基于直連以太網和TDM的分布式采集系統同步數據傳輸技術

亓盛元

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基于直連以太網和TDM的分布式采集系統同步數據傳輸技術

亓盛元

對于遙測數據采集系統，通過以太網來建立數據傳輸網絡是一種非常合適的方案。但是，由于以太網的CSMA/CD（載波監聽多路訪同和沖突檢測）特性，使得它不能夠保證數據傳輸的同步性。本文分析了分布式數據采集系統數據傳輸的重要特點，提出了一種通過以太網和時分多路復用技術來解決分布式數據采集系統數據同步傳輸問題的技術方案。

采用總線傳輸方式的數據采集系統已不能滿足飛行試驗分布式遙測系統的需要，因此，試飛測試工程師們將更多的關注集中于網絡化的數據采集系統。與普通的網絡數據傳輸不同，在分布式數據采集系統中，數據流傳輸的方向和目的具有確定性。也就是說， 在分布式數據采集系統中， 每個采集單元的數據通常都會通過交換機發送給一臺記錄器或者一個PCM網關。同時，在特定的時間周期內所要發送的數據總量也是一定的。此外，為了滿足實時處理和監控的要求，數據在傳輸時還保持時序。為了便于討論， 本文假設單個數據采集單元的輸出數據速率小于300Mbps， 總的數據采集速率不超過6Gbps。

因為以太網的適宜性，通過該技術來構建分布式的網絡化測試系統已成為一種趨勢。但是，由于其數據傳輸采用異步方式及其時間延遲的不確定性，因此，構建分布式遙測系統所使用的數據傳輸網絡，要使其性能更好，必須對以太網進行改進。

CSMA/CD 協議主要用于檢測多個網絡節點同時發送消息到同一目標節點的情況，一般是通過強制各個發送網絡節點等待一個隨機時間再重新發送信息來解決沖突問題，這種機制將導致數據在傳輸過程中會產生了一個不確定的時同延遲，并且發送信息到同一個目標節點的網絡節點越多，這個時間等待延遲將越長。不幸的是，這種情況正是分布式遙測系統傳輸數據的特點，例如所有的數據采集単元都發送數據到網絡中心節點——數據記錄器。因此，直接將以太網技術用于分布式遙測系統解決數據傳輸同題，這種時間延遲的不確定性將會更加嚴重 。

如何利用以太網的優勢，同時解決這種時間延遲的不確定性問題將在下文討論 。此外，下文還將介紹系統數據匯聚所使用的時分多路復用技術。

直連以太網

首先， 需要分析分布式數據采集系統中數據傳輸的特點。假定一個典型的系統由幾個數據采集單元（DAUs），一個中央數據匯聚單元 （CGU），一個記錄器和一個遙測傳輸單元組成。該系統的數據流情況如圖1所示。

顯然，在分布式數據采集系統中， 整個數據采集工作中每個數據流的方向都是確定的，同時各數據采集單元之間不存在數據流，并且各數據釆集單元采集的數據會被發送到同一個目的地。例如在圖1中， 所有數據采集単元采集到的數據都會被發送到記錄器，同時一部分數據會被發送到遙測傳輸單元。

如果單純使用以太網來解決上述分布式數據采集系統的數據傳輸的問題， 可以使用以太網交換機（系統時間同步通常支持 IEEE1588協議）作為中央數據匯聚單元，給記錄器及每個數據采集單元提供以太網訪問接口。這種方案是分布式數據采集系統使用以太網技術的常用方案。但是，當各數據采集單元同時發送數據到記錄器或遙測傳輸單元將會出現問題，CSMA/CD機制會導致數據發送產生不確定的時間延遲，這種時間延遲為了避免網絡信號沖突會同時會造成數據時間序列的混亂。

為了解決上述問題，本文討論采用直連以太網來代替以太網交換機。例如，在中央數據匯聚單元中配置了 l6個以太網模塊，一個以太網模塊連接一個數據采集單元（DAU），這樣每個 DAU與 CGU之間的以太網連接就是唯一的，DAU可將釆集到的數據使用獨立的連接通道立即發送給CGU。

記錄器可以集成在 CGU中，也可以是一個獨立的以太網記錄設備，在本文中， 為了獲得更高的系統帶寬，我們選擇將它集成在 CGU中。

CGU和時分多路復用

直連以太網雖然可以解決信號沖突的問題，但是對于完整的解決方案，這只是問題的一半。如何安排各個數據采集單元的數據在同一時刻到達同一目的地， 這是接下來要討論的問題。

為了保證 CGU能夠同步傳輸所有的釆集數據，即記錄器或者遙測傳輸單元所要接收的數據。在本文討論中我們需要的處理能力是不小于2.5Gb每秒。

如圖3所示，在 CGU中，我們設計了一種具有4個獨立以太網模塊的 DAU 接收器，同時在CGU的主板上有4條LVDS通道，一個DAU接收器可連接一條LVDS通道，每條 LVDS通道能以2.5Gbps的速率將DAU接收器的信號傳輸給記錄器模塊，在這里我們假定每個通道上的數據負載不會超過1.5Gbps。CGU中還包含一個數據輸出模塊，該模塊監聽4條 LVDS通道的信號，挑選預先配置的數據，然后將這些數據以 PCM格式發送給遙測傳輸單元或者直接以網絡數據包格式發送給其它以太網端口。

圖1　分布式數據采集系統中的數據流

圖2　采用直連以太網通道連接的數據采集系統

圖3　CGU的例子

在圖3所示的 CGU中，一個DAU接收器具有4個以太網模塊，每個以太網模塊可以獨立的直連一個 DAU接收其采集到的數據。CGU中的記錄器包含4個內存模塊，每個模塊連接一條LVDS通道同時下載該通道中傳輸的采集數據，內存模塊記錄數據的速率可以達到l.5Gbps，那么在該系統中記錄器的最大記錄速率可以達到6Gbps。

為了保證 DAU接收器傳輸數據到記錄器的同步性，在這里使用了 TDM技術。我們將 LVDS通道的2.5Gbps帶寬劃分為多個時同槽，例如 Al，B1，Cl，Dl，A2，B2，C2，D2， …，An，Bn，Cn，Dn， 每個時間槽的帶寬設置為2Mbps。那么，從 DAU1接收到的數據使用時槽A1，A2，...，An發送，DAU2使用 B1，B2，...，Bn，以此類推，就建立了4條比特率為600Mbps的虛擬數據通道，每條通道對應一個以太網模塊的輸出。如果每個 DAU的數據輸出不超過300Mbps，那么通過 DAU接收器傳輸的4路數據流就很容易的適應2.5G的 LVDS通道。這樣，DAU采集到的數據就可以同步的傳輸給記錄器，并且可以通過 PCM輸出數據到遙測傳輸單元。在這里，從以太網加載數據到LVDS通道的時間延遲是確定的，最大不會超過6ms。

系統時間和管理

時同同步機制對于一個數據采集系統十分關鍵，這樣DAUs可以同步采樣并且可以將時間標簽添加到采集的數據中。在上例中，CGU中包含 IRIG-B模塊，該模塊可以從外部時間源接收 IRIG-B碼和1PPS信號為整個系統提供時間基準服務。在本文討論中，時間信號是通過CGU的主板來傳送的。

我們修改了IEEE1588協議為整個系統進行授時。首先，沒有采用 CGU的時鐘用來計算系統時間同步延遲，時間同步延遲在這里是由每臺 DAU計算的。其次，同步時延的測量基準使用的是 DAU到 CGU之間的直連以太網的線路時鐘，而沒有使用CGU的時鐘，CGU時鐘主要用作外部時鐘源同步。在標準的l588協議中，由于CSMA/CD機制會引起的時間延遲的不確定性，延遲時間只能通過時間同步信號多次傳輸的平均值來估計。但是，在本案例中， 因為直連以太網沒有數據沖突且每臺 DAU的信號傳輸延時具有確定性，所以時間同步信號的傳輸延時可以明確的計算出來。在實際情況中，以上案例的時間同步精度已經達到了50ns。此外，我們還可以使用線路時鐘恢復技術對 DAU 的時鐘進行頻率同步。

同時，CGU會發送同步信號給每個DAU，可作為信號采樣控制、相機的快門控制的同步信號。同步信號通過以太網的一個虛擬通道進行傳輸，方向與數據通道的傳輸方向相反 。

總結

在分布式的數據采集系統中，數據傳輸與常規的網絡通信有很大不同，傳輸過程必須保證采集數據的時序不變，整個系統必須有一種定時機制確保數據采樣和系統控制的同步性。

對于數據采集系統，通過以太網和 IEEE1588來建立數據傳輸網絡是一種非常合適的技術路線。然而，以太網由于時延的不確定性和難以保證采集數據的傳輸時序，其很難滿足分布式數據采集系統的要求。

在本文中，釆用 TDM、直連以太網以及改進的IEEE1588協議，可以實現一種滿足飛行試驗使用要求的數據傳輸網絡，與此同時，和純以太網相比較，該方案提高了整個系統的數據傳輸帶寬。

亓盛元

中國飛行試驗研究院

亓盛元（1982-）男，陜西西安人，工程師，研究生，研究方向：飛行試驗機載測試技術。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.024