（物理电子学专业论文）基于千兆以太网的led显示屏控制系统冗余技术的研究.pdf

摘要 摘要 现有l e d 显示屏控制系统以单向开路的方式进行数据传输，在任意一个传输 通路上发生故障时，l e d 显示屏都不能正确显示。针对这一问题，本文提出了双 向坏路冗余方案。双向坏路冗余方案采用千兆以太网技术，在数据通路中构建双 向传输环路，使每个接收卡有两个数据流输入。这种方式增加了备用数据通路， 可以提高数据传输的可靠性。 理论计算表明，该方案比单向丌路方案的数据传输可靠性提高了约1 7 倍。测 试结果也表明，采用了双向坏路冗余方案的l e d 显示屏控制系统，数据传输的容 错能力增强，可靠性增加。 关键词：l e d 显示屏冗余技术千兆以太网双向环路冗余 a b s t r a c t 3 一一 a b s t r a c t t h ee x i s t i n gc o n t r o ls y s t e mo fl e dd i s p l a yt r a n s m i t sd a t aw i t hu n i d i r e c t i o n a lo p e n c i r c u i tw a y , b u ti fa n yo n eo ft r a n s m i s s i o np a t h sw a so nt h ee v e n to ff a i l u r e ，l e d d i s p l a yw o u l dn o ts h o wc o r r e c t l y i nr e s p o n s e t ot h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa b i d i r e c t i o n a ll o o pr e d u n d a n c yp r o g r a m t h i sp r o g r a ma d o p t s t h eg i g a b i te t h e m e t t e c h n o l o g yt ob u i l dab i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o nl o o pi n t h ed a t ar o u t et om a k ee a c h r e c e i v e r c a r dh a v et w oi n p u td a t as t r e a m s ；i ti n c r e a s e sab a c k u p d a t ar o u t ea n d i m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n s t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ss h o w e dt h a tb i d i r e c t i o n a ll o o pr e d u n d a n c yp r o g r a mc a n i m p r o v e t h ed a t at r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yb y a b o u t1 7t i m e sc o m p a r e dw i t h u n i d i r e c t i o n a lo p e nc i r c u i tp r o g r a m t h et e s tr e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h ef a u l t _ t o l e r a n c e a n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hu s e db i d i r e c t i o n a ll o o pr e d u n d a n c yp r o g r a m w a sl a r g e l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：l e dd i s p l a yr e d u n d a n c yt e c h n i q u e g i g a b i te t h e r n e t b i d i r e c t i o n a ll o o p 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：蕉衅 日期三堕堑l 虹 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于公开，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：丝垫辉 导师签名： 同期2 竺主。圣! 翌 日期幺! 呈墨三。李： 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 伴随着l e d 显示屏技术的不断发展，l e d 显示屏被广泛用于体育场馆、市政广 场、道路交通、金融证券交易、广告传媒等信息显示领域。发光效率高、使用寿 命长、大视角范围、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点【2 】，使l e d 显示 屏成为最具优势的新一代广告宣传和信息传播的载体。l e d 显示屏系统规模不断 扩大，复杂度不断提高，使系统的可靠性问题更加突出。作为l e d 显示屏系统的 核心，控制系统的可靠性尤其重要。作为提高系统可靠性的重要方法，冗余技术 逐渐被关注并研究。 而l e d 显示屏控制系统具有数据传输量大、空间结构分散的特点，使数据传 输成为控制系统中一个重要且关键的环节。本文以提高数据传输可靠性为目标， 将千兆以太网技术引入l e d 显示屏控制系统，进行冗余技术研究与设计。 1 2 研究背景及意义 1 2 1 l e d 显示屏行业发展趋势 l e d 显示屏是上世纪8 0 年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体。 它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成显示屏体，集微机控制技术、 视频技术、光电子技术、微电子技术、通信技术、数字图像处理技术于一体，是 一种高新技术产品。 发光二极管( l e d ) 在2 0 世纪6 0 年代木作为一种新的半导体显示器件诞生。 在2 0 世纪8 0 年代，发光二极管丌始用于制作l e d 显示屏。之后，l e d 显示屏便以迅 猛的速度发展，在不到5 0 年内，发展成为一个庞大的产业。目前，这个产业在全 球范围内已经达到了每年数百亿元的市场规模，并且仍然处在调整增长之中 经过几年的发展，我国l e d 显示屏产业发展目前己初具规模，基本形成了一 批具有一定规模的骨干企业【3 】。2 0 0 7 年，全国各种类型和规模的l e d 显示屏生产制 造企业估计有3 0 0 4 0 0 家，各类l e d 显示应用产品生产企业在1 ，0 0 0 家以上。截至 2 0 0 7 年底，加入中国光学光电子行业协会l e d 显示应用分会的企业达到1 9 7 家，这 些企事业基本涵盖了全国主要的l e d 显示屏企业。据中国光学光电子行业协会l e d 显示屏统计，2 0 0 7 年1 2 7 家会员企业的销售总额约为6 0 1 亿元人民币，依此估算， 全国l e d 显示屏市场销售总额在7 2 亿元人民币左右，比2 0 0 6 年的5 0 亿元增长了 4 4 。在显示屏行业协会对1 2 7 家单位所做的统计中，6 0 1 亿元人民币销售总额中， 2 基- 丁千兆以太网的l e d 显示屏控制系统冗余技术的研究 出口额为1 1 5 亿元人民币，! ：1 , 2 0 0 6 年有较大幅度增长；企业从业人数为1 6 3 5 6 人， 其中管理人员2 7 2 9 人，占从业人数的1 7 ；科技人员4 3 4 1 人，占到从业人数的2 7 ； 生产工人数8 0 0 0 人，占到从业人数的5 0 以上。 在我国的l e d 显示应用产业领域，已经形成了一批引领行业发展的龙头企业 队伍，其中最具规模的企业年销售额已突破4 亿，其中仅出口额就达到了1 亿元以 上。随着l e d 器件材料性能的不断提高和控制电路的技术提升，l e d 显示屏已经得 到了广泛的应用，市场空间会有更大的拓展。以l e d 显示为主的景观亮化、广告 展示宣传、装饰工程等市场迅速崛起，已形成一定规模的市场需求1 4 j ，l e d 显示屏 市场将会保持更高的增长。 1 2 2 现有l e d 显示屏控制系统架构及不足 图1 1 现有l e d 显示屏控制系统示意图 现有l e d 显示屏控制系统架构如图1 1 所示。整个控制系统由控制器、分配器 第一章绪论 以及接收卡阵列构成【5 。控制器从工控机上获取d v i 视频源，通过光纤将视频数据 传输到分配器。分配器将视频数据分为n 路输出，以l v d s 通信接口分发到接收卡 嘲。接收卡级联，每列带载m 行接收卡，就形成了m 行n 列的接收悟阵列。每个接 收卡从视频流中截取自己所对应的那部分数据，经过变换和驱动后送到l e d 灯扳 上显示吼 每个接收卡不仅要接收自己所要显示区域的视频数据，还要接收并传输所在 列的整个区域的视频数据。每列中的接收卡都从上一行的接收卡得到视频数掘， 然后再传输到下一行的接收卡。例如：接收卡2 l 从接收卡1 l 获取整列的视频数据， 截取它要显示的那部分数据后将视频数据义下传到接收卡3 i 。接收卡3 1 也作一 样的操作，一直将视频数据传输到接收卡m i 。 在这种结构中，只要每列中任意两个接收卡间的数据传输出了故障，则这一 列的后续接收卡都不能接收到数据而无法正常工作。在l e d 显示屏控制系统中， 接收卡及其问连接线数量多、连接繁琐，系统整体数据传输可靠性下降。在工程 实践中，也确实有数据传输故障而引起的l e d 显示屏显示错误的现象。图1 2 为数 据传输故障时l e d 昂示屏r 的罔像。 囝l2 数据传输敞蹄导致的l e d 显示屏显示出错幽 该图所示l e d 显示屏的显示配置为：整个屏体有2 5 列4 行接收卡，每个接收卡 驱动3 2 列1 2 8 行像素。图中所示为第1 9 列第2 行接收卡出了问题，所以第1 9 列第2 行 4 基于千兆以太网的l e d 显示屏控制系统冗余技术的研究 及第3 、4 行接收卡所对应的区域都没有视频数据而黑屏。 系统中每个接收卡只有一个数据获取通道，一旦这个通道出了故障，则后面 所有的接收卡都会受影响。这是现有l e d 显示屏系统的不足之处，也是本文主要 解决的问题。 1 3论文的主要研究工作及安排 1 3 1论文主要研究工作和创新点 现有l e d 显示屏控制系统采用l v d s 接口，以单向环路传输方式进行数据传 输。系统中任意一个数据传输通道有了故障，则会有一整列图像受到影响。针对 这一问题，为了提高系统数据传输可靠性，本文提出了双向环路冗余方案，并对 基于该方案的l e d 显示屏控制系统进行了设计与实现。 本文的创新点为： 提出了双向环路冗余方案。理论分析计算表明：本文采取的双向环路冗余 方案的可靠性比现有数据传输方式提高了约1 7 倍； 将千兆以太网技术引入系统，以千兆以太网物理层芯片为数据传输j 芭= 片， 实现了双向环路冗余方案。 1 3 2 论文的章节安排 本文分为六章，其中第二章和第三章是本文的重点。各章内容安排如下： 第一章结合l e d 显示屏的行业发展现状和现有l e d 显示屏控制系统的不足，提 出了本文的研究内容，同时给出了本文的章节安排。 第二章提出了双向环路冗余方案。该方案在数据通路中构建双向传输坏路， 使每个接收卡都有两个数据来源可选。当一个传输通路发生故障时，接收卡可以 选择另外一路数据显示或转发。通过理论计算发现，与现有单向开路传输方式相 比，双向环路冗余方案可以将数据传输可靠性提高约1 7 倍。双向环路冗余方案要 求硬件通信接口支持全双工、连接检测等功能，本章后半部分对几种常用硬件通 信接口进行了比较，确定了用千兆以太网来实现双向冗余设计。 第三章详细介绍了通过f p g a 实现基于千兆以太网的双向环路冗余方案过程。 g m i i 和r g m i i 是干兆以太网物理层与m a c 层连接的两种标准，系统选择较为简单 的g m i i 接口，使用f p g a 实现了千兆以太网物理层的双向数据传输。本章制订了基 于千兆以太网物理层的通信协议，增加了s r i 、c r 等信息。基于对这些信息的检测， 接收卡实现了双向自动检测及故障处理，分配器实现了传输通路的故障检测和定 位。 第一章绪论 第四章详细介绍了基于双向环路冗余方案的l e d 显示屏控制系统设计，分别 对控制器、分配器、接收卡的设计进行了描述。在控制器中，m c u 和f p g a 是设计 的核心。制订了m c u 与p c 机的串口通信协议并在m c u 程序中实现：利用m c u 对 f p g a 进行p s 方式配置，使系统易升级；采用f p g a 操作光纤接口芯片，实现与分 配器的高带宽通信。在分配器和接收卡中，主要介绍了千兆以网接口的硬件设计， 实现了双向环路冗余方案。 第五章分别对控制器、分配器、接收卡进行了硬件调试、软件调试，以及系 统整体联调。系统调试成功后，对双向环路冗余方案的效果进行了测试，并对调 试和测试结果做了分析。 第六章总结了本文工作，展望了今后的工作重点。 第二章系统冗余方案论证 7 第二章系统冗余方案论证 在1 2 2 节分析了现有l e d 显示屏控制系统的不足：系统中每个接收卡只有一 个数据获取通道，一旦这个通道出了故障，则后面所有的接收卡都会受影响。 要解决这个问题，提高数据传输的可靠性，有两种方法：避错法和容错法。 避错法就是采用高可靠的元器件并对其进行老化筛选，仔细进行印制板布线，对 生产、安装进行严格的质量控制等手段，以争取减少故障的可能性。容错法，则 是利用冗余的资源使系统内部具有一种能力使得系统在故障的情况下，能够正常 运行或降级运行。容错设计的基本思想是容忍故障的存在瞵j 。 硬件系统在设计之初一般都会考采取避错措施，但故障仍然在所难免，所以 系统的容错措施也必不可少。本章针对现有l e d 显示屏控制系统的不足，提出了 双向环路冗余方案，并对该方案进行了论证。 2 1 双向环路冗余方案 现有l e d 显示屏控制系统以单向丌路方式进行数据传输，视频数据只能从上 向下传，且传到最后一个接收卡后结束。双向环路从两方面进行改进：一是将数 据传输通道由开路改为环路，最后一个接收卡连接到分配器上；二是将单向数据 传输改为双向数据传输，每个接收卡都有两个视频数据通道可用。 如图2 1 所示，双向数据通路使每个接收卡有两路数据可用，在个数据通道 出故障时，可以自动切换到另外一路数据，提高了系统的容错能力。环路结构一 方面为实现双向数据通路提供了物理通道，另一方面为分配器在数据通道有故障 时发现并定位故障提供了条件。 基于千兆以太网的l e d 显示屏控制系统冗余技术的研究 图2 1 双向环路冗余方案示意图 2 1 1 双向环路冗余方案中系统工作过程分析 由于每列接收卡都独立且类似，我们只以一列接收卡为例来分析双向坏路冗 余方案中系统的工作过程。 如图2 2 所示，每列接收卡对应分配器端e a 矛i 端口b 两个端口。端i z i a 和端口 b 同时发送数据包，数据包中不仅包括这- n 接收卡所需的视频数据，还要包含额 外两种信息：分配器端口的信息、接收卡信息。端n a 发送的数据包中有端口a 的 信息，端e b 发送的数据包中有端口b 的信息，这些信息在数据传输过程中不被改 变；接收卡信息是用于记录该列的接收卡个数的信息，该信息从分配器发送时为0 ， 每经过一个接收卡，接收卡将该信息增1 。 端e a 发送的数据包称为a 数据包。该数据包先到接收卡1 1 ，经过一整列接收 卡到接收卡m 1 ，再回到分配器的端口b 。这个数据回路称为a 回路。端口b 发送的 第二章系统冗余方案论证 9 数据包称为b 数据包。该数据包先到接收卡m 1 ，经过一整列接收卡到接收卡1 l ， 再回到分配器的端h a 。这个数据回路称为b 回路。下面分别分析在无故障、两个 回路都断丌、单个回路断丌情况下，系统的工作过程。 分配器 端u a端u b 耷 j i 霉 分配器 端u a端u b ji l l 接收l 0千 l 接赤z t 夕糠： ， j 按攀，l + |+ f 接收卡f i ( m 1 ) 1 0十 f 接收m i 譬f ll 分配器 端u a端d b ji 1l l 接收卡l l 士十 接收卡2 - i 移千 接收r 3 l l+ f 接收f ( m 1 ) l 0十 i 接收。号j m i l i u 图2 2 舣向环路冗余方案数据流程图 ( 1 ) 无故障情况：如图2 2 中左图所示。接收卡接收a 数据包，更改接收卡信 息，然后按照a 回路把它传输到下一个接收卡。同时，接收卡接收b 数据包，更改 接收卡信息，然后按照b 回路把它传输到下一个接收卡。由于a b 回路均完好，接 收卡要通过一个仲裁机制来选择a 数据包或b 数据包作为要显示的视频数据。在无 故障情况下，分配器的端口a 能够接收到b 数据包，端口b 能够接收到a 数据包。同 时接收到的数据包中都包含接收卡信息，可以获取该列接收卡的个数。 ( 2 ) a b 回路都断开情况：假设接收卡2 1 与接收卡3 l 之问的回路断丌，如图2 2 中的中图所示。a 数据包经过接收卡1 l 和接收卡2 l 后，其接收卡信息增加到2 。而 此时，接收卡2 1 检测到接收b 数据包失败，则从a 数据包中获取视频数据进行显示， 同时，将a 数据沿b 回路返回，此时接收卡信息值不变。接收卡1 1 从b 回路接收到 了a 数据包后，识别到回路中有故障发生，不改变接收卡信息值，继续沿b 回路向 分配器返回a 数据包。同样的工作过程，b 数据包在接收卡3 1 的位置开始反向，按 照a 回路返回。同样，在返回过程中，接收卡信息值不被改变。则这种情况下，分 配器的端k i a 接收到了a 数据包，端1 2 1 b 接收到了b 数据包。返回的数据包中的接收 l o 基丁千兆以太网的l e d 显示屏控制系统冗余技术的研究 卡信息表示了该列故障发生位置。 ( 3 ) 单个回路断开情况：我们以a 路断开为例，如图2 2 中右图所示。接收卡 2 1 与接收卡3 l 之间的a 回路断丌，b 回路完整。由于b 回路无故障，接收卡2 1 能够 正确接收n 3 数据包，所以以证常的工作状将b 数据包按b 回路发送到下一个接收 卡。接收卡3 1 检测到接收a 数据包失败，则将b 数据包按a 回路返回，同时接收卡 信息值不变。这样，端口a 和端口b 都收到了b 数据包，而端h a 接收到的b 数据包 中的接收卡信息表示陔列接收卡个数，而端口b 接收到的b 数据包中的接收卡信息 表示a 回路故障发生位置。 通过以上分析可以看出，在a b 回路中，如果只有一处发生故障，则系统均能 够正常工作，且能够定位故障发后位置，以供后期检查维护。 2 1 2 双向坏路冗余方案可靠性分析 设整个系统有m 行n n 接收卡，即有n y j j 接收卡，每列接收卡有m 行，每列接 收卡之间相互独立。设分配器到第一个接收卡以及接收卡到接收卡的单向数据通 路，即单个单向数据通路，出故障的概率为a ，下面分析整个系统的可靠性。l e d 显示屏系统的可靠性可以用系统中所有接收卡都f 确接收到数据的概率表示。 由于每列接收卡都独立且类似，所以我们先讨论一列接收卡之间的数据传输 可靠性。 在现有l e d 显示屏控制系统的单向丌路传输方式中，只有所有通路都证确时， 该列接收卡的图像显示才是正确的，所以系统f 确工作的概率为： = ( 1 一旯) 肘 ( 2 - 1 ) 双向环路中有a 回路f n b 回路。任意一个回路中，从分配器到第n ( n m ) 个接 收卡的通路正确的概率为： o = ( 1 一力) ” ( 2 2 ) 则，从分配器到第n ( n m ) 个接收卡的通路出故障的概率为： 只，= 1 一( 卜旯) ” ( 2 3 ) 同时考虑a 回路和b 回路，由图2 2 中左图可以看出，对于第n 个接收卡，只有 从a 回路j f n i 3 回路到第n 个接收卡的通路都出错时，第n 个接收卡的显示才会出错。 第一个接收卡出错的概率为： 鼻。= 2 x ( 1 一( 1 一名) 朋) ( 2 4 ) 其中五为a 回路到第一个接收卡出错的概率，( 1 一( 1 一a ) 村) 为b 回路到第一个接 收卡出错的概率； 第二章系统冗余方案论证 第一个接收卡不出错但第二个接收卡出错的概率为： 最。= ( 1 _ 五) 2 ( 1 一( 1 一五) 肌1 ) ( 2 - 5 ) 其中( 1 一五) 表示第1 个接收卡不出错，五表示第2 个接收卡出错，( 1 一( 卜五) 肛1 ) 表示b 回路到第二个接收卡出错的概率； 前两个接收卡不出错但第三个接收卡出错的概率为： 只。= ( 1 一力) 2 2 x ( 1 一( 1 一见) 肘一2 ) ( 2 - 6 、 依次类推，第n ( n m 1 个接收卡出错但前n 一1 个接收卡不出错的概率为： 只。= ( 卜矽一2x ( 1 一( 卜力) 舭”1 ) ( 2 - 7 ) 则，整列接收卡出错概率为： 肘m r 1 只= 只。= ( 1 - a ) x 2 ( 1 - ( 1 - a ) 肌“p ”) i i = lt t = l ( 2 8 ) 那么，整列接收卡全部f 确工作的概率为： m肘 i _ l e r = 1 一只。= 1 一( 1 一五) ax ( 1 - ( 1 - a ) 州删) i i = ln = l ( 2 9 ) 分别以每列有5 行、1o 行接收卡为例，画出单向丌路方式币确工作概率p 5 和 只埘，以及双向环路f 确工作概率只5 和e 1 0 。其曲线图如图2 3 所示。其中横坐标x 表示单向数据通路出错概率为兄，纵坐标表示系统正确工作的概率，也可以表示一 列数据传输的可靠性。由图2 3 可见，双向环路冗余方案可以大大提高系统数据传 输的可靠性。 如果一列数据传输的可靠性为p ，则有n y ) j 接收卡的系统数据传输的可靠性为 尸的n 次方。 在m = 1 0 ，n = 2 0 的1 0 行2 0 列接收卡的系统中，设单向数据通路出错概率五为 o 0 0 5 。单向丌路系统中，计算可得每列f 确工作的概率约为0 9 5 ，则整个系统正 确工作的概率为0 9 5 2 0 ，即0 3 6 ；双向坏路系统中，计算可得每列币确工作的概率 约为0 9 9 9 ，则整个系统正确工作的概率为0 9 9 9 2 0 ，即o 9 8 。可见，双向冗余方案 可以将数据传输可靠性提高约1 7 倍。 伴随着l e d 显示屏系统的增大，接收卡列数增多，每列的接收卡行数增多， 双向环路冗余方案提高系统数据传输可靠性的作用会更加显著。 x 幽2 3 单向开路和i 舣向环路模式系统止确1 i 作概率曲线图 “通过以上分析可知，要想实现双向环路冗余方案，硬件通信接口须要具备以 矶麓黧感纛一嚣腓蒯陬 ( 2 ) 支持通路故障检测功能，使每个接收卡肴佟另匕眵性似叫一 进而曼鬣的带宽，除了要传输视频数据外，还要传输分配器端口信息、 撇纂箬搿向环路冗余方案对硬件通信接醐蛎赫 对硬件通信接口进行选型。 2 2 双向环路冗余方案中硬件通信接口的选择 通常的通信接口有l v 。s 、百兆以太网、千兆以太网以及。v i 接口等。下面分 第二章系统冗余方案论证 1 3 2 2 1l v d s 接口 l v d s 指低压差分信号( l o wv o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ) ，它使得信号能在差 分p c b 线对或平衡电缆上以几百m b p s 的速率传输，其低压幅和低电流驱动输出实 现了低噪声和低功耗。 l v d s 信号传输一般由三部分组成：差分信号发生器、差分信号互联器，差分 信号接收器 9 】，如图2 4 所示。 l s 差分信号发送器 ： 差分信号互联器 ：差分信号接收器 图2 4l v d s 信号传输结构图 差分信号发送器将非平衡传输的t t l 或c m o s 信号转化为平衡传输的l v d s 信 号；差分信号接收器再将平衡传输的l v d s 信号转化为t t l 或c m o s 信号；差分信 号互联器指连接电缆或p c b 走线，包括终端匹配电阻，完成l v d s 信号的传输及阻 抗匹配。 l v d s 信号发送器内有一个驱动差分线对的电流源，输出大约3 5 m a 的电流。 l v d s 信号接收器有很高的输入阻抗，所以3 5 m a 的电流大部分流过了接收端的匹 配电阻，该电阻一般为1 0 0 q ，在电阻的两端产生了约3 5 0 m v 是电压差。接收器正 是通过判断这个+ 3 5 0 m v 的电压差来实现逻辑电平转换的。如果匹配电阻为1 2 0 f 2 ， 则电压差摆幅为+ 4 2 0 m y 。一般认为l v d s 信号的摆幅为4 0 0 m v 。 l v d s 物理接口一般使用1 2 v 偏置电压为基准，提供约4 0 0 m y 的摆幅。这样， 两根差分线的电压在1 0 v 1 ，4 v 变化，如图2 5 所示。 逻辑l 逻辑1逻辑1 l v d s s 十 v o h = 1 4 v 乒。7 。i饥一。一一n 一一一。 sa几a 几卜一 v o h = 1 0 v 图2 5l v d s 与1 v r l 信号电平对应图 l v d s 的小摆幅差分特性使其成为一种高速低噪声、低功率技术。其相对恒定 的小输出电流降低了电源地噪声，又由于信号线对中的电流是紧密耦合的电流环， 边缘电场趋于消除，降低了e m i 。但是，l v d s 传输距离只有2 0 米左右，而且不支 基于千兆以太网的l e d 显示屏控制系统冗采技术的研究 持热插拔。这成为它应用的个瓶颈。 2 22d v i 接口 d v i 的英文全称是d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ，即数字可视接u ，它是一种较新的 视频舰范，主要州于电腑与l c d 等数字化罹示设备的连接。它传输数字信号，其 r p 包含了些像索信息、h 步情息以及一些控带信息。d v i 数字信号传输有单连接 ( s i n g l el i n k ) 和双连接( d u a ll i n k ) 两种方式。对于- 牡连接，它的传输速率1 1 ，高达 49 g b p s ，般迮垃u j 高达99 g b p s 。一般情况f ，d v i 单琏接时传输带宽约为4 g b p s ( 1 6 5 m h z 2 4 b i t ) 目前f | j d v i 接u 分为两种，个是d v i d 接口，只能接收数字信号，接l i 卜只 有3 排8 列其2 4 个针脚，其中右上角的个针脚为空，不兼容模拟信号。片外种 则是d v i l 接口，可同时兼容模拟和数字信号。兼容模拟信号并不意味着模拟信号 的接u d s u b 接几可以连接在d v i 1 接口上，而是必须通过一个转换接头卅能使用， 般采用这种接口的显g - 都会带有相关的转换接头。罔27 给出了d v i i 和d w - d 的 实物图。创26 中左图为d v i i 接口，右图为d v i d 接口。 l 划2 6d v i 1 自id v i d 接口实物剀 d v i 足基于t m d s ( t r a n s i t i o nm i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g ，转换最小差分信 号) 技术米传输数字信号，t m d s 运用8 b 1 0 b 编码算法将视频数据( r 、g 、b 中的每 路基色信号屿拄制信号( 行场同步信息、时钟信息、数据d e 、纠错等) f f _ _ ：合，经过 d c 平衡后，采用筹分信号传输。它和l v d s 、丁r l 相比有较好的电磁兼容性能。 表2l 给出了d v i 接口捅头信号线的定义【i o 。在单连接方式r ，使用t m d s c l o c k 作为时钟线以t m d sd a t a 0 、t m d sd a t a l 、t m d sd a t 2 = 对差分线进行数 掘传输u 丁以达到约4 g b p s 的带宽。在双连接方式下，增加t m d sd a t a 3 、t m d s d a t a 4 、t m d sd a t 5 三对差分线，实现约8 g b p s 的带宽。其中的d d c 通道用于殴备 制造商向主机提供产品信息，达到保护自己产品产权的目的。如果设计者不提供 d d c 信息，计算机操作系统就会把当| j i 的显示设备当成标准显示设各柬驱动。 第二章系统冗余方案论证 1 5 表2 1d v i 接口引脚信号 引脚信号引脚信号 1t m d sd a t a 2 13t m d sd a t a 3 + 2t m d sd a t a 2 +14+ 5 v 电源线 3 屏蔽线 15 地线 4t m d sd a t a 4 16 连接探测线 5t m d sd a t a 4 +l7t m d sd a t a 0 6d d c 时钟线18t m d sd a t a 0 + 7d d c 数据线 l9 屏蔽线 8 模拟场同步信号线 2 0t m d sd a t a 5 9t m d sd a t a l 2 1t m d sd a t a 5 + 1ot m d sd a t a 2 +2 2 屏蔽线 l1 屏蔽线 2 3t m d sc l o c k + 12t m d sd a t a 3 2 4t m d sc l o c k c 1 模拟红基色c 4模拟场行步信号线 c 2模拟绿基色c 5模拟地 c 3 模拟蓝基色 d v i 接口中的差分信号线对与l v d s 稍有不同，它的接收端匹配电阻一般为 5 0 f l 。这样与l v d s 相比，d v i 接口差分信号线上的摆幅更小，所以能够实现更高 的传输速度。但与此同时，传输距离缩短。 d v i 接口具有带宽高的优势，但其传输距离只有5 米左右，且接口芯片非常昂 贵。这些特点使d v i 接口不适合用传输距离远、用量大的场合。 2 2 3 百兆以太网接口 百兆以太网是以太网技术发展至今，使用最为广泛的技术。以太网技术发展 已经经历了三个阶段：标准以太网、快速以太网、千兆以太网。标准以太网是指 早期带宽为1 0 m b p s 的以太网，使用的是c s m a c d ( 带有碰撞检测的载波侦听多 路访问) 的访问控制方法，以双绞线和同轴电缆作为传输介质；快速以太网兼容 标准以太网，将带宽提高到1 0 0 m b p s ；千兆以太网继承了传统以太技术价格便宜的 优点，采用了与1 0 m 以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全半双工工作方 式、流控模式以及布线系统，将带宽提高到了1 0 0 0 m b p s 。 百兆以太网也称为快速以太网【l ，也基于c s m a c d 技术，与早期的标准以 太网完全兼容，能有效利用现有设施。百兆以太网又分为三个子类：1 0 0 b a s e - - t x 、10 0 b a s e f x 、10 0 b a s e t 4 。 1 6 基丁千兆以太网的l e d 显示屏控制系统冗余技术的研究 ( 1 ) 1 0 0 b a s e - - t x ：是一种使用5 类数据级无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的快 速以太网技术。它使用两对双绞线，一对用于发送，一对用于接收数据。在传输 中使用4 b 5 b 编码方式，信号频率为12 5 m h z 。符合e i a 5 8 6 的5 类和线标准和l b m 的 s p t l 类命线标准。使用同1 0 b a s e - - t i 同的r j - - 4 5 连接器。它的最大网段长度为 1 0 0 米。它支持全双工的数据传输。 ( 2 ) 1 0 0 b a s e - - f x ：是一种使用光缆的快速以太网技术，可使用单模和多模 光纤( 6 2 5 和1 2 5 u m ) 多模光纤连接的最大距离为5 5 0 米。单模光纤连接的最大距 离为3 0 0 0 米。在传输中使用4 b 5 b 编码方式，信号频率为1 2 5 m h z 。它使用m i c f d d i 连接器、s t 连接器或s c 连接器。它的最大网段长度为1 5 0 m 、4 1 2 m 、2 0 0 0 m 或更长至1 0 公罩，这与所使用的光纤类型和工作模式有关，它支持全双工的数据 传输。1 0 0 b a s e - - f x 特别适合于有电气干扰的环境、较大距离连接、或高保密环 境等情况下的适用。 ( 3 ) 1 0 0 b a s e - - t 4 ：是一种可使用3 、4 、5 类无屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的 快速以太网技术。1 0 0 b a s e t 4 使用4 对双绞线，其中的三对用于在3 3 m h z 的频率上 传输数据，每一对均工作于半双工模式。第四对用于c s m a c d 冲突检测。在传输 中使用8 b 6 t 编码方式，信号频率为2 5 m h z ，符合e i a 5 8 6 结构化布线标准。它使用 与1 0 b a s e - - t h 同的r j - - 4 5 连接器，最大网段长度为1 0 0 米。 百兆以太网的4 b 5 b 编码或8 b 6 t 编码一般都在物理层中实现，简化了链路层 的数据传输。以上三类百兆以太网中，1 0 0 b a s e - - t x 实现成本低，连接简单，成 为目前使用最多的一种，以5 类双绞线进行传输，传输距离可达1 0 0 米。 2 2 4 千兆以太网接口 千兆以太网与快速以太网完全兼容，是目前已经成熟的带宽最大的以太网技 术【1 2 】。根据不同的传输媒介，千兆以太网技术分为两个标准：i e e e 8 0 2 3 z 和 i e e e 8 0 2 3 a b 。 i e e e 8 0 2 3 z 是采用光纤( 单模或多模) 和同轴电缆实现全双工数据传输的标准。 i e e e 8 0 2 3 z 定义了基于光纤和短距离铜缆的1 0 0 0 b a s e x ，采用8 b 1 0 b 编码技术， 信道传输速度为1 2 5 g b i t s ，去耦后实现1 0 0 0 m b i t s 传输速度。 i e e e 8 0 2 3 z 细分为三种：1 0 0 0 b a s e l x 规范为长距离使用的多模和单模光纤的 参数。其中多模光纤传输距离为3 0 0 n 5 5 0 米，单模光纤的传输距离为3 0 0 0 米。该 规范要求使用价格相对昂贵的长波激光收发器；1 0 0 0 b a s e s x 规范为短距离使用的 多模光纤的参数，使用多模光纤和低成本的短波c d ( c o m p a c td i s c ) 或v c s e l 激光 器，其传输距离为3 0 0 至u 5 5 0 米；1 0 0 0 b a s e c x 规范使用短距离的屏蔽双绞线s t p ， 其传输距离为2 5 m ，主要用于在配线间使用短跳线电缆把高性能的服务器和高速外 第二章系统冗余方案论证 1 7 设相连。 i e e e 8 0 2 3 a b 定义基于超5 类双绞线的1 0 0 0 b a s e t 标准，采用8 8 1 q 4 幂h p a m 5 编 码，在超5 类双绞线上实现1 0 0 0 m b p s 的传输带宽，传输距离可达1 0 0 米。 以上的标准主要是针对物理层制订的。在o s i ( 开放式系统互联参考模型) 中， 物理层处于最底层，是整个丌放系统的基础。物理层为设备之问的数掘通信提供 传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。物理层与其上层( 链路层) 的接口不依赖与传输介质，而有独立的标准，千兆以太网的有g m i i 矛 i r g m i i 。 l a n c s m a ，c d l w e r s ：h i g h e r l a y e r s l l c l o g i c a ll i n kc o n t f 硷l l o ro t h e rm a cc l i e n t m a cc o i t 日0 l ( o p l l o n a l ) r e c o n c i l i a t i o n l 侧一 硫一例、 y 厂，氐5 a ，p h 、 a u t o n e g e tp h y ( p o i n tt op o i n ti i n ” 图2 71 0 0 0 b a s e t 不蒽幽 图2 7 为1 0 0 0 b a s e t 层结构示意图，物理层( p h y ) 对上均支持g m i i 接1 5 1 ，对下 均为m d i 接口；数据发送通路中，p c s 层对输入的数据进行8 8 1 q 4 和p a m 5 编码， 然后送到p m a 层，再输出到传输介质【1 3 】：数据接收时，p c s 层从p m a 层获得数据， 然后进行解码，输出到g m i i 接口；物理层芯片对数据的编码和解码，大大提高了 数据传输距离和传输的稳定性。 在i e e e 8 0 2 3 z 与i e e e 8 0 2 3 a b 的四类标准中，1 0 0 0 b a s e t 采用超5 类双绞线作 传输介质，连接方便，成本较低，接口与广泛使用的1 0 0 b a s e - t 类似，所以相对 使用较多。 2 2 5 通信接口选型 通过以上分析，l v d s 是低压差分信号，传输带宽在2 0 0 m b p s 左右，传输距离 约2 0 米。d v i 接口以t m d s 传输，电压差更低，实现了更高的带宽，但牺牲了传输 距离，且价格非常高。l v d s 与d v i 接i s 都是单向传输接口。百兆以太网与千兆以 卺一 1 8 基丁：千兆以太网的l e d 显示屏控制系统冗余技术的研究 太网都支持全双工通信，物理层内部实现数据编码，使数据传输距离达到l0 0 米， 而且传输带宽分别达到1 0 0 m b p s 并h 1 0 0 0 m b p s 。以上各种接i s l 参数对比表如表2 2 所 示。 根据2 1 3 节分析的双向环路对硬件通信接口的要求，通信接口要支持全双工、 连接检测等到功能，还要有足够的带宽。l v d s 矛n d v i 接口本身不支持全双工，要 想实现全双工机制就是用2 倍的芯片量，再加上其传输距离没有优势，所以几乎不 可能用于实现双向环路冗余方案。 表2 2 各种接口特性对比表 接口类型带宽传输距离全双工连接检测热插拔价格 l v d s 2 0 0 m b p s 2 0 米不支持不支持不支持 中 d v i 4 g b p s 5 米不支持支持不支持 同 百兆以太网 1 0 0 m b p s 1 0 0 米支持支持支持 低 千兆以太网10 0 0 m b p s 10 0 米 支持支持支持 中 从应用角度来看，百兆以太网与千兆以太网接口的区别在于带宽和价格上。 双向环路冗余方案是为了代替现有系统中的单向环路设计，现有系统采用l v d s 接 口进行数据传输。如果用带宽为1 0 0 m b p s 的百兆以网技术代替现有系统中的带宽为 2 0 0 m b p s 的l v d s 接口，则数据传带宽缩小为原来的二分之一，系统的整体性能会 受到限制。例如，l e d 显示屏控制系统中每列接收卡要控制1 2 8 * 8 0 0 的像素区域时， 视频源图像以6 0 h z 的刷新率计算，则需要传输带宽为1 2 8 * 8 0 0 * 6 0 * 2 4 位每秒，约为 1 5 0 m b p s 。这样的系统要依靠百兆网接口就不能实现。 千兆以太网接口1 0 0 0 m b p s 的带宽，1 0 0 米的传输距离，以及对全双工和连接检 测的支持，使其成为实现双向环路冗余方案的最佳选择。 2 3 本章小结 现有l e d 显示屏控制系统的数据传输方式为单向丌路方式，这种方式在任意 一个传输通路发生故障时都会让系统出错。针对这个问题，本章提出了双向环路 冗余方案。该方案在数据通路中构建双向传输环路，使每个接收卡都有两个数据 来源可选。在一个传输通路发生故障时，接收卡可以选择另外一路数据显示或转 发，使系统能够维持j 下常工作，系统数据传输可靠性得到提高。 本章以概率论的知识，对现有单向丌路方式和双向环路方式的数据传输可靠 性作了分析计算。计算表明，在l o 行2 0 歹, j 接收卡的l e d 显示屏控制系统中，采用 双向环路冗余方案可以将系统内数据传输可靠性提高约1 7 倍。 实现双向环路冗余方案，须要硬件接口支持全双工通信、连接检测等功能。 第二章系统冗余方案论证 1 9 l v d s 与d v i 接口都不支持全双工通信；百兆以太网接口的1 0