳輸; 功能測試; 實驗驗證

中圖分類號： TN710?34; TP336 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）20?0013?04

Design of FC?AE?1553 interface circuit based on PON structure

LIAN Zhen， KONG Zhengmin， FANG Yanjun

（School of Power and Mechanical Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： An overall scheme of FC?AE?1553 interface circuit based on PON structure is designed to further simplify the structure of avionics systems and meet the requirements of high performance and low power consumption of the avionics environment. The FTCS?OLE?20B and FEU3411S?2DT?1 chip is used to perform photoelectric conversion of FPGA signals， and the PON （passive optical network） is formed by optical splitter to carry out data transmission. The loopback test platform is used for functional testing and verification. The experimental results show that the designed interface circuit can not only meet the functional requirements of the FC?AE?1553 device for the bottom layer optical fiber protocol， but also has verified its transmission characteristics of low delay， strong anti?interference and high transmission rate.

Keywords： interface circuit; FC?AE?1553 protocol; PON structure; data transmission; functional testing; experimental verification

0 ?引 ?言

20世紀70年代末，航空電子系統綜合化就開始被提出研究。30多年以來，航空電子綜合化系統不斷發展，對網絡通信的要求也越來越高，航空電子系統對數據通信在傳輸速率、帶寬、允許終端數、實時性等方面的要求越來越高。最初提出的MIL?STD?1553B總線已經不能滿足當前航空電子系統對總線的諸多需求，而光纖通道由于高實時性、高吞吐率、強抗干擾能力、高可靠性等特性，成為新一代航空電子總線的發展方向[1?3]。

光纖通道（Fiber Channel，FC）是美國國家標準委員會ANSI X3T11工作小組制定的一種高速串行通信協議。為適應航空電子環境的應用要求，美國軍方專門制定了航空電子光纖通道協議（Fiber Channel Avionics Environment，FC?AE）[4?6]。無源光網絡（Passive Optical Network，PON）技術是一種支持點對多點（P2MP）的光纖傳輸和接入技術，是一種單纖雙向光接入技術。該技術最大的特點就是在節省了設備維護成本的同時，極大地提高了系統的可靠性和通信效率。目前較為成熟的PON技術為采用分時復用的EPON（Ethernet PON）和GPON（Gigabit?Capable PON）技術。其中，GPON支持的最大傳輸速率可達2.5 Gb/s，EPON技術憑借其優良的抗干擾能力和高擴展性，已經在光纖通信領域大規模使用。

本文主要研究了基于PON結構的FC?AE?1553設備的光纖接口電路設計，它不僅繼承了FC?AE?1553協議優良傳輸特性，更兼備了PON拓撲結構低延遲、強抗干擾能力、低制造成本和易維護的特性。同時PON拓撲結構的無源交換特性可以更好地滿足目前航電系統對于低功耗網絡的設計要求。

1 ?總體架構設計

選擇EPON拓撲結構下的FC?AE?1553電路的作為設計對象，設計光纖傳輸速率為1.25 Gb/s，架構如圖1所示。

圖1 ?基于PON的FC?AE?1553拓撲結構圖

PON結構下的 FC?AE?1553 協議網絡是下行“一點到多點”，上行“多點到一點”的雙向拓撲結構，網絡中有3類節點：PON網絡控制器（PON Network Controller，PNC）、PON 網絡終端（PON Network Terminal，PNT）和PON網絡光分路器（PON Optical Distribution Network，PODN） [7?9]。下行傳輸是以廣播形式，遠端所有PNT都會接收到PNC發送的數據，進行解碼之后，PNT通過判斷傳輸幀相關標識信息，找到屬于各自的數據，發送給上層處理。上行傳輸要求所有PNT發向PNC的數據交換在時間上不能沖突，因此是以時分復用的形式。

光纖傳輸介質選擇單模光纖，單模光纖傳輸距離較多模光纖而言更遠。PON模塊的信號接收與發送使用同一根光纖作為信道，因為光路的上行信號波長為1 310 nm，下行信號波長為1 490 nm，兩者信號波長不同，接收信號與發射信號互不干擾，所以單個光纖就可以實現全雙工通信。接口總體方案如圖2所示。

圖2 接口總體方案

PNC主要使用OLT模塊（Optical Line Terminal），位于網絡的上游，主要功能是完成光/電，電/光轉換以及調度整個網絡帶寬資源，控制整個網絡的數據傳輸，同時負責網絡終端的傳輸請求查詢、總線同步、數據傳輸協調以及錯誤處理和數據備份傳輸等功能[10]。PNT主要使用ONU模塊（Optical Network Unit），位于網絡的下游，主要功能也是完成光/電，電/光轉換以及根據PNC發起的命令進行與PNC或其他PNT的數據交換。本設計選擇F?tone Networks公司的OLT模塊FTCS?OLE?20B和國揚通信公司的ONU模塊FEU3411S?2DT?1，數據上下行傳輸速率均為1.25 Gb/s，可以滿足設計需求。

OLT和ONU模塊，在接收數據時將光信號轉化為速率為1.25 Gb/s的一對差分信號，在發送數據時將1.25 Gb/s的差分信號轉換為光信號。但OLT和ONU模塊光電轉換后的信號均為串行數據，而FC?AE?1553協議采用的是8 b/10 b編碼機制，因此需要將串行數據轉換成10 b的并行數據輸入給FPGA，本文采用Agilent Technologies公司的串并轉換芯片HDMP?1636A。

2 ?硬件電路設計

2.1 ?接收發送模塊設計

接收發送模塊主要負責底層光纖協議的實現，數據鏈路的管理和數據的收發。區別于傳統的端口狀態機握手同步方式，基于PON的FC?AE?1553接口采用的是添加同步幀頭的方式來實現傳輸同步功能，因此接口模塊中并不需要進行狀態端口機的設計，簡化了電路的設計。

如圖3所示，接收數據時，經OLT或ONU光電轉換的串行數據經過串并轉換模塊轉換成10 b并行數據進入FPGA。然后經過8 b/10 b轉換模塊進行解碼還原成8 b數據流，再進行數據解壓，同時識別同步幀頭，完成數據流的同步處理。接下來去除幀頭幀尾，并進行奇偶校驗。最后將有效數據傳給上層進行相應處理和操作。發送數據時，就是一個逆過程。上層終端將需要傳輸的信息，添加幀頭幀尾，再添加同步幀頭，然后進行數據打包，經過8 b/10 b轉換模塊轉換成10 b數據流之后，發送給串并轉換模塊轉換成串行數據，發送給OLT或ONU進行電光轉換并發送給光纖通道。

?圖3 ?接收發送模塊設計

2.2 ?OLT模塊電路設計

OLT作為整個PON網絡拓撲的核心，不僅提供面向PON網絡設備的光纖接口，而且在進行下行傳輸時，進行廣播操作，同時向所有ONU發送相同數據。在進行上行傳輸時，它控制各個ONU傳輸數據的起始時間，掌握了整個上行數據傳輸的節奏。

OLT電氣連接圖如圖4所示。其中， RD+，RD-和TD+，TD-是高速串行收發引腳，對應與FPGA的吉比特收發器GTX相連接。另外，由于引腳RD+，RD-和TD+，TD-收發的都是差分信號，因此在實際應用中需要進行阻抗匹配，并使走線盡可能短。Tx_Fail是光信號發送失敗指示引腳，該引腳會在模塊發送光信號失敗時輸出高電平信號。Tx_DIS是OLT模塊光信號發送功能啟閉引腳，置高電平時將關閉發送功能，置低電平時則開啟。對于OLT而言，無論上行傳輸還是下行傳輸，其接收功能需要一直打開，而發送功能則需要根據需要通過信號控制啟閉。BRST_Det引腳可以監視模塊是否接收到有效光信號，當接收到有效光信號時引腳輸出高電平，當接收到復位信號時引腳輸出低電平。

圖4 ?OLT模塊電路連接圖

2.3 ?ONU模塊電路設計

ONU作為PON網絡拓撲中OLT的從機，功能就是接收OLT傳輸的數據并識別出屬于自己的數據流及根據OLT指令響應發送數據，同時為終端設備PNT提供相應的接口服務。

ONU電氣連接圖如圖5所示。其中， RD+，RD-和TD+，TD-是高速串行收發引腳，對應與FPGA的吉比特收發器GTX相連接。SD是光信號接收狀態指示引腳，光信號接收正常輸出高電平，光信號接收不正常或者未接收到有效光信號輸出低電平。Burst_EN是ONU模塊光信號發送功能啟閉引腳，置高電平時將發射功能，置低電平時則關閉。ONU跟OLT一樣，其接收功能都需要一直打開，而發送功能則需要信號控制啟閉。SDA和SCL是I2C的時鐘輸入和數據輸入輸出口。TX_SD是光信號發射模塊狀態指示引腳，僅在當發射模塊開啟時生效。

3 ?實驗驗證

測試系統搭建如圖6所示。OLT模塊和ONU模塊分別由FPGA配置為PNC節點和PNT節點，并通過分光器PODN和光纖連接組成PNT到PNC的上行通信鏈路。搭建回環測試系統時應注意以下三個方面：

1） 配置OLT。使用前，將跳線CON1的1，2兩腳短路，CON2的1，2兩腳斷路。當OLT準備發送數據時， 需先將Tx_DIS信號置低電平;當不需要發送數據，則將該信號置高電平。BRST_Det信號用來指示OLT模塊接收光信號的狀態。

2） 配置ONU。當ONU準備啟動數據發送功能時，需將Burst_EN信號引腳置高電平;當需要關閉數據發送功能時，則將該信號引腳置高電平。SD信號用來指示ONU模塊接收光信號的狀態，TX_SD信號用來指示ONU模塊的發射狀態。

3） PON網絡拓撲組建。PNC（OLT）與PNT（ONU）以及分光器PODN（ODN）共同組成一個完整的PON網絡。分光器是一種將單路光信號能量均勻分成多路光信號的器件。本設計采用1∶4分光器。同時為了保護器件，在光路中增加了光衰減器。

圖5 ?ONU模塊電路連接圖

圖6 ?回環測試系統圖

具體接口電路測試系統驗證過程如下所示。首先，計算機將隨機的原始數據通過串行接口發送給FPGA;接著，FPGA將原始數據先添加幀頭幀尾以及同步幀頭;再進行數據打包，打包完成的數據進行8 b/10 b編碼之后發送給串并轉換模塊;同時FPGA完成對OLT和ONU的配置;經過串并轉換之后，將串行數據發送給ONU模塊;ONU模塊接收到數據后進行電/光轉換成光信號數據輸出，經由分光器ODN傳輸給OLT模塊;OLT模塊將光信號數據轉換成串行電信號數據，并將轉換之后的串行數據發送給串并轉換模塊;轉換出來的并行數據再傳輸給FPGA，FPGA將接收到的數據送入8 b/10 b解碼模塊進行處理;然后進行數據解包，解析同步頭以及進行去幀頭幀尾處理;最后再將這些數據發送給計算機，與原始數據進行數據比對，得出測試結果。

4 ?結 ?論

本文設計開發了基于PON拓撲結構的FC?AE?1553B總線接口電路，同時分析了PON拓撲結構和光纖1553B總線協議。并且搭建了回環測試實驗平臺，通過與計算機進行傳輸數據比對測試并驗證了本設計功能完整、性能優越。實驗結果表明，本設計不僅可以準確發送和接收數據，同時兼具了無源光網絡的低延遲、強抗干擾、高傳輸速率的特性。利用本設計可以靈活搭建基于PON拓撲結構的光纖1553B網絡，有利于進一步進行該協議的開發研究。

參考文獻

[1] 趙永.PCI?E總線FC?AE?1553接口卡研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

ZHAO Yong. Development of FC?AE?1553 interface based on PCI?E card [D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2011.

[2] 楊現萍，段亞.FC?AE?1553總線數據處理技術研究[J].現代電子技術，2011，34（12）：29?32.

YANG Xianping， DUAN Ya. Research on data processing technology of FC?AE?1553 bus [J]. Modern electronics technique， 2011， 34（12）： 29?32.

[3] 鳳雷，馮收，喬家慶，等.FC?AE?1553設備光纖接口電路的設計與實現[J].電子測量技術，2012，35（7）：62?65.

FENG Lei， FENG Shou， QIAO Jiaqing， et al. Design and implementation of FC?AE?1553 equipment optical interface circuit [J]. Electronic measurement technology， 2012， 35（7）： 62?65.

[4] WANG X， WANG C， YU B， et al. Communication module of FC?AE?1553 interface [C]// Fifth International Conference on Instrumentation and Measurement， Computer， Communication and Control. Qinhuangdao： IEEE， 2016： 1369?1373.

[5] LIANG F， ZHAO G， CAO S. Evaluation of network transmission performance in FC?AE?1553 [J]. Journal of Beijing University of Aeronautics & Astronautics， 2015： 1396?1402.

[6] CHEN J Q， ZHANG S C. Design of switching system based on FC?AE?1553 bus [J]. International journal of smart home， 2016， 10（4）： 109?118.

[7] 楊立.基于PON結構的FC?AE?1553協議芯片的關鍵模塊研究與實現[D].成都：電子科技大學，2013.

YANG Li. Research and implementation of key modules of FC?AE?1553 protocol chip based on PON structure [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology of China， 2013.

[8] 周桃，宗竹林，趙磊.一種 PON 結構航電總線協議的建模與仿真[J].計算機工程與應用，2011，47（29）：60?63.

ZHOU Tao， ZONG Zhulin， ZHAO Lei. Modeling and simulation of a PON structure avionics bus protocol [J]. Computer engineering and applications， 2011， 47（29）： 60?63.

[9] LI C C， ZHOU T. A new topology design and performance analysis for FC?AE based on PON [C]// 5th International Conference on Biomedical Engineering and Informatics. Chongqing： IEEE， 2012： 1406?1410.

[10] 車明，周東.PON型FC?AE?1553網絡的分層節能設計[J].高技術通訊，2015，25（6）：575?583.

CHE Ming， ZHOU Dong. Strategic energy?saving design of FC?AE?1553 network based on PON [J]. High technology communication， 2015， 25（6）： 575?583.