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(shù)據(jù)自適應(yīng)復(fù)接技術(shù)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(tǒng)中地空設(shè)備交互通信的數(shù)據(jù)種類繁多、交互方式復(fù)雜多樣的特點，對現(xiàn)有地面設(shè)備的對外I/O接口進行了簡要介紹，基于接口數(shù)量有限的硬件限制，在原有的一對一數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上，提出了一種多路數(shù)據(jù)自適應(yīng)復(fù)接技術(shù)，根據(jù)各階段傳送的數(shù)據(jù)源的類型、速率和路數(shù)的不同，給出了具體實現(xiàn)方法，并進行了仿真。仿真結(jié)果表明，該技術(shù)自適應(yīng)能力強、復(fù)接功能正常。經(jīng)過實際系統(tǒng)測試，性能良好，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞地空信息傳輸系統(tǒng)；數(shù)據(jù)源；自適應(yīng)；復(fù)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(tǒng)是采用空中設(shè)備、數(shù)據(jù)鏈、地面設(shè)備和計算機網(wǎng)絡(luò)等綜合技術(shù)交互通信的復(fù)雜信息化系統(tǒng)。在飛行過程中，實時控制并監(jiān)測飛行器的各種狀態(tài)信息是保證系統(tǒng)安全的重要手段之一。

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

1數(shù)據(jù)復(fù)接技術(shù)

地空信息系統(tǒng)的地面設(shè)備和空中設(shè)備分別是由多個不同功能的子設(shè)備組成，地空交互通信時，所有子設(shè)備的信息要實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。為了提高信道的利用率需要使多個子設(shè)備的狀態(tài)信號在同一條信道上傳輸且相互之間不產(chǎn)生任何干擾，這種傳輸方式就是數(shù)據(jù)復(fù)接[1]。

自適應(yīng)數(shù)據(jù)復(fù)接示意如圖1所示，包括分頻處理、多路數(shù)據(jù)接收和自適應(yīng)復(fù)接3大模塊[2]。其中，自適應(yīng)復(fù)接模塊功能又細分為碼速調(diào)整和多路數(shù)據(jù)復(fù)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(tǒng)中需要的不同速率的控制信號，為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的基準時鐘[3]；系統(tǒng)各子設(shè)備的信息通過數(shù)據(jù)接收模塊完成輸入數(shù)據(jù)處理；碼速調(diào)整單元是把速率不同的各子設(shè)備信號調(diào)整成與復(fù)接輸出定時完全同步的數(shù)字信號，以便由復(fù)接單元把各個子設(shè)備信號復(fù)接成一個數(shù)字流；多路數(shù)據(jù)復(fù)接控制輸出模塊控制復(fù)接輸出時各分路的選通，根據(jù)接口狀態(tài)控制子設(shè)備信息通過，依次循環(huán)控制，完成自適應(yīng)復(fù)接輸出。

圖1　多路數(shù)據(jù)復(fù)接示意

2自適應(yīng)數(shù)據(jù)復(fù)接的設(shè)計與實現(xiàn)

地空信息系統(tǒng)地面設(shè)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(fā)送單元采用32.768 M的晶振作為外部時鐘輸入，地面設(shè)備包含4個子設(shè)備，在地空通信的各階段，4個子設(shè)備不需一直發(fā)送設(shè)備信息，地面發(fā)送單元完成對4個地面子設(shè)備信息的自適應(yīng)復(fù)接。

2.1時鐘分頻設(shè)計

時鐘設(shè)計的穩(wěn)定與否直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)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(qū)動能力，從而更好地完成數(shù)據(jù)復(fù)接[5]，本設(shè)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(chǎn)生16.384 M、16倍波特率等送入數(shù)據(jù)復(fù)接模塊。

2.2多路數(shù)據(jù)接收

子設(shè)備數(shù)據(jù)每個時隙10 bit的定義為：1 bit起始位、8 bit數(shù)據(jù)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(jù)異步信號的通信規(guī)則，沒有信號時數(shù)據(jù)線表現(xiàn)為高電平。數(shù)據(jù)接收模塊使用16倍于數(shù)據(jù)流的高速時鐘對子設(shè)備串行數(shù)據(jù)流進行采樣，當檢測到信號下降沿后，表示數(shù)據(jù)的起始電平可能到來，這時采樣器會使16分頻的計數(shù)器復(fù)位[7]，如果在9個高速脈沖內(nèi)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(tǒng)又回到起始狀態(tài)；如果信號仍維持低電平，則表示數(shù)據(jù)起始電平已經(jīng)到來，計數(shù)器開始工作，并提取10 bit數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)位，將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成8 bit并行的數(shù)據(jù)流。

2.3自適應(yīng)復(fù)接

地面發(fā)送單元需要復(fù)接的各子設(shè)備的數(shù)據(jù)類型和速率不同，必須進行碼速調(diào)整，將這些異步信號調(diào)整成同步信號。

子設(shè)備的數(shù)據(jù)是按照一定的幀格式來進行發(fā)送的，幀是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝唬刂菩畔⒑陀行У臄?shù)據(jù)塊[8]，對多路子設(shè)備數(shù)據(jù)進行碼速調(diào)整前，需先檢測幀的正確性和完整性。數(shù)據(jù)按周期傳送，每個周期內(nèi)有效傳輸時間較短，為了避免數(shù)據(jù)丟失，要使用存儲器對接收到的有效字節(jié)流進行緩存。本設(shè)計使用FPGA內(nèi)部嵌入的雙端口RAM作為數(shù)據(jù)的緩存器，并劃分了2個存儲區(qū)，實現(xiàn)2幀數(shù)據(jù)緩存。RAM的2個端口分別對不同的存儲區(qū)進行數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫緩沖[9]。自適應(yīng)復(fù)接功能設(shè)計如圖2所示。

圖2　自適應(yīng)復(fù)接功能設(shè)計

數(shù)據(jù)接收模塊輸出字節(jié)流送往本模塊的有效幀檢測單元，按系統(tǒng)要求對幀頭和幀標識等幀內(nèi)容進行二判二匹配判定，匹配成功后，繼續(xù)接收幀內(nèi)其他數(shù)據(jù)，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(fù)接輸出控制單元，同時有效幀字節(jié)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(fù)接輸出控制單元接收frmFlag*標識用于檢測RAM緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的寫入情況，當檢測到frmFlag*標識的上升沿到來時，表示RAM內(nèi)已至少寫入了完整的一幀有效數(shù)據(jù)，此時，用send*標識置邏輯值“1”表示該子設(shè)備數(shù)據(jù)可以用于復(fù)接輸出，用16.384 M高倍鐘將已存入緩沖區(qū)的該子設(shè)備數(shù)據(jù)幀讀出，讀滿一幀，send*標識清零等待下一幀復(fù)接輸出；用wrAddrH*確定下一幀數(shù)據(jù)的緩存區(qū)域。每個子設(shè)備數(shù)據(jù)分別緩存在對應(yīng)的雙口RAM中，每個RAM都設(shè)置了2個緩存區(qū)，緩存區(qū)1寫入數(shù)據(jù)時，復(fù)接數(shù)據(jù)選擇讀出緩存區(qū)2的數(shù)據(jù)，讀寫數(shù)據(jù)互不干擾，讀時鐘頻率高，寫時鐘頻率低，數(shù)據(jù)寫入慢，讀出快，避免數(shù)據(jù)在未讀出的情況下，該緩沖區(qū)又要存入新的數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟失。復(fù)接控制單元控制復(fù)接輸出時，通過send*標識依次檢測地面發(fā)送單元中對應(yīng)子設(shè)備的接口是否有數(shù)據(jù)輸入，若無，則跳過該接口繼續(xù)檢測下一接口的數(shù)據(jù)輸入情況(*有效取值范圍：1～4)。

2.4系統(tǒng)仿真

在Quartus II開發(fā)平臺上，用verilog語言進行程序設(shè)計，并用Modelsim SE軟件進行系統(tǒng)仿真。4個子設(shè)備數(shù)據(jù)源中子設(shè)備1采用TTL電平串行接口，數(shù)據(jù)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(shè)備2采用TTL電平串行接口，數(shù)據(jù)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(shè)備3采用RS422電平串行接口，數(shù)據(jù)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(shè)備4采用RS422電平串行接口，數(shù)據(jù)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(tǒng)中，各數(shù)據(jù)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(diào)整了數(shù)據(jù)源幀周期，縮短傳輸過程中有效數(shù)據(jù)間的空閑時間。

若4個子設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　4路數(shù)據(jù)復(fù)接仿真

若4個子設(shè)備只有子設(shè)備1、2和4發(fā)送數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　3路數(shù)據(jù)復(fù)接仿真

若4個子設(shè)備只有子設(shè)備1和3發(fā)送數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　2路數(shù)據(jù)復(fù)接仿真

圖3、圖4和圖5中，btyeClk*、data*是子設(shè)備數(shù)據(jù)源經(jīng)過數(shù)據(jù)接收模塊處理后輸出的字節(jié)鐘和字節(jié)流，dout是自適應(yīng)復(fù)接后輸出的高速復(fù)合字節(jié)流。當復(fù)接模塊同時接收到多個子設(shè)備的有效幀標識frmFlag*時，按照軟件設(shè)計中排列的設(shè)備順序依次復(fù)接輸出。仿真結(jié)果可以看出，子設(shè)備隨意調(diào)整，復(fù)接結(jié)果依然正確，自適應(yīng)功能強大(*有效取值范圍1～4)。

3結(jié)束語

數(shù)據(jù)復(fù)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(shù)據(jù)進行自適應(yīng)異步復(fù)接的方法，設(shè)計采用按幀復(fù)接，這種方式不破壞原來各支路的幀結(jié)構(gòu)，有利于信號的交換處理[10]。該設(shè)計已應(yīng)用到實際的地空信息系統(tǒng)中，具有一定的實用價值，同時由于該設(shè)計采用verilog語言完成電路的軟件設(shè)計，易用性和可移植性得到了加強，不僅使硬件功能的設(shè)計修改和產(chǎn)品升級變得十分方便，而且極大地提高了電子系統(tǒng)的靈活性和通用性。

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呂小鳳女，(1983—)，工程師。主要研究方向：數(shù)字信號處理。

張闖男，(1985—)，助理工程師。主要研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)自適應(yīng)復(fù)接技術(shù)的研究[J].無線電工程,2015,45(12):33-35,68.