衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器雙機(jī)熱備份數(shù)據(jù)切換器的研制

張維杰，薛利

（1.中國(guó)人民解放軍63886部隊(duì)，河南洛陽(yáng)471000；2.中國(guó)人民解放軍63626部隊(duì)，甘肅酒泉732750）

衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器雙機(jī)熱備份數(shù)據(jù)切換器的研制

張維杰1，薛利2

（1.中國(guó)人民解放軍63886部隊(duì)，河南洛陽(yáng)471000；2.中國(guó)人民解放軍63626部隊(duì)，甘肅酒泉732750）

基于W77E58微處理器設(shè)計(jì)了衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器雙機(jī)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(shí)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(jì)，并闡述了軟件部分的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)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(shí)間，減少了通信中斷次數(shù)和時(shí)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。

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

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(gè)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(hào)形式，送到衛(wèi)星信道上；在接收鏈路則相反。在實(shí)際應(yīng)用中特別是高可靠性要求的場(chǎng)合，常采用冗余熱備份機(jī)制，此時(shí)就需要數(shù)據(jù)切換器在熱備份的主備兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器之間實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換。當(dāng)在線調(diào)制解調(diào)器發(fā)生故障時(shí)，切換器能夠自動(dòng)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(dú)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(shí)間降至最小。本文介紹了一個(gè)調(diào)制解調(diào)器熱備份控制單元的設(shè)計(jì)方案，該方案可行性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)同類產(chǎn)品研發(fā)具有很好的參考價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)需求

兩臺(tái)調(diào)制解調(diào)器同時(shí)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(guò)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(shí)，切換器通過(guò)狀態(tài)采集電路能夠以自動(dòng)或人工方式將備份支路切換為備份狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)調(diào)制解調(diào)器的熱備份功能。在自動(dòng)方式下切換時(shí)間小于100 ms。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

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(kāi)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(pán)、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(lái)自數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）的基帶信號(hào)（TXC、TXD）經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路，將RS 422接口電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平，該TTL電平的基帶信號(hào)和調(diào)制解調(diào)器接收解調(diào)的基帶信號(hào)通過(guò)基帶數(shù)據(jù)二選一切換開(kāi)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(gè)調(diào)制器，經(jīng)調(diào)制器調(diào)制成中頻信號(hào)后發(fā)送至上變頻器，實(shí)現(xiàn)輸入和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

在實(shí)際工作中，由于只將在線調(diào)制解調(diào)器的中頻信號(hào)送至上變頻器，因而此處需設(shè)置中頻切換開(kāi)關(guān)，其作用是依據(jù)轉(zhuǎn)換控制電路產(chǎn)生的切換信號(hào)，將在線調(diào)制解調(diào)器的中頻信號(hào)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(shí)，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(hào)輸出到上變頻器。

圖1 電路構(gòu)成框圖

2.2 解調(diào)電路

來(lái)自下變頻器的中頻信號(hào)經(jīng)二分路器送到主備兩個(gè)解調(diào)器，經(jīng)解調(diào)后分別得到其基帶信號(hào)（RXC、RXD），由于只將在線解調(diào)器的基帶信號(hào)輸出到數(shù)據(jù)終端設(shè)備，因此，需將兩個(gè)解調(diào)器輸出的基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)基帶切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行二選一切換，通過(guò)TTL電平至RS 422接口進(jìn)行電平變換后輸出到DTE；同時(shí)該基帶信號(hào)送至發(fā)送基帶數(shù)據(jù)切換開(kāi)關(guān)實(shí)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(dòng)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主備調(diào)制解調(diào)器的自動(dòng)倒換，同時(shí)，它接收來(lái)自鍵盤(pán)、站內(nèi)監(jiān)控的控制信號(hào)指令實(shí)現(xiàn)本地控制方式下手動(dòng)操作。主控板包括CPU微處理器、硬件看門(mén)狗電路、參數(shù)存儲(chǔ)電路和接口驅(qū)動(dòng)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(qiáng)型51系列單片機(jī)W77E58[2]。W77E58是Winbond公司推出的增強(qiáng)型51系列單片機(jī)，可與標(biāo)準(zhǔn)的8052兼容，內(nèi)含4個(gè)8位I/O口，3個(gè)16位計(jì)數(shù)器，1個(gè)看門(mén)狗電路，32 KB可編程程序存儲(chǔ)器，1 KB片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和2個(gè)全雙工串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口。W77E58的串行口，經(jīng)過(guò)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(jì)算機(jī)通信，保證通信的實(shí)時(shí)性和抗干擾性，能滿足設(shè)計(jì)要求。

看門(mén)狗電路采用CPU專用監(jiān)控器X5045[3]，具有定時(shí)復(fù)位、電壓監(jiān)視、手動(dòng)復(fù)位等功能，能夠在程序運(yùn)行不正常或工作電壓不正常時(shí)迫使單片機(jī)復(fù)位，避免單片機(jī)運(yùn)行不正常，提高系統(tǒng)工作的可靠性；接口驅(qū)動(dòng)控制分為總線驅(qū)動(dòng)和控制兩部分。

微處理器P0口通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)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(shí)也可輸出切換控制信號(hào)，前面板狀態(tài)指示和接口控制信號(hào)等。微處理器P1口完成CPU與看門(mén)狗電路的數(shù)據(jù)交換及設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的存儲(chǔ)與調(diào)用，當(dāng)CPU工作出現(xiàn)異常，看門(mén)狗電路給出電路復(fù)位信號(hào)，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(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器熱備份功能，必須能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guò)串行口發(fā)出查詢命令來(lái)得到；一種是直接檢測(cè)告警口TTL電平得到。前者可以得到較多的故障信息，但實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，延遲較大；后者實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但只能得到正常和故障兩類信號(hào)，考慮到實(shí)時(shí)性要求，方案實(shí)現(xiàn)選擇第二種方法，即檢測(cè)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(lái)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(lái)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(duì)端衛(wèi)星通信站打一個(gè)數(shù)據(jù)環(huán)。接收支路選擇兩個(gè)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(shí)，地面發(fā)送的終端數(shù)據(jù)SD通過(guò)發(fā)送二選一數(shù)據(jù)選擇同時(shí)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(guò)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(guò)程輸出至切換器。兩臺(tái)調(diào)制解調(diào)器同時(shí)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(kāi)關(guān)根據(jù)需要選擇其中任一路的接收數(shù)據(jù)通過(guò)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(shí)，兩臺(tái)調(diào)制解調(diào)器接收的衛(wèi)通數(shù)據(jù)RD通過(guò)發(fā)送二選一數(shù)據(jù)選擇同時(shí)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(guò)發(fā)送通道直接返回給對(duì)方，相當(dāng)于給對(duì)方衛(wèi)星通信信道打一個(gè)環(huán)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用MCS?51匯編語(yǔ)言編寫(xiě)[4?6]，由主程序模塊和多個(gè)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(jí)。

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(cè)、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(dòng)時(shí)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(shí)，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(cè)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(shí)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(bào)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(dòng)方式時(shí)，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(dòng)方式下不能進(jìn)入該程序。切換器按以下邏輯進(jìn)行自動(dòng)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(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)可以通過(guò)監(jiān)控接口對(duì)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(yùn)行效率，在軟、硬件設(shè)計(jì)上設(shè)計(jì)了多個(gè)中斷入口。主要中斷模塊有：定時(shí)器T0中斷模塊、鍵盤(pán)中斷處理模塊和串口中斷模塊。其中，鍵盤(pán)中斷程序采用GAL16V8可編程器件[7]，硬件編碼有0～5六個(gè)鍵值，在外部面板上設(shè)定上、下、左、右、確認(rèn)和取消6個(gè)鍵，在軟件中只需將鍵盤(pán)碼值讀回即可。由于按鍵數(shù)量較少，所以鍵盤(pán)操作主要以菜單選擇為主。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)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(hào)，增加一臺(tái)切換器即可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備份工作方式。產(chǎn)品研制成功后長(zhǎng)時(shí)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]、Com?Tech公司的570L調(diào)制解調(diào)器[9]，國(guó)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(shí)間滿足任務(wù)要求。切換時(shí)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(shí)間，提高了調(diào)制解調(diào)器的工作可靠性。

[1]《衛(wèi)星通信設(shè)備操作維修手冊(cè)》主編組.衛(wèi)星通信設(shè)備操作維修手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]華邦電子.W77E58 8位微處理器[M].北京：華邦電子，2005.

[3]Intersil Americas Inc.X5043，X5045 datasheet[M].USA：In?tersil Americas Inc，2006.

[4]孫曉民，李紅青，徐平，等.MCS?51系統(tǒng)單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5]張毅剛.新編MCS?51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[6]汪德彪.MCS?51單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[7]Lattice Semiconductor Corporation.GAL16V8 specifications [M].USA：Lattice，2006.

[8]Vitcom Company.M4000 modem installation and operation manual[M].USA：Vitcom，2004.

[9]Comtech EF Data Company.CDM?570L Modem Installation and Operation Manual[M].CA，USA：Comtech EF Data，2009.

[10]中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所.MCPC調(diào)制解調(diào)器操作使用說(shuō)明書(shū)[M].石家莊：中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究，2006.

Development of hot backup data switcher for satellite communication MODEM

ZHANG Wei?jie1，XUE Li2
（1.Unit 63886 of PLA，Luoyang 471000，China；2.Unit 63626 of PLA，Jiuquan 732750，China）

Based on W77E58 micro controller，a data switcher of hot backup for satellite communication MODEM was de?signed.Without changing current hardware and software configurations of the MODEM，the function of hot backup of MODEM was fulfilled.The hardware design of data switcher is introduced and the software design is elaborated in this paper.The design shortens the switch time when the MODEM is working in abnormal state，decreases the outage times of communication，and im?proves the mission usability and reliability of the satellite communication MODEM.

W77E58；MODEM；data switcher；hot backup

TN915.05?34

A

1004?373X（2015）07?0061?03

張維杰（1974—），男，甘肅靖遠(yuǎn)人，高級(jí)工程師，碩士。主要研究方向?yàn)橥ㄐ趴傮w技術(shù)。

薛利（1978—），男，江蘇泗陽(yáng)人，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2014?10?09