臧習飛　黃天發(fā)　李瑞勤　商昌文

（中國電子科技集團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)設計

臧習飛黃天發(fā)李瑞勤商昌文

（中國電子科技集團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，通過對兩種路徑傳輸品質的監(jiān)測，利用仲裁器自動倒換傳輸路徑。并通過同步緩沖設計，實現(xiàn)了兩種傳輸路徑采集數(shù)據(jù)的同步輸出。同時進行了合理的軟、硬件設計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)雙冗余鏈路傳輸。

光鏈路；被覆線鏈路；雙冗余；保護倒換

1　引言

在現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，后端處理機可通過對多個節(jié)點采集數(shù)據(jù)分析、處理和研究即可獲得大量的目標特征信息，具有廣泛的應用。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)展的關鍵技術。

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)，將雙冗余保護結構引入采集數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)，依靠對傳輸路徑硬件冗余，通過對路徑傳輸品質的監(jiān)測，利用仲裁器自動倒換傳輸路徑，具有可靠性高、自倒換時間短等特點。同時可自動同步兩種傳輸路徑采集數(shù)據(jù)，非常具有實用價值。

2　系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)總體目標

系統(tǒng)采用光鏈路和被覆線鏈路雙冗余傳輸方案，對采集數(shù)據(jù)傳輸路徑冗余備份。FPGA處理模塊實時監(jiān)測傳輸鏈路的工作狀態(tài)；當某段鏈路發(fā)生故障，無需人工干自動完成傳輸路徑保護倒換，確保該采集點數(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不同，為了同一時刻采集數(shù)據(jù)經(jīng)不同傳輸鏈路后同時輸出，在后端設備應設置恰當?shù)难訒r緩沖時間。該延時緩沖時間可通過測量兩種傳輸鏈路的傳輸延值計算后得出，采集數(shù)據(jù)同步后即可送入上位機進行處理。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2.2延時同步原理

延時同步由鏈路延時測定和同步緩沖控制兩部分組成。當傳輸路徑確定后，由后端設備產(chǎn)生一長周期延時測量偽隨機序列，切換到傳輸鏈路上。前端設備將接收到該碼回環(huán)，經(jīng)相同傳輸路徑傳輸回后端設備。后端設備鎖定接收序列，同時復制發(fā)送序列延時緩沖后同步于鎖定的接收序列，然后由碼相位比較器對比即可求出當前鏈路延時時間。依次測的光鏈路、被覆線鏈路傳輸延時時間。

同步緩沖控制通過鏈路延時時間即可計算出延時緩沖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雙冗余保護原理

冗余保護是指對系統(tǒng)的重要部分依靠增加軟、硬件實現(xiàn)多重備份，當該部分發(fā)生故障，能夠快速定位故障，并自動完成對故障部分的替換。

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。系統(tǒng)基于“并發(fā)優(yōu)收”的原則，后端設備通過監(jiān)測傳輸鏈路品質，通過仲裁控制器，自動完成傳輸鏈路的切換。冗余保護示意圖如圖2所示。

圖2　保護倒換環(huán)示意圖

系統(tǒng)正常工作時信號同時饋入工作通路S1和保護通路P1；接收側同時收到工作通路S1和保護通路P1兩個通道信號，按其信號的優(yōu)劣來選擇一路作為接收信號。當S1鏈路損壞后，接收側按并發(fā)優(yōu)收原則自動倒換到接收鏈路P1，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸鏈路的保護。

3　硬件設計

3.1硬件總體設計

根據(jù)系統(tǒng)的整體要求，系統(tǒng)由后端機和前端機構成，數(shù)據(jù)可實現(xiàn)雙向傳輸。系統(tǒng)硬件結構主要包括光傳輸模塊、被覆線傳輸模塊、鏈路監(jiān)測、鏈路仲裁、鏈路倒換、延時緩沖等，其中鏈路監(jiān)測、仲裁倒換由FPGA內部狀態(tài)機控制，具有結構簡單、切換時間短等諸多優(yōu)點；延時同步緩沖通過FPGA內部FIFO實現(xiàn)，簡化了硬件結構。

3.2光傳輸模塊設計

光傳輸模塊采用TI公司的TLKl501作為并串轉換器，串行使用SFF光模塊完成光電互轉換。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)并串轉換、串并轉換及時鐘處理功能。TLKl50l支持16位的并行接口，并行數(shù)據(jù)時鐘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)中并行時鐘選用50MHz。

TLKl50l芯片是光傳輸模塊的核心，因此良好的設計、控制是該模塊的關鍵。TLKl50l芯片是高速的千兆串行收發(fā)器件，對時鐘的要求比較高，發(fā)送和接收時鐘需要嚴格的同頻，頻差需要控制在O.01%內，時鐘的抖動小于40ps。接收同步時TLKl50l都是通過檢測1DLE7狀態(tài)下的K28.5碼來進行同步的?？赏ㄟ^控制TLKl50l LCKREFN腳控制接收側進入同步捕獲模式，從而實現(xiàn)接收側快速進入同步狀態(tài)。

3.3被覆線傳輸模塊設計

被覆線傳輸模塊采用國際電信聯(lián)盟（ITU）規(guī)范G.SHDSL技術。利用TC-PAM編碼方式，單線對凈負荷傳輸速率可在192Kbps 至2312Kbps范圍內變化，傳輸距離更遠。本系統(tǒng)中采用凈負荷傳輸速率為192Kbps，傳輸距離可達8公里。其基本傳輸結構圖如圖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　被覆線模塊結構框圖

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)字信號與SHDSL信號的轉換，即D/A和A/D變換、信號濾波、增益控制和線路驅動輸出。

4　FPGA邏輯模塊設計

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

前端機工程：主要實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)并串轉換的轉換，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)測倒換信號完成傳輸鏈路切換及回環(huán)控制。

后端機工程：主要完成PCM數(shù)據(jù)的幀同步提取、采樣數(shù)據(jù)提取、遠端狀態(tài)信息提??；同時完成鏈路監(jiān)測仲裁及倒換控制、鏈路延時測定、延時同步緩沖等功能。

5　系統(tǒng)調試

在系統(tǒng)調試過程中，將前端機和后端機使用30公里光纖和8公路被覆線進行連接。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合的方式進行調試。使用線邏輯分析儀捕獲結果如圖5所示。

圖5　光鏈路和被覆線鏈路傳輸對比圖

通過試驗，某一傳輸鏈路切斷后，系統(tǒng)自動切換到另一鏈路，采集數(shù)據(jù)傳輸正常。通過測定鏈路延時時間可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)同步輸出。

6　結束語

該采集傳輸系統(tǒng)目前已應用于某高可靠探測信號傳輸中，在實際應用中，可自動或手動切換傳輸路徑，采集數(shù)據(jù)傳輸正常，保證了傳輸鏈路可靠性。同時，利用鏈路延時測量、同步緩沖等技術，實現(xiàn)同一時刻采集數(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.基于雙模冗余容錯技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.電測與儀表，2008，45（8）:49-52.

［2］ 于明，范書瑞，曾祥燁.ARM9 嵌入式系統(tǒng)設計與開發(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］.計算機光盤軟件與應用，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

臧習飛（1979－），男，中國電子科技集團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。