一种基于HOTLink的分布式数据传输系统(1)_图文

1、1引言一种基于HOTLink的分布式数据传输系统 闰景富12李淑秋1朱沛胜12(1.中国科学院声学研究所北京100080;2.中国科学院研究生院北京100080 A distributed data transmission system based on HOTLinkYAN Jingful2LI Shuqiul ZHU Peishen912(1.1nstitute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,13eijing 100080;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing

2、100080大型数字监测、通信系统中,由于信息源分散、信息量大的特点,使得分布式高速数据 传输技术成为系统设计的重要课题和关键技术之一。尤其一些受温度、空间、环境等因素限 制的场合,对整个数据传输系统的拓扑结构、传输介质以及器件选择都提出了更为严格的要 求。在充分考虑了以上影响因素的同时,针对拖线阵声纳系统的特点,提出一种采用环型结 构的数据传输方案,该设计充分利用了HOTLink(High Speed Optical Tranceiver Link产品 强大灵活的物理层功能,将各数据收发模块串行级联到一起,来实现数据有效可靠地传输。2系统整体设计整个传输系统的结构框图如图1所示,系统由两大部

3、分组成:一部分是水下用来采集各 传感器数据的数据采集模块及相应的数据收发模块,即湿端部分;另一部分是水上用来接收、 处理、分析数据并给出相应控制命令的控制端,即干端部分。考虑到拖线阵声纳系统中要求 数据进行实时传输的特点以及系统对布线复杂性的严格要求,该系统未采用星型拓扑结构, 而是将各个数据收发模块级联连接,各地数据在串行链路上顺序传输,这样湿端各个收发模 块与干端模块就组成了一个环型拓扑结构。每个数据采集模块将转换后的数据送入相应的收 发模块,由收发模块完成数据处理并送入系统的传输链路。图1信输系统结构框图在传输链路中,分数据和命令两种信息。各个收发模块都起着中继前端数据和发送本地 数据的

4、双重功能。由于收发模块的工作频率远高于A/D模块产生数据的速率,所以各模块有 足够的时间处理命令并做出相应操作。3收发模块设计3.1模块的组成及工作原理收发模块主要由DSP、CPLD和PHY层芯片三个主要单元组成。DSP负责A/D转换数据的 接收和协议帧的生成;PHY芯片即HOTLillk产品CY7C924ADX实现物理层功能,包括数据缓存、并/串转化、线路编码、时钟恢复、线路保持等;CPLD则实现以上两者的时序匹配和 相关状态、命令的传送。从收发模块的原理框图(如图2所示可以看出,CY7C924ADX的接收、发送数据总线 分别与DSP的数据总线连接进行时分复用,而其串行输入、输出口连接在整个

5、传输链路当中。 每个收发模块不仅从串行链路中接收到由上游模块送来的数据并进行转发,而且还要把本地 数据发送出去。对于控制端发出的命令,各模块接收到以后由DSP判断并给出相应动作,并 对其进行了转发。图2收发梗块原理图3.2器件选择及功能实现(1微处理器基于对运算速度、芯片体积和功耗等考虑,DSP采用TI公司的TMS320VC5410A定点处 理器芯片。它具有三条独立的数据总线和一条程序总线;64kxl6bit的片内高速DARAM;包 括DMA、McBSP、PLL、HPI、Timer在内的丰富的片内外设;120MIPS的高速运算能力以 及3.3W1.5V的低压供电和3种电源关断模式,能很好地满足

6、系统设计的要求。收发模块上的DsP一方面提供与A/D转换模块的接口。来EIA/D转换模块的信号由DSP 的McBSP(多通道缓存串行口在DMA(存储器直接访问控制下送往片内的DARAM进 行ping.pang缓存。这样不仅提高了数据存取速度,也减少了电路的复杂性。数据接收后即 进行成帧处理,包括帧头、帧尾、校验码等的生成,以保证数据处理系统能很好地识别各个 数据所反映的真实信息。另一方面DSP在CPLD的控制下把数据帧发送到CY7C924的发送 FIFO存储器,并在空闲时刻从CY7C924ADX的接收FIFO进行读操作,检测是否收到有效的 控制命令。一旦链路中某些模块或者链路本身出现故障导致链

7、路断开时,收发模块DSP可以 做出判断并最大可能使后端节点正确传送采集的数据,在一定程度上避免了环型链路中一个 节点出现故障导致整个网络瘫痪的缺点,当然这些是由软件编程实现的,这种“自愈”功能 给系统提供了更强的稳健性。控制端的DSP除了要完成程序加载和对A/D信号源、湿端模块必要的初始化操作以外, 还要向各收发模块发送初始加载命令及链路诊断命令。初始加载命令用来确保整个链路的完 好连通;链路诊断命令用来通知收发模块的CY7C924ADX进行链路传输特性检测,给出当 前数据传输的误码率。此外还要根据数据处理结果给出相应控制命令。(2物理层芯片物理层芯片的选择直接决定了数据传输系统性能的优劣。本

8、设计选用TCypress公司的 CY7C924ADX芯片。该芯片采用第二代HOTLink技术,是一个高速点对点的物理层串行通 信模块,可提供200Mbit/s的串行数据率。相对于第一代产品,芯片增加了发送、接收FIFO, 实现了收发合一,大大减小了电路复杂性。芯片还包含时钟恢复、8B/10B编解码器、UToPIA 兼容的主机并行总线接口、256字节的片内FIFO存储器、内置PLL以及和PECL兼容的差分串 行输入和输出。尤其弹性Buffer的存在,通过置高LOOPTx引脚,就可以将收到的串行数据通过该Buffer直接转发出去,相当于只是对链路中数据的中继放大。而将LOOPTX置低,则 发送FI

9、FO中的数据会经编码、串化后送出,这样就很方便地实现了对前端数据中继和本地 数据发送的双重功能,通过CPLD的合理控制它们之间的衔接可以做到无缝连接,这为系统 的设计提供了很大的灵活性和便捷性。CY7C924ADX与铜电缆及光纤模块完全兼容,可以很容易地实现数据在铜电缆和光纤 上的传送,并自带有链路检测功能,为数据的可靠传输提供了先决条件。在数据传输过程中, 可以通过对芯片特定引脚的控制实现一些简单的传输协议,在某种程度上减少了用户编程的 复杂性。因此,合理地利用CY7C924ADX芯片不仅能达到数据有效可靠地传输,而且可大 幅度减少设计周期。(3控制逻辑电路DSP与CY7C924ADX之间要

10、进行数据交换,必须保证它们之间时序是匹配的。此外, 数据传输的不同阶段需生成很多状态、控制信号使整个数据传输过程有序进行,这些复杂的 逻辑转化衔接功能都有待于控制逻辑电路来完成。考虑到电路复杂性和目前被广泛应用的 CPLD(可编程逻辑器件芯片的独特优点,本设计采用Altera公司的MAX7128AETC芯片实 现上述所有逻辑功能。4系统特点及实验结果 一系统主要特点:最大数据传输速率:150Mbit/s 最大传输距离:多模光纤:2km;CAT5电缆:90m 与数据采集模块采用RS485接口 对8、12、16、20、24、32位数据采集模块完全兼容 多个模块组成系统 在速率允许范围内,模块个数是

11、任意的各通道数据采集可实现完全同步 很小的额外数据开销测试结果:正如前面所述,CY7C924ADX自身带有链路性能检测功能,通过对相应引脚的控制, 发端和收端即停止正常的数据传送,开始产生固定的“随机”检测序列,而进入链路检测模 式。此时,接收端负责将接收到的检测序列和本地产生序列相比较。所传送码的总数和误码 数都在相应引脚有显示。这样,无需设计专门检测电路即可进行误码率的测试。在数据的串行速率为150Mbit/s的情况下,分别以2km的62.5/125光纤、40m和90m的5类 电缆作为传输介质,对系统的传输性能进行了测试。测得误码率分别在10。12、10。10和10母 量级。完全可以满足系

12、统可靠性要求。5结论及应用 一本设计适用于多传感器的分布式数据传输系统。它所具有的一些诸如上电时系统自动加 载、链路性能检测、数据采集模块及链路出现故障时能给出应对措旅等技术特点,都很好地 保证了数据传输的可靠性以及整个系统的稳健性。随着工作的深入,干端可以以ATM、千 兆以太网或者无线形式等标准接口进一步组成开放的局域网。系统所具有的高速、实时、低 功耗和微型化等特点完全能满足一般拖线阵声纳系统对数据传输的要求,同时该系统也可广 泛应用于地震、水文、雷达、机械/I业监测等其他类似高性能的分布式传感器网络。参考文献:11Cypress Semiconductor Co.Data Sheet.200-Mbaud HOTLink Transceiver CY7C924ADXZ.2004.1 f2】Texas Instruments Inc.TMS320C54X DSP Reference Set.Volume 4:Application GuideZ】,1996【3】李