FPGA主备倒换的电路设计

FPGA主备倒换的电路设计

《电视技术杂志》2023年第十一期

1FPGA规律掌握方案

1．1模块说明

1．1．1I/O模块主控卡上的FPGA芯片的I/O信号通过LBC总线传送到CPU;系统初始化完成后，CPU会通过LBC扫描FP-GA上的全部I/O信息;另外，实时监控某些I/O的电平状态，然后发中断给CPU，CPU接到中断后会启动ISP，扫描被监控的I/O上的电平。涉及到主备倒换的I/O信号有主控卡的槽位ID信号、主备之间的心跳信号、主备之间的在位信号、主备之间的复位信号、主备之间的工作状态信号。

1．1．2复位模块主控卡的复位模块是在FPGA中完成的。上电时，通过MAX706输入给FPGA的复位信号，首先给CPU卡复位;当CPU初始化完成后，再通过LBC总线向FPGA写复位存放器，完成复位过程。

1．1．3看门狗模块主控卡的看门狗模块是完成对CPU模块的监控，假如CPU模块“死机”，看门狗会执行主备倒换到备主控上，同时复位自己本主控系统。实现过程如下:1)上电后，FPGA初始化全部存放器的值，FPGA的喂狗信号开头输出周期性的脉冲。2)假如检测包含初始化信息的存放器为0，则FPGA输出给MAX706的看门狗信号由FPGA的喂狗信号供应;假如检测为1，则看门狗信号由CPU的喂狗信号供应。3)假如看门狗失效，则会产生主复位信号POＲE-SET。

1．2编码原则两块主控卡之间的3根线可以组成8种状态编码。通过对这些编码给予特别的定义，当对方的FPGA监听和读取到主备互传的这些编码，上报给CPU，从而来实现主备状态快速传递。信号定义和编码规章如表1所示。主/备控在位(Line1):主控卡的在位状态。1表示主控卡在位;0表示主控卡不在位。主/备主控主备(Line2):主控卡的运行状态，用来指示本主控卡是否为主主控。1表示本卡为主主控卡;0表示本卡为备主控卡。主/备主控好坏标志(Line3):周期性的心跳信号。1表示运行正常;0表示为初始化未完毕或者运行非正常。

1．3主备倒换原理和实现

1．3．1设备启动过程中的主备倒换1)上电启动时，若FPGA检测到本主控处在6号槽位，而7号槽位没有主控卡时，则6号槽位主控根据正常初始化过程进展启动，当CPU完成初始化时，该主控就自动升级为主主控。2)若FPGA检测到本主控处在7号槽位，而6号槽位没有主控卡时，则7号槽位的主控仍旧根据正常初始化过程进展启动，整个启动过程同上。3)若6号槽位的主控正常启动，完成初始化并获得主主控状态。与此同时，7号槽位的主控上电时，检测到备主控在位且处在7号槽位。这时，FPGA就需要掌握本主控的启动时间，通过掌握整个系统的复位状态，将本主控的启动时间延时10s。当10s延时到达后，7号槽位的主控通过主备之间的3根线推断6号槽位的主控已经升级到主主控状态时，7号槽位的主控就自动降为备主控。并始终处于监听主主控状态，当监听到主主控状态编码为复位状态(100)，主备倒换恳求状态(101)，拔出(故障)状态(000)时，7号槽位主控就自动升级为主主控状态。上电启动过程中状态关系如图2所示，规律框图如图3所示。规律代码构造如下:

1．3．2设备运行过程中的主备倒换1)主动倒换:当后台主动发出指令要求系统主备倒换时，主主控进入主备倒换恳求状态，当备主控监控到该恳求时，升级为主主控状态，同时主主控自动降级为备主控状态。2)自动倒换:当主主控消失故障或者拔出时，备主控检测到主主控处于该状态(000)时，备主控自动升级为主主控。3)复位倒换:当主主控被复位时，主主控输出复位状态编码(100)，当备主控检测到此状态编码后，自动升级为主主控状态。被复位后的主控根据备主控方式启动，并处于备主控监听状态(011)。

2试验验证

验证方法:依据测试用例对OLT进展主控卡1+1冗余爱护测试。正常数据业务收发时，执行主备倒换，观看数据业务是否正常。环境搭建拓扑如图4所示。

2．1常温环境测试测试过程:1)通过网管配置数据业务，测试仪通过ONU/OLT发送上下行数据，观看在OLT上联口和ONU的UNI口接收的流量，数据业务正常。2)串口连接至主掌握卡，show当前主控主备状态。3)后台执行主备倒换。4)测试停顿，观看数据业务丢包是否严峻。流量测试如图5所示。5)计算倒换时间计算方法:倒换时间可以通过主备倒换过程中丢包数量和发送速率的比值来确定丢包时间。发送速率如图图5常温环境下Smartbit流量测试结果(截图)6所示。式中:ＲateＲx为接收端速率，Tsw为倒换时间。

2．2凹凸温环境测试将OLT设备置于凹凸温测试箱，对主控进展主备倒换测试。目的是在凹凸温环境下，测试主控执行主备倒换的稳定性。测试条件:1)凹凸温冲击试验高温40℃±5℃，持续4h;低温0℃±5℃，持续4h;2)凹凸温交变湿热试验相对湿度为50%～60%。测试过程:重复2．1节测试试验。测试结果如图7所示。

2．3热插拔测试对两块主控卡交替插拔50次，通过串口打印信息，观看主控卡都能自动完成主备倒换过程，并无消失数据流完全中断。通过测试主备的倒换时间约为20ms，远远少于传统方案(牵强接近电信50ms［4］)的标准。同时通过凹凸温环境测试和热插拔测试，并未发觉不良情形，进一步保证了设备的稳定性。此结果说明白该方案实现了主备的无缝式倒换。

3小结

本文从硬件规律设计的角度提出了基于FPGA实现的具体框架、过程和编码