基于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的高可靠性分布式采集設(shè)計

易 敏 ，蘇淑靖

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，太原 030051）

隨著高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的一點對一點分布式采集結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足工業(yè)化應(yīng)用。數(shù)據(jù)記錄和采集設(shè)備在航空、工業(yè)領(lǐng)域中占據(jù)著重要的地位，多點數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用需求越來越廣泛，對其傳輸?shù)目煽啃砸笠苍絹碓絿?yán)格，特別是在大數(shù)據(jù)量采集和記錄的情況下迫切需要更高的可靠性和自糾錯能力。現(xiàn)有的點對點結(jié)構(gòu)和星形結(jié)構(gòu)的采集方法由于其在資源的利用率、成本、功耗等方面的限制已難以勝任多點之間數(shù)據(jù)采集與通信的任務(wù)，而且現(xiàn)有的分布式采集也存在可靠性低和傳輸速率低的問題[1-3]。

因此采用新的硬件結(jié)構(gòu)以及新的通信協(xié)議解決多點數(shù)據(jù)采集的問題顯得日益重要，冗余技術(shù)以及差錯控制編碼的出現(xiàn)，對解決分布式數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)目煽啃詥栴}提供了可能，而LVDS技術(shù)的應(yīng)用提高了本設(shè)計的傳輸速度。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計

大部分分布式采集都是計算機控制，主要采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：星型和環(huán)型。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是用一個節(jié)點作為中心節(jié)點，其他節(jié)點直接與中心節(jié)點相連而構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，其常用示意圖如圖1所示。若使用星形作為分布式采集的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則需要耗費大量的電纜，會增加安裝和維護的工作量，而且各站點的分布處理能力較低，這些缺點使得星形結(jié)構(gòu)在高效分布式采集中受到很多的限制。

圖1 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Star Topology

環(huán)型結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)中若干節(jié)點通過點到點的鏈路首尾相連形成一個閉合的環(huán)，這種結(jié)構(gòu)使公共傳輸電纜組成環(huán)型連接，數(shù)據(jù)在環(huán)路中沿著一個方向在各個節(jié)點間傳輸，數(shù)據(jù)流從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點，通常這類網(wǎng)絡(luò)也稱之為“令牌環(huán)網(wǎng)”[4]（如圖2所示）。在分布式采集中，使用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)具有實現(xiàn)簡單、投資最小、傳輸速度較快以及電纜長度短的優(yōu)點，它可以簡化分布式路徑選擇的控制，而且控制軟件簡單。當(dāng)需要增加或減少記錄儀時，僅需簡單的連接操作，就可以增加分布式網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)。故在本設(shè)計中采用環(huán)網(wǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集。

圖2 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Ring Topology

2 物理層接口

低壓差分信號LVDS（low voltage differential signaling）技術(shù)是一種低電壓擺幅的數(shù)據(jù)傳輸和接口技術(shù)。低功耗、低的電磁干擾（EMI）和出色的抗噪聲性能等優(yōu)點使得LVDS在遠(yuǎn)距離傳輸中應(yīng)用非常廣泛，數(shù)據(jù)速率能夠達到3 Gb/s以上。LVDS的典型信號擺幅為350 mV，對應(yīng)的功率很低，因此，LVDS是一種效率極高的技術(shù)。為了滿足至少200 Mb/s傳輸速率的要求，本設(shè)計中采用LVDS的物理層接口技術(shù)。設(shè)計中設(shè)備之間采用點對點的連接結(jié)構(gòu)。

延展器的使用可以實現(xiàn)信號無衰減的長線通信，在本設(shè)計LVDS的發(fā)送端和接收端都使用一對電纜延展器 （DS15BA101 和 DS15EA101）[5]，保證了至少25 m通信的信號完整性以及抗噪聲性能。其中，DS15EA101作為信號調(diào)理的接收器，DS15BA101作為與之匹配的電纜驅(qū)動器。而且單個驅(qū)動器和接收器對的互連結(jié)構(gòu)很簡單，可以很好地控制信號路徑中的阻抗，保證極高的數(shù)據(jù)傳輸率。

DS92LV18芯片是18位總線LVDS串化/解串器，其具有獨立的發(fā)送和接收控制時鐘、使能和電源中斷引腳，工作頻率范圍在15～66 MHz之間，為達到高速串化/解串的目的，通道的數(shù)據(jù)傳輸接口都用此芯片作為LVDS總線傳輸?shù)陌l(fā)送端和接收端。冗余技術(shù)能有效提高系統(tǒng)的可靠性，因此在設(shè)計中增加一條通道作為冗余通道[6]。

3 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)字信號在傳輸?shù)倪^程中，容易受到噪聲的干擾，導(dǎo)致碼元波形變壞，使接收到的數(shù)據(jù)出錯。為提高傳輸?shù)目煽啃裕跀?shù)據(jù)傳輸之前將數(shù)字信號進行差錯編碼，降低誤碼率。正反碼是一種簡單的能夠糾錯的編碼，其監(jiān)督位數(shù)目和信息位數(shù)目相同。圖3給出本設(shè)計編碼和解碼規(guī)則。

圖3 編碼/解碼規(guī)則Fig.3 Encode/decode rules

若信息位為01101011，則監(jiān)督位為01101011，發(fā)送碼組為“信息位+監(jiān)督位”；當(dāng)“信息位⊕監(jiān)督位”結(jié)果全為‘0’時，由于接收碼組中‘1’個數(shù)為奇數(shù)，所以校驗碼組就是00000000，此時傳輸無錯碼。正反碼具有糾正1位錯碼的能力，設(shè)計中正反編碼的應(yīng)用，提高了分布式數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r可以降低傳輸?shù)恼`碼率。

4 分布式采集方法實現(xiàn)

4.1 分布式采集控制

計算機完成分布式采集的控制、數(shù)據(jù)分析和存儲，數(shù)據(jù)綜合器作為多點采集的控制中心。計算機軟件下發(fā)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)拿睿⑼ㄟ^高速USB外圍控制器CY7C68013讀回采集到的數(shù)據(jù)并對結(jié)果進行分析。數(shù)據(jù)綜合器通過給節(jié)點發(fā)送采集命令和地址控制采集的節(jié)點，通過回收的節(jié)點結(jié)束命令結(jié)束該節(jié)點的讀數(shù)，并控制下一個節(jié)點的采集，從而實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)各站點的采集功能。主控卡和數(shù)據(jù)綜合器之間采用雙絞線連接，主控卡將采集到的信號編碼，并通過LVDS芯片串化后發(fā)送給數(shù)據(jù)綜合器，數(shù)據(jù)綜合器的LVDS芯片對數(shù)據(jù)進行解串并在解碼后發(fā)送給計算機。

4.2 分布式采集方法

設(shè)計中采用環(huán)網(wǎng)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖2所示），在采集之前，計算機需要給每個采集節(jié)點分配地址，作為節(jié)點標(biāo)志。每個節(jié)點由電源卡供電，主控卡作為采集和傳輸控制卡，0卡/1卡為采集卡，環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中有N個記錄儀，地址/命令/數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流向如圖4所示。在分配完地址后，數(shù)據(jù)綜合器上傳網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采集節(jié)點的個數(shù)給計算機，以便完成循環(huán)采集的命令。完成先采集記錄儀1的0卡和1卡各一幀數(shù)據(jù)，每個記錄儀1環(huán)路周期內(nèi)總共采集2幀數(shù)據(jù)，接著采集記錄儀2的0卡和1卡，繼續(xù)下去，當(dāng)循環(huán)采集完整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點各卡的一幀數(shù)據(jù)后就相當(dāng)于完成了一次分布式采集指令。

圖4 地址/命令/數(shù)據(jù)流向圖Fig.4 Address/order/data flow graph

數(shù)據(jù)綜合器和主控卡的配合是采集過程實現(xiàn)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)綜合器在接收到計算機通過CY7C68013 USB接口下發(fā)的采集命令后，打開其FPGA內(nèi)部的控制程序，以“地址+讀幀命令”格式的形式發(fā)送給第一個記錄儀的主控卡，主控卡先判斷地址是否匹配，如果匹配則接收讀幀命令，讀幀命令使得在線讀數(shù)有效，當(dāng)?shù)谝粋€記錄儀的1卡的幀結(jié)束標(biāo)志傳回綜合器后，綜合器發(fā)送結(jié)束命令，并將地址加1，繼續(xù)以同樣的格式下發(fā)給網(wǎng)絡(luò)，此時第二個記錄儀的讀幀命令有效，開始采集該記錄儀0卡和1卡的數(shù)據(jù)。

循環(huán)一周后，各站點完成一次數(shù)據(jù)采集后，將地址初始化，繼續(xù)下一個采集周期，這樣就實現(xiàn)了基于環(huán)網(wǎng)總線結(jié)構(gòu)的分布式數(shù)據(jù)采集，一個采集周期的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 1環(huán)路周期數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.5 A loop cycle data structure

結(jié)束命令使得當(dāng)前記錄儀地址匹配無效，為讀取下一個記錄儀數(shù)據(jù)提供方便，如果地址不匹配則記錄儀不執(zhí)行采集命令，如果地址匹配則采集該記錄儀的2幀數(shù)據(jù)。分布式循環(huán)采集的具體實現(xiàn)流程圖如圖6所示。

5 實驗結(jié)果

本設(shè)計采集3個記錄儀設(shè)備，經(jīng)過多次測試，證明了采集與傳輸?shù)母呖煽啃浴D7是分布式采集系統(tǒng)的計算機采集并記錄的一段數(shù)據(jù)，每個記錄儀的兩卡都發(fā)送自增數(shù)，各記錄儀設(shè)備之間采用25 m的雙絞線連接，實線框內(nèi)的“14+6F”為一個環(huán)路標(biāo)志，虛線內(nèi)為各個記錄儀的兩幀數(shù)據(jù)，“EB+90”為幀頭，“84/85”為第一個記錄儀設(shè)備“0卡/1卡”兩卡標(biāo)志，“88/89”、“8C/8D” 為第二個/第三個站點設(shè)備地址，其中每個站點都有兩張采集卡，11為采樣率，00～0F為采集卡發(fā)的自增數(shù)，測試中LVDS的通信容量為240 Mb/s。通過這樣的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，可以方便地使用計算機分析。測試10次10G的自增數(shù)大小實驗都沒有出現(xiàn)誤碼和丟數(shù)的情況。

圖6 循環(huán)采集流程圖Fig.6 Acquisition cycle flowchart

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的高可靠性分布式采集設(shè)計，整個設(shè)計參照了局域網(wǎng)中環(huán)形拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，物理層上采用雙通道15～66 MHz的LVDS串化解串器、同時增加了線纜驅(qū)動器和均衡器，數(shù)據(jù)鏈路層運用正反差錯控制編碼方式，硬件和軟件部分都提高了采集可靠性。該設(shè)計已經(jīng)可以實現(xiàn)最大240 Mb/s的高可靠性的分布式數(shù)據(jù)采集與傳輸，并具有速度高、可靠性高、實現(xiàn)簡單以及功耗低的特點，在工業(yè)化應(yīng)用中具有很高的使用價值和參考價值。

[1] 陳寧，徐春雷，莊衛(wèi)金，等.地縣一體化調(diào)度自動化系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)采集方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2011，35（24）：89-92.

[2] 李振華，王志新，張華強.分布式無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法[J].自動化儀表，2010，31（5）：73-78.

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[4] 單彥虎，甄囯涌，李圣昆.基于令牌環(huán)的LVDS總線協(xié)議設(shè)計與實現(xiàn)[J].電測與儀表 2010，47（3）：77-80.

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[6] 王珍熙.可靠性·冗余及容錯技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1991.