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

關(guān)鍵詞： W77E58； 調(diào)制解調(diào)器； 數(shù)據(jù)切換器； 熱備份

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

調(diào)制解調(diào)器是衛(wèi)星通信傳輸網(wǎng)傳輸設(shè)備中一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[1]，其處于地面通信設(shè)備與發(fā)射設(shè)備的上/下變頻器之間，在很大程度上決定著傳輸信道的質(zhì)量。在發(fā)送鏈路，調(diào)制解調(diào)器將地面數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)變換為符合衛(wèi)星通信體制的信號形式，送到衛(wèi)星信道上；在接收鏈路則相反。在實際應(yīng)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(shù)據(jù)切換器在熱備份的主備兩個調(diào)制解調(diào)器之間實現(xiàn)信號切換。當(dāng)在線調(diào)制解調(diào)器發(fā)生故障時，切換器能夠自動或以人工方式將備份調(diào)制解調(diào)器設(shè)置為在線狀態(tài)，且調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制和解調(diào)可以獨立切換，從而使通信繼續(xù)保持正常的工作狀態(tài)，將調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)器熱備份控制單元的設(shè)計方案，該方案可行性強，實現(xiàn)的產(chǎn)品可靠性高，實用性強，對同類產(chǎn)品研發(fā)具有很好的參考價值。

1 設(shè)計需求

兩臺調(diào)制解調(diào)器同時工作，在不改變調(diào)制解調(diào)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(fā)送和接收通道作為在線狀態(tài)，另一路發(fā)送和接收通道作為備份狀態(tài)。當(dāng)在線發(fā)送或接收通道發(fā)生故障時，切換器通過狀態(tài)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(tài)，從而實現(xiàn)兩臺調(diào)制解調(diào)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(shè)計

調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)切換器主要由CPU控制電路、中頻開關(guān)切換電路、基帶切換控制電路、調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)采集電路、面板顯示及鍵盤、監(jiān)控電路組成。其構(gòu)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(diào)制電路

來自數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）的基帶信號（TXC、TXD）經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路，將RS 422接口電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，該TTL電平的基帶信號和調(diào)制解調(diào)器接收解調(diào)的基帶信號通過基帶數(shù)據(jù)二選一切換開關(guān)，選擇任一路轉(zhuǎn)換為RS 422電平分別發(fā)送至主備兩個調(diào)制器，經(jīng)調(diào)制器調(diào)制成中頻信號后發(fā)送至上變頻器，實現(xiàn)輸入和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

在實際工作中，由于只將在線調(diào)制解調(diào)器的中頻信號送至上變頻器，因而此處需設(shè)置中頻切換開關(guān)，其作用是依據(jù)轉(zhuǎn)換控制電路產(chǎn)生的切換信號，將在線調(diào)制解調(diào)器的中頻信號輸出到上變頻器，而當(dāng)在線調(diào)制解調(diào)器發(fā)生故障時，它又可以將另一備份調(diào)制解調(diào)器設(shè)置為在線狀態(tài)，并將其中頻信號輸出到上變頻器。

圖1 電路構(gòu)成框圖

2.2 解調(diào)電路

來自下變頻器的中頻信號經(jīng)二分路器送到主備兩個解調(diào)器，經(jīng)解調(diào)后分別得到其基帶信號（RXC、RXD），由于只將在線解調(diào)器的基帶信號輸出到數(shù)據(jù)終端設(shè)備，因此，需將兩個解調(diào)器輸出的基帶信號經(jīng)過基帶切換開關(guān)進(jìn)行二選一切換，通過TTL電平至RS 422接口進(jìn)行電平變換后輸出到DTE；同時該基帶信號送至發(fā)送基帶數(shù)據(jù)切換開關(guān)實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

2.3 CPU控制主板

CPU控制主板電路根據(jù)調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)采集電路的信息，產(chǎn)生用于中頻和基帶切換所需的自動控制信號，實現(xiàn)主備調(diào)制解調(diào)器的自動倒換，同時，它接收來自鍵盤、站內(nèi)監(jiān)控的控制信號指令實現(xiàn)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(shù)存儲電路和接口驅(qū)動控制電路?？刂浦靼迨疽鈭D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(biāo)準(zhǔn)的8052兼容，內(nèi)含4個8位I/O口，3個16位計數(shù)器，1個看門狗電路，32 KB可編程程序存儲器，1 KB片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和2個全雙工串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口。W77E58的串行口，經(jīng)過SN65LBC180接口電平轉(zhuǎn)換后變成四線或二線RS 485串行通信接口，用于與遠(yuǎn)程計算機通信，保證通信的實時性和抗干擾性，能滿足設(shè)計要求。

看門狗電路采用CPU專用監(jiān)控器X5045[3]，具有定時復(fù)位、電壓監(jiān)視、手動復(fù)位等功能，能夠在程序運行不正?；蚬ぷ麟妷翰徽r迫使單片機復(fù)位，避免單片機運行不正常，提高系統(tǒng)工作的可靠性；接口驅(qū)動控制分為總線驅(qū)動和控制兩部分。

微處理器P0口通過總線驅(qū)動和RD引腳，完成CPU與外部電路的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)流向控制。實現(xiàn)鍵盤數(shù)據(jù)、設(shè)備地址和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備工作狀態(tài)的讀取輸入，同時也可輸出切換控制信號，前面板狀態(tài)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(shù)據(jù)交換及設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的存儲與調(diào)用，當(dāng)CPU工作出現(xiàn)異常，看門狗電路給出電路復(fù)位信號，使CPU恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

2.4 工作狀態(tài)采集電路

要實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器熱備份功能，必須能實時監(jiān)測調(diào)制解調(diào)器的功能，即調(diào)制解調(diào)器設(shè)備是處于正常工作狀態(tài)，還是設(shè)備處于告警或故障狀態(tài)。調(diào)制解調(diào)器故障或告警狀態(tài)有兩種查詢方式，一種是通過串行口發(fā)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(xiàn)選擇第二種方法，即檢測告警口TTL電平得到設(shè)備工作狀態(tài)。

2.5 基帶切換電路

基帶切換電路主要由雙二選一數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成。發(fā)送支路如果選擇來自DTE的發(fā)送數(shù)據(jù)則設(shè)備工作在輸入方式；如果選擇來自解調(diào)器的數(shù)據(jù)則設(shè)備處于轉(zhuǎn)發(fā)工作狀態(tài)，相當(dāng)于給對端衛(wèi)星通信站打一個數(shù)據(jù)環(huán)。接收支路選擇兩個解調(diào)器中的任一路A或B接收數(shù)據(jù)送到終端設(shè)備。

當(dāng)切換器工作在輸入方式時，地面發(fā)送的終端數(shù)據(jù)SD通過發(fā)送二選一數(shù)據(jù)選擇同時送到調(diào)制解調(diào)器A、B基帶數(shù)據(jù)接口發(fā)送端口。經(jīng)過發(fā)送接口電平轉(zhuǎn)換、成幀處理、信道編碼、中頻調(diào)制等過程輸出至切換器。兩臺調(diào)制解調(diào)器同時接收的衛(wèi)通數(shù)據(jù)送至切換器的數(shù)據(jù)輸入RD1、RD2中，接收二選一數(shù)據(jù)選擇開關(guān)根據(jù)需要選擇其中任一路的接收數(shù)據(jù)通過接口電平轉(zhuǎn)換輸出到地面終端數(shù)據(jù)的端口。當(dāng)切換器工作在轉(zhuǎn)發(fā)方式時，兩臺調(diào)制解調(diào)器接收的衛(wèi)通數(shù)據(jù)RD通過發(fā)送二選一數(shù)據(jù)選擇同時送到調(diào)制解調(diào)器A、B基帶數(shù)據(jù)接口發(fā)送端口，通過發(fā)送通道直接返回給對方，相當(dāng)于給對方衛(wèi)星通信信道打一個環(huán)。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)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(jié)構(gòu)清晰，便于今后系統(tǒng)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(tǒng)初始化、硬件配置檢測、系統(tǒng)配置調(diào)用、調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)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(tǒng)啟動時的一些初始化配置后進(jìn)入主循環(huán)程序。在設(shè)備加電或是系統(tǒng)復(fù)位時，轉(zhuǎn)入主程序入口地址。首先完成系統(tǒng)初始化、硬件配置檢測等工作，當(dāng)確認(rèn)設(shè)備各部件工作正常后，則按上一次退出時的狀態(tài)設(shè)置調(diào)用系統(tǒng)配置，接著進(jìn)入主循環(huán)程序以查詢方式工作。各功能模塊都有各自的狀態(tài)標(biāo)志，根據(jù)各狀態(tài)標(biāo)志調(diào)用不同的功能模塊。主循環(huán)程序由調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)查詢模塊和故障處理模塊兩部分組成。首先查詢調(diào)制解調(diào)器的工作狀態(tài)，判斷是否工作正常，根據(jù)工作狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)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(zhí)行故障處理模塊，否則返回初始狀態(tài)繼續(xù)下一輪查詢。

3.2 調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)查詢模塊

當(dāng)切換器工作在自動方式時，根據(jù)工作方式標(biāo)志位可進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)查詢模塊，在手動方式下不能進(jìn)入該程序。切換器按以下邏輯進(jìn)行自動切換：若主備調(diào)制解調(diào)器一方正常，另一方故障，則正常的一方在線；若主備調(diào)制解調(diào)器均故障，則“B”在線，若當(dāng)前在線一方處于正常狀態(tài)，則不論另一方處于何種狀態(tài)，切換器都將保持當(dāng)前在線狀態(tài)不變。在遠(yuǎn)端方式下，當(dāng)主備調(diào)制解調(diào)器都正常時，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)可以通過監(jiān)控接口對調(diào)制解調(diào)器在線狀態(tài)進(jìn)行控制。

3.3 中斷程序模塊

為提高系統(tǒng)運行效率，在軟、硬件設(shè)計上設(shè)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(shè)定上、下、左、右、確認(rèn)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(shù)量較少，所以鍵盤操作主要以菜單選擇為主。

4 結(jié) 語

該設(shè)計方案在不改變調(diào)制解調(diào)器軟、硬件設(shè)置的情況下，利用調(diào)制解調(diào)器提供的調(diào)制和解調(diào)TTL電平告警信號，增加一臺切換器即可實現(xiàn)雙機熱備份工作方式。產(chǎn)品研制成功后長時間連續(xù)工作，設(shè)備工作穩(wěn)定可靠。配合進(jìn)口的Vitcom公司的M4000調(diào)制解調(diào)器[8]、ComTech公司的570L調(diào)制解調(diào)器[9]，國產(chǎn)的MCPC調(diào)制解調(diào)器[10]，模擬各種調(diào)制解調(diào)器故障模式，切換時間滿足任務(wù)要求。切換時間由原人工進(jìn)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(diào)制解調(diào)器的工作可靠性。

參考文獻(xiàn)

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