一种多路数据自适应复接技术的研究

2016-01-27吕小凤

无线电工程 2015年12期

关键词：时隙数据源时钟

吕小凤，张　闯，李　娟

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081；

2.石家庄市公安局长安分局，河北石家庄 050000;

3.中国人民解放军75770部队，广东广州 510010)

一种多路数据自适应复接技术的研究

吕小凤1，张闯2，李娟3

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081；

2.石家庄市公安局长安分局，河北石家庄 050000;

3.中国人民解放军75770部队，广东广州 510010)

摘要针对地空信息系统中地空设备交互通信的数据种类繁多、交互方式复杂多样的特点，对现有地面设备的对外I/O接口进行了简要介绍，基于接口数量有限的硬件限制，在原有的一对一数据通信的基础上，提出了一种多路数据自适应复接技术，根据各阶段传送的数据源的类型、速率和路数的不同，给出了具体实现方法，并进行了仿真。仿真结果表明，该技术自适应能力强、复接功能正常。经过实际系统测试，性能良好，满足系统设计要求。

关键词地空信息传输系统；数据源；自适应；复接

Research on a Multi-channel Data Adaptive

Multiplexing Technology

LV Xiao-feng1,ZHANG Chuang2，LI Juan3

(1.The54thResearchInstituteofCECT,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.Chang’anPoliceOfficeofShijiazhuang,ShijiazhuangHebei050081,China;

3.Unit75770,PLA,GuangzhouGuangdong510010,China)

AbstractIn view of varied communication data and interactive mode of interactive communication of ground-air information system,the external I/O interfaces of existing ground equipment is introduced briefly.Based on limited number of interface and inherent one-to-one data communication,this paper proposes a multi-channel data adaptive multiplexing technology,and provides typical implement methods according to different data source type,data rate and quantity of channel in various phases.The simulation and analysis results show that this technology has high adaptability and normal multiplexing function.The practical test proves that it has better performance and can meet the requirement of system design.

Key wordsground-air information system;data source;adaption;multiplex

0引言

地空信息系统是采用空中设备、数据链、地面设备和计算机网络等综合技术交互通信的复杂信息化系统。在飞行过程中，实时控制并监测飞行器的各种状态信息是保证系统安全的重要手段之一。

随着信息化时代的高速发展，地空通信需要交互的数据量急剧增加。常规地空信息系统中，数据传输采用的是一对一I/O接口传送模式，当多路数据进行交互时，需要使用到多个I/O接口。不管是空中设备还是地面设备，都不能实现对外接口数量的无限大。对于庞大的数据量，传统的系统方案通常采用增加链路信息传输帧的长度，以便在一帧数据中传输更多的信息，高效利用有限的接口。这种增加数据帧中有效信息的方法使得系统数据帧结构多样，不仅加大了设计人员的工作量，同时也降低了设计的通用性和系统的可靠性。多路数据自适应复接技术更有利于这种需要实时交互通信的信息系统，使多路数据通过同一信道自适应传输，满足大量的数据在有限接口上的传输需求。

1数据复接技术

地空信息系统的地面设备和空中设备分别是由多个不同功能的子设备组成，地空交互通信时，所有子设备的信息要实现数据交换。为了提高信道的利用率需要使多个子设备的状态信号在同一条信道上传输且相互之间不产生任何干扰，这种传输方式就是数据复接[1]。

自适应数据复接示意如图1所示，包括分频处理、多路数据接收和自适应复接3大模块[2]。其中，自适应复接模块功能又细分为码速调整和多路数据复接输出控制2个部分。在外部时钟控制下，利用分频模块对时钟信号进行分频处理，得到系统中需要的不同速率的控制信号，为系统提供统一的基准时钟[3]；系统各子设备的信息通过数据接收模块完成输入数据处理；码速调整单元是把速率不同的各子设备信号调整成与复接输出定时完全同步的数字信号，以便由复接单元把各个子设备信号复接成一个数字流；多路数据复接控制输出模块控制复接输出时各分路的选通，根据接口状态控制子设备信息通过，依次循环控制，完成自适应复接输出。

图1　多路数据复接示意

2自适应数据复接的设计与实现

地空信息系统地面设备对外I/O硬件接口通常采用TTL、RS422、RS485、LVDS和MLVDS等接口形式。地面发送单元采用32.768 M的晶振作为外部时钟输入，地面设备包含4个子设备，在地空通信的各阶段，4个子设备不需一直发送设备信息，地面发送单元完成对4个地面子设备信息的自适应复接。

2.1时钟分频设计

时钟设计的稳定与否直接影响系统的稳定性和可靠性[4]。为了提高时钟的可靠性降低时钟的延时抖动，提高时钟的驱动能力，从而更好地完成数据复接[5]，本设计的主时钟将外部时钟从芯片的全局时钟管脚输入，使用alter公司的PLL对输入的外部时钟倍频[6]，然后用DDS模块进行分频处理，分别产生16.384 M、16倍波特率等送入数据复接模块。

2.2多路数据接收

子设备数据每个时隙10 bit的定义为：1 bit起始位、8 bit数据位和1 bit停止位，起始位用逻辑值“0”表示，停止位用逻辑值“1”表示，停止位后是不定长的空闲位。根据异步信号的通信规则，没有信号时数据线表现为高电平。数据接收模块使用16倍于数据流的高速时钟对子设备串行数据流进行采样，当检测到信号下降沿后，表示数据的起始电平可能到来，这时采样器会使16分频的计数器复位[7]，如果在9个高速脉冲内对输入信号的同1 bit采样3次得到至少2个高电平，则说明刚才是干扰信号，系统又回到起始状态；如果信号仍维持低电平，则表示数据起始电平已经到来，计数器开始工作，并提取10 bit数据中的有效数据位，将串行数据流转换成8 bit并行的数据流。

2.3自适应复接

地面发送单元需要复接的各子设备的数据类型和速率不同，必须进行码速调整，将这些异步信号调整成同步信号。

子设备的数据是按照一定的帧格式来进行发送的，帧是数据传输的基本单位，包括控制信息和有效的数据块[8]，对多路子设备数据进行码速调整前，需先检测帧的正确性和完整性。数据按周期传送，每个周期内有效传输时间较短，为了避免数据丢失，要使用存储器对接收到的有效字节流进行缓存。本设计使用FPGA内部嵌入的双端口RAM作为数据的缓存器，并划分了2个存储区，实现2帧数据缓存。RAM的2个端口分别对不同的存储区进行数据的读写，读写操作可同时进行，分别由不同的时钟和使能控制，实现数据的无缝缓冲[9]。自适应复接功能设计如图2所示。

图2　自适应复接功能设计

数据接收模块输出字节流送往本模块的有效帧检测单元，按系统要求对帧头和帧标识等帧内容进行二判二匹配判定，匹配成功后，继续接收帧内其他数据，收到一帧完整的有效帧后，输出一个有效帧标志frmFlag*并送往复接输出控制单元，同时有效帧字节流写入双口RAM缓存，写时钟使用16倍波特率钟，写使能为一个脉冲信号，信号宽度为有效帧整帧长度，复接输出控制单元接收frmFlag*标识用于检测RAM缓冲区内数据的写入情况，当检测到frmFlag*标识的上升沿到来时，表示RAM内已至少写入了完整的一帧有效数据，此时，用send*标识置逻辑值“1”表示该子设备数据可以用于复接输出，用16.384 M高倍钟将已存入缓冲区的该子设备数据帧读出，读满一帧，send*标识清零等待下一帧复接输出；用wrAddrH*确定下一帧数据的缓存区域。每个子设备数据分别缓存在对应的双口RAM中，每个RAM都设置了2个缓存区，缓存区1写入数据时，复接数据选择读出缓存区2的数据，读写数据互不干扰，读时钟频率高，写时钟频率低，数据写入慢，读出快，避免数据在未读出的情况下，该缓冲区又要存入新的数据，造成数据丢失。复接控制单元控制复接输出时，通过send*标识依次检测地面发送单元中对应子设备的接口是否有数据输入，若无，则跳过该接口继续检测下一接口的数据输入情况(*有效取值范围：1～4)。

2.4系统仿真

在Quartus II开发平台上，用verilog语言进行程序设计，并用Modelsim SE软件进行系统仿真。4个子设备数据源中子设备1采用TTL电平串行接口，数据波特率为38.4 kbps，帧周期为4 ms，每帧包含8个时隙，每个时隙有10 bit二元码；子设备2采用TTL电平串行接口，数据波特率为38.4 kbps，帧周期为4 ms，每帧包含8个时隙，每个时隙有10 bit二元码；子设备3采用RS422电平串行接口，数据波特率为115.2 kbps，帧周期为2 ms，每帧包含10个时隙，每个时隙有10 bit二元码；子设备4采用RS422电平串行接口，数据波特率为115.2 kbps，帧周期为2 ms，每帧包含10个时隙，每个时隙有10 bit二元码。实际系统中，各数据源帧周期要大得多，由于仿真量大，为了减少等待时间，适当调整了数据源帧周期，缩短传输过程中有效数据间的空闲时间。

若4个子设备同时发送数据，仿真结果如图3所示。

图3　4路数据复接仿真

若4个子设备只有子设备1、2和4发送数据，仿真结果如图4所示。

图4　3路数据复接仿真

若4个子设备只有子设备1和3发送数据，仿真结果如图5所示。

图5　2路数据复接仿真

图3、图4和图5中，btyeClk*、data*是子设备数据源经过数据接收模块处理后输出的字节钟和字节流，dout是自适应复接后输出的高速复合字节流。当复接模块同时接收到多个子设备的有效帧标识frmFlag*时，按照软件设计中排列的设备顺序依次复接输出。仿真结果可以看出，子设备随意调整，复接结果依然正确，自适应功能强大(*有效取值范围1～4)。

3结束语

数据复接在通信电路中广泛使用，本文提出了一种基于FPGA对多路异步数据进行自适应异步复接的方法，设计采用按帧复接，这种方式不破坏原来各支路的帧结构，有利于信号的交换处理[10]。该设计已应用到实际的地空信息系统中，具有一定的实用价值，同时由于该设计采用verilog语言完成电路的软件设计，易用性和可移植性得到了加强，不仅使硬件功能的设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用性。

参考文献

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[2]张喜山.用FPGA实现数字复接[D].成都：电子科技大学，2002.

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[4]段有为.FPGA设计中时钟设计的探讨[J].无线电工程，2007，37(5)：62-64.

[5]王志，石江宏，周剑扬，等.同步数字复接的设计及其FPGA实现[J].电子技术应用，2005(4)：77-80.

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[10]张秀峰.基于FPGA的数字复接技术的研究[D].西安：西安理工大学，2011.

吕小凤女，(1983—)，工程师。主要研究方向：数字信号处理。