［吳林印 林靖凱 徐澤 逯鋒兵 何思思］

1 引言

隨著電子技術(shù)、光電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為光通信技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了非常好的條件，使得光通信在高速以太網(wǎng)方面和寬帶、綜合、低成本接入方面迅速的發(fā)展。在現(xiàn)代化高技術(shù)戰(zhàn)爭（特別是在信息化戰(zhàn)爭）中的地位和作用尤為突出。打贏未來信息化的戰(zhàn)爭，必須奪取信息權(quán)，而奪取信息權(quán)離不開通信傳輸手段，離不開強(qiáng)有力的軍事通信保障。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減來適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。伴隨著軍事信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也得到了廣闊的發(fā)展空間，使得整個(gè)嵌入式系統(tǒng)擁有了完整構(gòu)架。進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代，嵌入式技術(shù)全面展開，目前已成為通信和消費(fèi)電子類產(chǎn)品的主要方向，與此同時(shí)多任務(wù)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在寬帶通信中也得到了全面應(yīng)用[1]。

目前各種總線技術(shù)在軍事通信電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)也在其中占有舉足輕重的地位。本文提出了一種基于新型的車載高速光纖總線技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這種新技術(shù)可以解決目前軍隊(duì)中各節(jié)點(diǎn)通信指揮系統(tǒng)的互聯(lián)及數(shù)據(jù)共享和控制信號(hào)的傳輸需求[2]。

2 基于車載高速光纖總線的嵌入式系統(tǒng)原理和概述

車載高速光纖總線系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)采用了Wind River 公司開發(fā)的VxWorks 多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它具有高性能、可裁減性好等特點(diǎn)，能支持多種微處理器。

如圖1 所示，車載高速光纖總線系統(tǒng)的電路原理框圖主要由FPGA+CPU 控制單元、光模塊和時(shí)鐘源等幾個(gè)部分組成。該系統(tǒng)的各器件均通過總線和CPU 互聯(lián)，通過外部總線為每個(gè)器件分配片選及相應(yīng)的地址空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)各器件的內(nèi)部寄存器的訪問，如圖1 所示。

圖1 車載高速光纖總線系統(tǒng)的電路原理框圖

3 嵌入式技術(shù)在車載高速光纖總線系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

車載高速光纖總線系統(tǒng)是將每個(gè)車載設(shè)備上的各種業(yè)務(wù)接口去掉（如話音接口、E1 接口、V35 接口、RS232接口和以太網(wǎng)接口等），統(tǒng)一采用一套光纖接口，然后將其與總線交換機(jī)構(gòu)成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)（如圖2，PC 網(wǎng)管軟件通過連接在總線交換機(jī)上的網(wǎng)口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)連接在總線交換機(jī)上的各個(gè)車載設(shè)備的業(yè)務(wù)進(jìn)行配置和管理[3]，如圖2所示。

圖2 車載光纖總線系統(tǒng)示意圖

車載高速光纖總線系統(tǒng)在軟件上共分為二部分：PC網(wǎng)管系統(tǒng)軟件和嵌入式系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)的嵌入式軟件是在VxWorks 6.3 開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，主要對(duì)總線交換機(jī)和車載設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層上的時(shí)隙交叉與配置，將車載設(shè)備上的各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)送到相對(duì)應(yīng)的通道之中，然后在總線交換機(jī)中對(duì)它進(jìn)行時(shí)隙的交叉和選擇，進(jìn)而通過終端機(jī)上的PC 網(wǎng)管對(duì)其進(jìn)行操作和管理[4]。此外，PC 網(wǎng)管軟件系統(tǒng)采用人性化操作的界面設(shè)計(jì)思想，從用戶的習(xí)慣性操作入手，盡量呈現(xiàn)給使用者一種簡單、易用的操作界面。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和消息處理機(jī)制

車載總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為1 000 Mbit/s，采用以時(shí)分復(fù)用傳輸方式為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸和交換方式。各個(gè)車載設(shè)備之間通過時(shí)分復(fù)用總線連接，形成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)。各個(gè)車載設(shè)備的業(yè)務(wù)都是利用時(shí)隙或時(shí)隙組的形式傳送的，從一個(gè)車載設(shè)備到另一個(gè)車載設(shè)備的時(shí)隙或時(shí)隙組定義為一個(gè)傳送通道，因此，各種車載設(shè)備就可以利用光纖總線上的傳輸通道實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)高速率傳輸[5]。正是由于車載系統(tǒng)的高傳輸速率，使得它可以采用時(shí)分復(fù)用的方式快速的傳輸多種數(shù)據(jù)；此外，它還具有高帶寬性，能夠讓數(shù)據(jù)在如此高速率的情況下進(jìn)行無阻礙傳輸。

交換機(jī)開機(jī)后，在所有外總線上發(fā)詢問廣播，接入節(jié)點(diǎn)協(xié)議盤收到該廣播后在內(nèi)總線上轉(zhuǎn)發(fā)該廣播，其業(yè)務(wù)接入盤收到該廣播后，將本地的業(yè)務(wù)信息（業(yè)務(wù)編碼、業(yè)務(wù)編號(hào)）發(fā)送到協(xié)議盤，協(xié)議盤將從各個(gè)內(nèi)總線收到的業(yè)務(wù)信息進(jìn)行匯總，從外總線的角度整理所有業(yè)務(wù)編號(hào)，然后轉(zhuǎn)發(fā)給交換機(jī)。利用上行協(xié)議通道傳輸，可分多幀來傳。業(yè)務(wù)接入盤業(yè)務(wù)信息的生成是業(yè)務(wù)接入盤從本地自動(dòng)獲取的，獲取方法是依據(jù)本盤為各業(yè)務(wù)配置的寄存器信息。

3.2 系統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)

圖3 車載高速光纖總線系統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)流程圖，從圖中可以看出車載光纖總線系統(tǒng)的一個(gè)整體的框架和數(shù)據(jù)信息的走向。首先設(shè)備上電，開始硬件初始化（包括CPU、FPGA 等主要芯片），輪詢檢測車載設(shè)備是否插了業(yè)務(wù)盤，所有的數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù)都集成在這塊業(yè)務(wù)盤中（如話音業(yè)務(wù)、E1 業(yè)務(wù)、V35 業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)、RS232業(yè)務(wù)和以太網(wǎng)業(yè)務(wù)等），接著初始化PC 網(wǎng)管和嵌入式中間的SNMP 層的所有數(shù)據(jù)表并開啟Start Agent 任務(wù)，初始化數(shù)據(jù)庫并向Agent 代理發(fā)送Trap，最后采用任務(wù)中斷方式一直檢測設(shè)備的告警狀態(tài)并向PC 網(wǎng)管實(shí)時(shí)上報(bào)，如圖3 所示。

圖3 車載高速總線系統(tǒng)的嵌入式軟件流程圖

3.3 業(yè)務(wù)編碼配置

在車載高速光纖總線系統(tǒng)中每個(gè)業(yè)務(wù)接入盤支持5 種業(yè)務(wù)，每個(gè)業(yè)務(wù)端口配備2 個(gè)8 位寄存器：業(yè)務(wù)編碼寄存器和業(yè)務(wù)編號(hào)寄存器。編碼編號(hào)如表1 所示。其中業(yè)務(wù)編碼用以識(shí)別業(yè)務(wù)類型，在PC 界面上顯示，業(yè)務(wù)編號(hào)用以識(shí)別通道。

表1 業(yè)務(wù)編碼編號(hào)對(duì)照表

備注：①滿配置見表，半配置時(shí)數(shù)量為一半。

②接入節(jié)點(diǎn)共4 個(gè)，有一個(gè)是滿配置，其它三個(gè)都是半配置。

如表1 所示，一個(gè)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)由3 個(gè)業(yè)務(wù)接入盤組成，第一個(gè)業(yè)務(wù)接入盤上有5 個(gè)業(yè)務(wù)，本地編號(hào)分別為0～4；第一個(gè)業(yè)務(wù)盤上有2 個(gè)業(yè)務(wù)，本地編號(hào)分別為0～1；第三個(gè)業(yè)務(wù)接入盤上有7 個(gè)業(yè)務(wù)，本地編號(hào)分別為0～6。這些信息達(dá)到協(xié)議盤后，協(xié)議盤根據(jù)每個(gè)業(yè)務(wù)接入盤所連接的內(nèi)總線順序編號(hào)，對(duì)其統(tǒng)一編號(hào)，第一個(gè)業(yè)務(wù)接入盤上所有業(yè)務(wù)的編號(hào)為0～5；第二個(gè)業(yè)務(wù)接入盤上的業(yè)務(wù)編號(hào)變成了6～7；第三個(gè)業(yè)務(wù)接入盤上的業(yè)務(wù)編號(hào)變成了8～13。變換后的編后在外總線上使用，原編號(hào)在內(nèi)總線上使用，由協(xié)議盤進(jìn)行轉(zhuǎn)接。業(yè)務(wù)編號(hào)位數(shù)為8 位，一個(gè)業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)最多可容納256 個(gè)業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)編碼用以識(shí)別業(yè)務(wù)種類，編碼位數(shù)為8 位，可識(shí)別256 種業(yè)務(wù)。

3.4 端口幀時(shí)隙的利用原則和應(yīng)用

3.4.1 普通端口幀時(shí)隙的利用原則

備注：①1 號(hào)業(yè)務(wù)盤（N1）的業(yè)務(wù)占據(jù)0～511 時(shí)隙，2 號(hào)業(yè)務(wù)盤（N2）占據(jù)512～1023 時(shí)隙。

②同一業(yè)務(wù)盤的業(yè)務(wù)按如下順序：字符業(yè)務(wù)（Y1）、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)（Y2）、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（Y3）、時(shí)鐘業(yè)務(wù)（Y4）、話音業(yè)務(wù)（Y5）。

普通端口時(shí)隙分配見表2。

表2 普通端口時(shí)隙分配表

3.4.2 虛擬端口幀時(shí)隙的利用原則

虛擬端口時(shí)隙分配見表3。

表3 虛擬端口時(shí)隙分配表

如果某一個(gè)業(yè)務(wù)盤的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)要交叉到另外一個(gè)業(yè)務(wù)盤的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，需要先將第一個(gè)業(yè)務(wù)盤的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)交叉到虛擬端口的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)中，然后虛擬端口的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)再交叉到另外一個(gè)盤的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)中。例如將一號(hào)盤的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)交叉到三號(hào)盤的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)之中，嵌入式表達(dá)式如下（FPGA 的基地址為0x30000000）：

UINT16 i=0；

for（i=642;i＜962;i++）

{*（（volatile UINT16 *）（0x30000000+0x6800+i*2））=0x8000+i-640；

*（（volatile UINT16*）（0x30000000+0x2800+（i-640）*2））=0xA000+i;}

for（i=1282;i＜1602;i++）

{*（（volatileUINT16*）（0x30000000+0x4800+（i-768）*2））=0xA000+i；

*（（volatileUINT16*）（0x30000000+0x7000+（i-1024）*2））=0x9000+i-768；}

4 結(jié)束語

我們自主研制的這套基于嵌入式技術(shù)上開發(fā)的車載高速光纖總線系統(tǒng)，已經(jīng)成功搭建了演示平臺(tái)，通過大量的測試和分析研究，充分驗(yàn)證了這項(xiàng)技術(shù)的可行性和可靠性，并擬制了車載高速光纖總線系統(tǒng)的嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

目前該項(xiàng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各種類型的通信控制節(jié)點(diǎn)車系統(tǒng)、工程電力系統(tǒng)和移動(dòng)信息基站系統(tǒng)等，提供各系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備之間或各系統(tǒng)之間的設(shè)備的互聯(lián)和數(shù)據(jù)的共享及控制，并且該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用還可以大量減少車載設(shè)備之間的互聯(lián)電纜數(shù)量，隨著布線電纜數(shù)量的減少將更加有利于車載系統(tǒng)的整車設(shè)計(jì)和使用、維護(hù)。與此同時(shí)，伴隨著這項(xiàng)技術(shù)在未來光通信控制系統(tǒng)中的推廣，使各種數(shù)據(jù)和話音融合在一起，高度的業(yè)務(wù)集成，并具有很大的靈活性，真正實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)容量業(yè)務(wù)的高速率傳輸，有效的滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)需求和穩(wěn)定性需求。