多接口融合光纖總線光網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計

張丹群，薛海東，白玉杰，尹海林，吳 琦，殷洪波，林小娟，王海萌

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭的背景下，裝備信息化成為了武器裝備研究的重中之重。評價信息化裝備，實(shí)時性是重要的指標(biāo)[1]。光纖數(shù)據(jù)總線作為大型信息傳輸系統(tǒng)中的重要組成部分，在諸如車輛、船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可以為系統(tǒng)信息的實(shí)時性提供良好支撐[2]。在嵌入式系統(tǒng)中，以太網(wǎng)、PCIE 等接口也得到了越來越廣泛的應(yīng)用[3]。但目前車載偵察平臺中，CAN 總線、以太網(wǎng)等經(jīng)常是分開布置，缺少融合，不利于車載平臺的信息整合。而多種接口的融合對時鐘同步的要求很高，時鐘同步保證節(jié)點(diǎn)收發(fā)信息在時間上的正確性[4]。光纖具有傳輸速度高、不受電磁干擾、安全性高等特點(diǎn)[5-7]，符合車載偵察平臺的需求。在目前的車載光纖數(shù)據(jù)總線應(yīng)用環(huán)境中，需要傳輸包括視頻、指令、姿態(tài)參數(shù)等多種數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)傳輸速率、編碼定義、接口方式都有很大區(qū)別?，F(xiàn)存的諸多類總線技術(shù)在多數(shù)據(jù)類型業(yè)務(wù)場景中無法滿足車載數(shù)據(jù)偵察平臺的信息互聯(lián)需求。因此，本文對光纖數(shù)據(jù)總線中多種接口的融合進(jìn)行了研究，并提出一種以FPGA 為硬件平臺，以IP 復(fù)用技術(shù)為核心的多接口融合光纖總線光網(wǎng)絡(luò)終端[8]，一定程度上提升車載偵察平臺的信息互聯(lián)程度。

1 光纖總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)車載光纖總線的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)需要，對光纖總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計是前期的重要工作[9-10]。光纖數(shù)據(jù)總線包括一個中央網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)NC 和多個光網(wǎng)絡(luò)終端NT，NC 和NT 之間通過光纖連接，NC 連接車上的上位機(jī)系統(tǒng)，將從NT 獲取的信息發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，并且將上位機(jī)的指令等信息發(fā)送給對應(yīng)的NT。NC 相當(dāng)于光纖總線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備[11]。NT 的主要任務(wù)是獲取視頻、姿態(tài)參數(shù)等信息，通過光纖發(fā)送給NC，并接受NC 傳輸來的指令信息。根據(jù)車載系統(tǒng)的信息節(jié)點(diǎn)數(shù)目，光纖總線中包含3 個NT。車載光纖總線的數(shù)據(jù)帶寬為10 Gb/s。整個光纖數(shù)據(jù)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看做以NC 為中心節(jié)點(diǎn)的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 光纖數(shù)據(jù)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理框圖Fig. 1 Block diagram of topological structure principle of optical fiber databus

2 光網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)計通信機(jī)制

針對某型車載平臺的需求，在設(shè)計了光線數(shù)據(jù)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，需要對光纖總線的協(xié)議進(jìn)行研究，設(shè)計基于ZYNQ 類型的FPGA 平臺的接口通信協(xié)議[12-15]。在本次的光纖總線NT 端設(shè)計中，要將RS422 總線、CAN 總線、Ethernet、PCIE等多種協(xié)議融入進(jìn)來，并且要兼顧視頻數(shù)據(jù)的通信。根據(jù)車載平臺信息交換的需求，NC 和上位機(jī)系統(tǒng)需要每50 μs 訪問一次所有NT 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。在NT 設(shè)計中，難點(diǎn)在于對現(xiàn)有通信總線和協(xié)議的兼容。

RS422、CAN 都屬于低速數(shù)據(jù)流，以太網(wǎng)和PCIE 數(shù)據(jù)均屬于高速數(shù)據(jù)流。RS422 總線在NT端上轉(zhuǎn)為單端信號，以UART 格式的串行通信進(jìn)行傳輸和處理。

光纖數(shù)據(jù)總線使用千兆以太網(wǎng)UDP 協(xié)議進(jìn)行傳輸。與TCP 協(xié)議相比，UDP 協(xié)議有如下特點(diǎn)：1） 不需要維護(hù)連接狀態(tài)，一臺服務(wù)器可同時向多臺客戶機(jī)傳輸相同信息；2） UDP 信息報額外開銷較小；3）主機(jī)不需要維持復(fù)雜的鏈接狀態(tài)表。故UDP 協(xié)議和數(shù)據(jù)包適合車上光纖數(shù)據(jù)總線這種傳輸距離短、數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用場景。

總線協(xié)議采取靜態(tài)傳輸協(xié)議的方式進(jìn)行多點(diǎn)控制。靜態(tài)傳輸協(xié)議中，各NT 在指令鏈表分配的周期性固定時隙中進(jìn)行光信號傳輸。時隙的長短由上位機(jī)通過NC 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置。由于以太網(wǎng)、PCIE 的數(shù)據(jù)流密度在總線使用的整個時間周期內(nèi)比較固定，所以在每個時隙中為不同的接口數(shù)據(jù)分配固定的子時隙。時隙的分配以數(shù)據(jù)重復(fù)周期來體現(xiàn)，每個大周期中包含若干個小周期，每個NT 獨(dú)占一個小周期，小周期內(nèi)包含全部的接口數(shù)據(jù)收發(fā)時隙，以及為時隙管理所單獨(dú)留出的時隙。大周期內(nèi)包含的小周期數(shù)目等于總線系統(tǒng)中NT 節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。大、小周期示意圖如圖2 所示。

圖2 時隙周期原理框圖Fig. 2 Block diagram of time slot cycle principle

系統(tǒng)時間周期分配 初定一個大周期為50 μs，由于總線包含3 個NT 節(jié)點(diǎn)，所以在總線系統(tǒng)的時隙周期中，每個大周期包含3 個小周期，在每個大周期內(nèi)，NC 節(jié)點(diǎn)輪流與各個NT 節(jié)點(diǎn)交換各接口數(shù)據(jù)。

422 總線 比特率 115.2 kb/s，每個字節(jié)1 起始位，8 數(shù)據(jù)位，1 校驗(yàn)位，1 停止位，共11 位，每個大周期內(nèi)接收約5.5 bit，由于信息量低，在總線上傳輸時間短（光口發(fā)送時間5.5×10-10s，即0.55 ns），故將其與CAN 總線數(shù)據(jù)一同打包傳輸。

CAN 總線 比特率500 kb/s，GTX 端收發(fā)均為串行，在每個大周期內(nèi)接收25 bit，在總線上發(fā)送時間為2.5×10-9s（2.5 ns），CAN 總線和422 總線在光接口上發(fā)送時間＜3 ns，所以在光纖總線中與422數(shù)據(jù)一起打包傳輸，在接收端進(jìn)行解碼，為這2 個低速數(shù)據(jù)分配0.1 μs（100 ns）的時隙。

以太網(wǎng) 時鐘頻率125 MHz，數(shù)據(jù)速率1 Gb/s，采用UDP 協(xié)議，每幀數(shù)據(jù)1546 字節(jié)，每個大周期接收5×104bit 數(shù)據(jù)，在總線上發(fā)送時間約為5 μs，故為以太網(wǎng)分配5 μs 的時隙。

PCIE 采用PCIE x1 接口，基準(zhǔn)時鐘頻率125 MHz，數(shù)據(jù)速率2 Gb/s，每個大周期接收105bit 數(shù)據(jù)，在總線上發(fā)送時間約為10 μs，故為其分配10 μs的時隙。

除此之外，系統(tǒng)在每2 個接口傳輸時隙中間分配了0.3 μs 的時長，即422+CAN 總線傳輸和以太網(wǎng)傳輸之間有0.3 μs 的間隙，以太網(wǎng)傳輸和PCIE傳輸之間有0.3 μs 的間隙，以此類推。同時，系統(tǒng)也為BC 時隙管理分配了0.8 μs 的時長。小周期內(nèi)接口間隙和BC 時隙管理的分配為系統(tǒng)提供了一定的傳輸裕度，可有效避免不同接口數(shù)據(jù)在傳輸過程中造成沖突和混淆，進(jìn)而在彼此之間造成數(shù)據(jù)干擾。至于系統(tǒng)的電磁干擾方面，由于數(shù)據(jù)長距離傳輸使用光纖，因此只要做好對NC 和NT 的抗干擾硬件設(shè)計，即可很好地避免系統(tǒng)受到電磁干擾的威脅。系統(tǒng)時隙分配如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)時隙分配Fig. 3 Allocation of system time slot

每個小周期的時隙長度為16.5 μs，每個NT 節(jié)點(diǎn)在分配給它的小周期內(nèi)與總線系統(tǒng)交換該節(jié)點(diǎn)各個接口的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)有3 個NT 節(jié)點(diǎn)，即每個大周期包含3 個小周期，則每個大周期的時隙長度為16.5 μs×3=49.5 μs，滿足車載總線系統(tǒng)50 μs 內(nèi)訪問所有NT 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的要求。經(jīng)過一個大周期的數(shù)據(jù)交換后，可以保證光線總線網(wǎng)絡(luò)中所有NT 節(jié)點(diǎn)都和NC 節(jié)點(diǎn)交換過數(shù)據(jù)。

時隙管理可以使光纖總線系統(tǒng)擁有盡可能大的容錯率，減少數(shù)據(jù)溢出，不會讓某個接口的數(shù)據(jù)一直處于壅塞無發(fā)送數(shù)據(jù)或空閑無接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

3 多接口融合設(shè)計

系統(tǒng)采用Zynq 架構(gòu)的FPGA 器件為硬件平臺進(jìn)行設(shè)計。在FPGA 平臺中，光線數(shù)據(jù)總線所使用的各接口是通過IP 核實(shí)現(xiàn)的，除了調(diào)用軟件開發(fā)平臺上現(xiàn)有的IP 核，還要針對車載光纖總線的特殊性來對IP 核進(jìn)行一定的編寫。由于需要在光纖和電接口之間進(jìn)行各種接口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，所以在FPGA 軟件中添加GTX，即G bit 收發(fā)器IP，用以滿足光纖高速傳輸?shù)男枨?。GTX 目前的線速度范圍為1 Gb/s～12 Gb/s，有效負(fù)載范圍為0.8 Gb/s～10 Gb/s，在光纖通道、PCIE、千兆以太網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。4 種接口與GTX 之間的邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 接口與GTXFig. 4 Block diagram of interface and GTX

CAN 總線 在光纖數(shù)據(jù)總線中，需要將CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合GTX 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，包括TX 和RX 兩個方向。同時由于軟件平臺自帶的AXI CAN IP 核是在AXI 接口和CAN 接口之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為了省掉AXI 接口轉(zhuǎn)換的步驟，提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率，故由開發(fā)人員編寫CAN 收發(fā)IP 核，并在這個新的IP 核中添加與GTX IP 核進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口。

422 總線 光纖數(shù)據(jù)總線中422 差分接口的實(shí)現(xiàn)需要通過外接422 接口芯片來實(shí)現(xiàn)，這樣在FPGA端所需要處理的信號就是收發(fā)2 個方向的單端信號。422 單端信號處理是通過開發(fā)人員編寫的IP 核來實(shí)現(xiàn)，在該IP 核中同樣添加了與GTX 交互的接口。

以太網(wǎng)和PCIE 由于以太網(wǎng)和PCIE 都是高速數(shù)據(jù)信號，需要較高的時鐘周期，所以在GTX 全局時鐘上以以太網(wǎng)時鐘為基準(zhǔn)，通過倍頻的方式兼容CAN、422 總線等低速信號的時鐘。

4 多接口數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證

根據(jù)以上的接口時序和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計了NT端FPGA 軟件的邏輯功能和軟件編寫，在FPGA 上進(jìn)行數(shù)據(jù)接口傳輸測試。將光纖數(shù)據(jù)總線的NC和NT 端與上位機(jī)相連接，實(shí)物圖如圖5 所示。

圖5 光纖數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)實(shí)物連接圖Fig. 5 Physical connection picture of optical fiber databus system

實(shí)物連接圖中試驗(yàn)臺上左一為NC，其余3 塊板子為NT。將光纖數(shù)據(jù)總線連接好之后，啟動傳輸測試程序，可以看到，在接口時序控制器的控制下，NC 根據(jù)事先設(shè)計好的時序依次向各NT 端的各個接口發(fā)送傳輸使能信號，進(jìn)而進(jìn)行各接口數(shù)據(jù)的傳輸。在每個接口的傳輸時隙到來時，NC 和每個NT 依次向GTX 發(fā)送和接收屬于本接口的數(shù)據(jù)。GTX 接口將不同時隙所傳輸?shù)慕涌跀?shù)據(jù)通過光接口發(fā)送和接收。不同的接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以在上位機(jī)上顯示出來，顯示結(jié)果如圖6 所示。各接口時序如圖7 所示。

圖6 接口傳輸數(shù)據(jù)在上位機(jī)的顯示圖Fig. 6 Display diagram of interface transmission data in upper computer

圖7 各個接口的時序圖Fig. 7 Time sequence diagram of each interface

5 結(jié)論

本文提出了一種基于FPGA 平臺的多接口融合光纖總線光網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計方法。設(shè)計重點(diǎn)在于將不同速率的接口所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過光纖總線傳輸。可以看到，在這種NT 設(shè)計中，各接口數(shù)據(jù)傳輸井然有序，沒有造成光纖總線的壅塞或者長時間空閑，可用于車載光纖總線平臺產(chǎn)品中。