基于PON結(jié)構(gòu)的FCAE1553接口電路設(shè)計(jì)

練震 孔政敏 方彥軍

摘 ?要： 為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，滿足航空電子環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)高性能、低功耗的要求，設(shè)計(jì)一種基于PON結(jié)構(gòu)的FC?AE?1553接口電路整體方案，由FTCS?OLE?20B和FEU3411S?2DT?1芯片對(duì)FPGA的信號(hào)光電轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過光分路器組成PON無源光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后通過回環(huán)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行功能測(cè)試和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的接口電路不僅可以基本滿足FC?AE?1553設(shè)備對(duì)底層光纖協(xié)議的功能要求，而且也驗(yàn)證了其低延遲、強(qiáng)抗干擾、高傳輸速率的傳輸特性。

關(guān)鍵詞： 接口電路; FC?AE?1553協(xié)議; PON結(jié)構(gòu); 數(shù)據(jù)傳輸; 功能測(cè)試; 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN710?34; TP336 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）20?0013?04

Design of FC?AE?1553 interface circuit based on PON structure

LIAN Zhen， KONG Zhengmin， FANG Yanjun

（School of Power and Mechanical Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： An overall scheme of FC?AE?1553 interface circuit based on PON structure is designed to further simplify the structure of avionics systems and meet the requirements of high performance and low power consumption of the avionics environment. The FTCS?OLE?20B and FEU3411S?2DT?1 chip is used to perform photoelectric conversion of FPGA signals， and the PON （passive optical network） is formed by optical splitter to carry out data transmission. The loopback test platform is used for functional testing and verification. The experimental results show that the designed interface circuit can not only meet the functional requirements of the FC?AE?1553 device for the bottom layer optical fiber protocol， but also has verified its transmission characteristics of low delay， strong anti?interference and high transmission rate.

Keywords： interface circuit; FC?AE?1553 protocol; PON structure; data transmission; functional testing; experimental verification

0 ?引 ?言

20世紀(jì)70年代末，航空電子系統(tǒng)綜合化就開始被提出研究。30多年以來，航空電子綜合化系統(tǒng)不斷發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的要求也越來越高，航空電子系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)通信在傳輸速率、帶寬、允許終端數(shù)、實(shí)時(shí)性等方面的要求越來越高。最初提出的MIL?STD?1553B總線已經(jīng)不能滿足當(dāng)前航空電子系統(tǒng)對(duì)總線的諸多需求，而光纖通道由于高實(shí)時(shí)性、高吞吐率、強(qiáng)抗干擾能力、高可靠性等特性，成為新一代航空電子總線的發(fā)展方向[1?3]。

光纖通道（Fiber Channel，F(xiàn)C）是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)ANSI X3T11工作小組制定的一種高速串行通信協(xié)議。為適應(yīng)航空電子環(huán)境的應(yīng)用要求，美國(guó)軍方專門制定了航空電子光纖通道協(xié)議（Fiber Channel Avionics Environment，F(xiàn)C?AE）[4?6]。無源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）技術(shù)是一種支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（P2MP）的光纖傳輸和接入技術(shù)，是一種單纖雙向光接入技術(shù)。該技術(shù)最大的特點(diǎn)就是在節(jié)省了設(shè)備維護(hù)成本的同時(shí)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和通信效率。目前較為成熟的PON技術(shù)為采用分時(shí)復(fù)用的EPON（Ethernet PON）和GPON（Gigabit?Capable PON）技術(shù)。其中，GPON支持的最大傳輸速率可達(dá)2.5 Gb/s，EPON技術(shù)憑借其優(yōu)良的抗干擾能力和高擴(kuò)展性，已經(jīng)在光纖通信領(lǐng)域大規(guī)模使用。

本文主要研究了基于PON結(jié)構(gòu)的FC?AE?1553設(shè)備的光纖接口電路設(shè)計(jì)，它不僅繼承了FC?AE?1553協(xié)議優(yōu)良傳輸特性，更兼?zhèn)淞薖ON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)低延遲、強(qiáng)抗干擾能力、低制造成本和易維護(hù)的特性。同時(shí)PON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無源交換特性可以更好地滿足目前航電系統(tǒng)對(duì)于低功耗網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求。

1 ?總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

選擇EPON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的FC?AE?1553電路的作為設(shè)計(jì)對(duì)象，設(shè)計(jì)光纖傳輸速率為1.25 Gb/s，架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?基于PON的FC?AE?1553拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

PON結(jié)構(gòu)下的 FC?AE?1553 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)是下行“一點(diǎn)到多點(diǎn)”，上行“多點(diǎn)到一點(diǎn)”的雙向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中有3類節(jié)點(diǎn)：PON網(wǎng)絡(luò)控制器（PON Network Controller，PNC）、PON 網(wǎng)絡(luò)終端（PON Network Terminal，PNT）和PON網(wǎng)絡(luò)光分路器（PON Optical Distribution Network，PODN） [7?9]。下行傳輸是以廣播形式，遠(yuǎn)端所有PNT都會(huì)接收到PNC發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解碼之后，PNT通過判斷傳輸幀相關(guān)標(biāo)識(shí)信息，找到屬于各自的數(shù)據(jù)，發(fā)送給上層處理。上行傳輸要求所有PNT發(fā)向PNC的數(shù)據(jù)交換在時(shí)間上不能沖突，因此是以時(shí)分復(fù)用的形式。

光纖傳輸介質(zhì)選擇單模光纖，單模光纖傳輸距離較多模光纖而言更遠(yuǎn)。PON模塊的信號(hào)接收與發(fā)送使用同一根光纖作為信道，因?yàn)楣饴返纳闲行盘?hào)波長(zhǎng)為1 310 nm，下行信號(hào)波長(zhǎng)為1 490 nm，兩者信號(hào)波長(zhǎng)不同，接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)互不干擾，所以單個(gè)光纖就可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信。接口總體方案如圖2所示。

圖2 接口總體方案

PNC主要使用OLT模塊（Optical Line Terminal），位于網(wǎng)絡(luò)的上游，主要功能是完成光/電，電/光轉(zhuǎn)換以及調(diào)度整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)終端的傳輸請(qǐng)求查詢、總線同步、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)調(diào)以及錯(cuò)誤處理和數(shù)據(jù)備份傳輸?shù)裙δ躘10]。PNT主要使用ONU模塊（Optical Network Unit），位于網(wǎng)絡(luò)的下游，主要功能也是完成光/電，電/光轉(zhuǎn)換以及根據(jù)PNC發(fā)起的命令進(jìn)行與PNC或其他PNT的數(shù)據(jù)交換。本設(shè)計(jì)選擇F?tone Networks公司的OLT模塊FTCS?OLE?20B和國(guó)揚(yáng)通信公司的ONU模塊FEU3411S?2DT?1，數(shù)據(jù)上下行傳輸速率均為1.25 Gb/s，可以滿足設(shè)計(jì)需求。

OLT和ONU模塊，在接收數(shù)據(jù)時(shí)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為速率為1.25 Gb/s的一對(duì)差分信號(hào)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將1.25 Gb/s的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。但OLT和ONU模塊光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)均為串行數(shù)據(jù)，而FC?AE?1553協(xié)議采用的是8 b/10 b編碼機(jī)制，因此需要將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10 b的并行數(shù)據(jù)輸入給FPGA，本文采用Agilent Technologies公司的串并轉(zhuǎn)換芯片HDMP?1636A。

2 ?硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ?接收發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

接收發(fā)送模塊主要負(fù)責(zé)底層光纖協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)鏈路的管理和數(shù)據(jù)的收發(fā)。區(qū)別于傳統(tǒng)的端口狀態(tài)機(jī)握手同步方式，基于PON的FC?AE?1553接口采用的是添加同步幀頭的方式來實(shí)現(xiàn)傳輸同步功能，因此接口模塊中并不需要進(jìn)行狀態(tài)端口機(jī)的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。

如圖3所示，接收數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)OLT或ONU光電轉(zhuǎn)換的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成10 b并行數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA。然后經(jīng)過8 b/10 b轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行解碼還原成8 b數(shù)據(jù)流，再進(jìn)行數(shù)據(jù)解壓，同時(shí)識(shí)別同步幀頭，完成數(shù)據(jù)流的同步處理。接下來去除幀頭幀尾，并進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。最后將有效數(shù)據(jù)傳給上層進(jìn)行相應(yīng)處理和操作。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，就是一個(gè)逆過程。上層終端將需要傳輸?shù)男畔ⅲ砑訋^幀尾，再添加同步幀頭，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，經(jīng)過8 b/10 b轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成10 b數(shù)據(jù)流之后，發(fā)送給串并轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，發(fā)送給OLT或ONU進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換并發(fā)送給光纖通道。

?圖3 ?接收發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

2.2 ?OLT模塊電路設(shè)計(jì)

OLT作為整個(gè)PON網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞暮诵?，不僅提供面向PON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的光纖接口，而且在進(jìn)行下行傳輸時(shí)，進(jìn)行廣播操作，同時(shí)向所有ONU發(fā)送相同數(shù)據(jù)。在進(jìn)行上行傳輸時(shí)，它控制各個(gè)ONU傳輸數(shù)據(jù)的起始時(shí)間，掌握了整個(gè)上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)奏。

OLT電氣連接圖如圖4所示。其中， RD+，RD-和TD+，TD-是高速串行收發(fā)引腳，對(duì)應(yīng)與FPGA的吉比特收發(fā)器GTX相連接。另外，由于引腳RD+，RD-和TD+，TD-收發(fā)的都是差分信號(hào)，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行阻抗匹配，并使走線盡可能短。Tx_Fail是光信號(hào)發(fā)送失敗指示引腳，該引腳會(huì)在模塊發(fā)送光信號(hào)失敗時(shí)輸出高電平信號(hào)。Tx_DIS是OLT模塊光信號(hào)發(fā)送功能啟閉引腳，置高電平時(shí)將關(guān)閉發(fā)送功能，置低電平時(shí)則開啟。對(duì)于OLT而言，無論上行傳輸還是下行傳輸，其接收功能需要一直打開，而發(fā)送功能則需要根據(jù)需要通過信號(hào)控制啟閉。BRST_Det引腳可以監(jiān)視模塊是否接收到有效光信號(hào)，當(dāng)接收到有效光信號(hào)時(shí)引腳輸出高電平，當(dāng)接收到復(fù)位信號(hào)時(shí)引腳輸出低電平。

圖4 ?OLT模塊電路連接圖

2.3 ?ONU模塊電路設(shè)計(jì)

ONU作為PON網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲蠴LT的從機(jī)，功能就是接收OLT傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并識(shí)別出屬于自己的數(shù)據(jù)流及根據(jù)OLT指令響應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)為終端設(shè)備PNT提供相應(yīng)的接口服務(wù)。

ONU電氣連接圖如圖5所示。其中， RD+，RD-和TD+，TD-是高速串行收發(fā)引腳，對(duì)應(yīng)與FPGA的吉比特收發(fā)器GTX相連接。SD是光信號(hào)接收狀態(tài)指示引腳，光信號(hào)接收正常輸出高電平，光信號(hào)接收不正?；蛘呶唇邮盏接行Ч庑盘?hào)輸出低電平。Burst_EN是ONU模塊光信號(hào)發(fā)送功能啟閉引腳，置高電平時(shí)將發(fā)射功能，置低電平時(shí)則關(guān)閉。ONU跟OLT一樣，其接收功能都需要一直打開，而發(fā)送功能則需要信號(hào)控制啟閉。SDA和SCL是I2C的時(shí)鐘輸入和數(shù)據(jù)輸入輸出口。TX_SD是光信號(hào)發(fā)射模塊狀態(tài)指示引腳，僅在當(dāng)發(fā)射模塊開啟時(shí)生效。

3 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試系統(tǒng)搭建如圖6所示。OLT模塊和ONU模塊分別由FPGA配置為PNC節(jié)點(diǎn)和PNT節(jié)點(diǎn)，并通過分光器PODN和光纖連接組成PNT到PNC的上行通信鏈路。搭建回環(huán)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意以下三個(gè)方面：

1） 配置OLT。使用前，將跳線CON1的1，2兩腳短路，CON2的1，2兩腳斷路。當(dāng)OLT準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)， 需先將Tx_DIS信號(hào)置低電平;當(dāng)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則將該信號(hào)置高電平。BRST_Det信號(hào)用來指示OLT模塊接收光信號(hào)的狀態(tài)。

2） 配置ONU。當(dāng)ONU準(zhǔn)備啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送功能時(shí)，需將Burst_EN信號(hào)引腳置高電平;當(dāng)需要關(guān)閉數(shù)據(jù)發(fā)送功能時(shí)，則將該信號(hào)引腳置高電平。SD信號(hào)用來指示ONU模塊接收光信號(hào)的狀態(tài)，TX_SD信號(hào)用來指示ONU模塊的發(fā)射狀態(tài)。

3） PON網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M建。PNC（OLT）與PNT（ONU）以及分光器PODN（ODN）共同組成一個(gè)完整的PON網(wǎng)絡(luò)。分光器是一種將單路光信號(hào)能量均勻分成多路光信號(hào)的器件。本設(shè)計(jì)采用1∶4分光器。同時(shí)為了保護(hù)器件，在光路中增加了光衰減器。

圖5 ?ONU模塊電路連接圖

圖6 ?回環(huán)測(cè)試系統(tǒng)圖

具體接口電路測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證過程如下所示。首先，計(jì)算機(jī)將隨機(jī)的原始數(shù)據(jù)通過串行接口發(fā)送給FPGA;接著，F(xiàn)PGA將原始數(shù)據(jù)先添加幀頭幀尾以及同步幀頭;再進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，打包完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行8 b/10 b編碼之后發(fā)送給串并轉(zhuǎn)換模塊;同時(shí)FPGA完成對(duì)OLT和ONU的配置;經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換之后，將串行數(shù)據(jù)發(fā)送給ONU模塊;ONU模塊接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換成光信號(hào)數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)由分光器ODN傳輸給OLT模塊;OLT模塊將光信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行電信號(hào)數(shù)據(jù)，并將轉(zhuǎn)換之后的串行數(shù)據(jù)發(fā)送給串并轉(zhuǎn)換模塊;轉(zhuǎn)換出來的并行數(shù)據(jù)再傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA將接收到的數(shù)據(jù)送入8 b/10 b解碼模塊進(jìn)行處理;然后進(jìn)行數(shù)據(jù)解包，解析同步頭以及進(jìn)行去幀頭幀尾處理;最后再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，得出測(cè)試結(jié)果。

4 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于PON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的FC?AE?1553B總線接口電路，同時(shí)分析了PON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和光纖1553B總線協(xié)議。并且搭建了回環(huán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過與計(jì)算機(jī)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)比對(duì)測(cè)試并驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)功能完整、性能優(yōu)越。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)不僅可以準(zhǔn)確發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，同時(shí)兼具了無源光網(wǎng)絡(luò)的低延遲、強(qiáng)抗干擾、高傳輸速率的特性。利用本設(shè)計(jì)可以靈活搭建基于PON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光纖1553B網(wǎng)絡(luò)，有利于進(jìn)一步進(jìn)行該協(xié)議的開發(fā)研究。

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