光纖通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)分析

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摘要:為解決傳統(tǒng)時(shí)間觸發(fā)光纖通信網(wǎng)絡(luò)(TTFC網(wǎng)絡(luò))的時(shí)鐘同步擁堵問題，提出了基于改進(jìn)型串行時(shí)間碼(IＲIG－B碼)的TTFC網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步方案。該方案采用了改進(jìn)型的IＲIG－B碼作為時(shí)鐘同步方式，改進(jìn)型的B碼信號(hào)將同步周期和碼元脈寬調(diào)整為傳統(tǒng)B碼的1‰，即改進(jìn)型的B碼信號(hào)為每毫秒1幀的時(shí)間串碼，同時(shí)采用數(shù)據(jù)總線與時(shí)鐘總線相分離的設(shè)計(jì)模式，避免了TTFC網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送端時(shí)鐘與數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的同時(shí)增加了對時(shí)的精度。為進(jìn)一步驗(yàn)證方案的有效性，基于可編程邏輯器件(FPGA)邏輯設(shè)計(jì)搭建環(huán)境進(jìn)行測試驗(yàn)證。最終試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案能正確的進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，同時(shí)有效地避免了TTFC網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘與數(shù)據(jù)發(fā)送沖突，提高了系統(tǒng)帶寬。

關(guān)鍵詞:光纖通道;IＲIG－B碼;時(shí)鐘同步;數(shù)據(jù)總線

隨著航電系統(tǒng)的發(fā)展，對光纖通道［1－7］(FibreChannel，F(xiàn)C)由于其具有高帶寬、低時(shí)延、抗電磁干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為了新一代的航空電子網(wǎng)絡(luò)首選。為了進(jìn)一步滿足航空電子網(wǎng)絡(luò)時(shí)間敏感性的要求，基于時(shí)間觸發(fā)的光纖通道網(wǎng)絡(luò)(Time－TriggeredFibreChannel，TTFC)被提出，在TTFC網(wǎng)絡(luò)中，所有的節(jié)點(diǎn)都按照統(tǒng)一的時(shí)統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的同步至關(guān)重要。時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)共享物理總線，這種方式會(huì)導(dǎo)致在同一時(shí)刻只能傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)或者時(shí)鐘同步信號(hào)，造成一定的帶寬沖突。本文采用基于改進(jìn)型IＲIG-B碼(InterＲangeInstrumentationGroup-B，IＲIG-B)的TTFC網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成光纖通道網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘同步的系統(tǒng)的搭建，來解決由解決FC網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間時(shí)鐘同步，滿足航電系統(tǒng)的需求。

1網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

TTFC網(wǎng)絡(luò)［8－9］拓?fù)淙鐖D1所示，主要設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過交換設(shè)備進(jìn)行互連。在傳統(tǒng)的TTFC網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過光纖線接入到TTFC網(wǎng)絡(luò)中。通常情況下，光纖中要傳輸時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)也要傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)通過復(fù)用的方式進(jìn)行傳輸。圖1TTFC網(wǎng)絡(luò)模型為了解決時(shí)鐘傳輸［10］和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的沖突問題，本設(shè)計(jì)在TTFC網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，將時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了切分。即時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)只傳輸時(shí)鐘數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)只傳輸TTFC數(shù)據(jù)。新的網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示圖2中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都通過2路總線接入到TTFC網(wǎng)絡(luò)中，分別是時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。下面進(jìn)一步描述時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的組成。在設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘同步協(xié)議采用的是改進(jìn)型IＲIG－B碼協(xié)議。IＲIG－B碼是時(shí)間系統(tǒng)中的一種常用串行傳輸方式，具有傳輸距離遠(yuǎn)、接口標(biāo)準(zhǔn)化和國際通用的特點(diǎn)，但I(xiàn)ＲIG－B應(yīng)用于TTFC網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，存在同步周期太長、對時(shí)精度不足等缺點(diǎn)。通過對IＲIG－B碼協(xié)議的碼元脈寬和編碼定義進(jìn)行改進(jìn)，可解決以上問題。傳統(tǒng)IＲIG－B碼信號(hào)是每秒1幀的時(shí)間串碼，每個(gè)時(shí)間幀包含100個(gè)碼元，每個(gè)碼元脈寬是10ms。改進(jìn)型的B碼信號(hào)將同步周期和碼元脈寬調(diào)整為傳統(tǒng)B碼的1‰，即改進(jìn)型的B碼信號(hào)為每毫秒1幀的時(shí)間串碼，每個(gè)時(shí)間幀仍包含100個(gè)碼元，每個(gè)碼元脈寬調(diào)整為10μs。此外，為了滿足TTFC時(shí)鐘同步的需求，改進(jìn)型B碼在碼元的定義上做出了調(diào)整，增加了32位的整合周期序號(hào)。改進(jìn)型B碼序列的定義如表1。改進(jìn)型B碼組成的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，包括B碼服務(wù)器和B碼客戶端。由于B碼的特殊性，其只支持點(diǎn)對點(diǎn)傳輸方式，因此，B碼服務(wù)器包括多個(gè)物理傳輸端口，與每個(gè)客戶端組成點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸方式。B碼服務(wù)器，即B碼的發(fā)生器。設(shè)計(jì)了基于FPGA實(shí)現(xiàn)B碼產(chǎn)生的方式。基于FPGA產(chǎn)生B碼的原理如圖4所示，包括4個(gè)模塊，分別是時(shí)間碼產(chǎn)生模塊、B格式碼產(chǎn)生模塊、并串轉(zhuǎn)換模塊和脈寬發(fā)生模塊。流程如下:(1)根據(jù)B格式碼的特點(diǎn)，時(shí)間碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生時(shí)間信息，然后將碼元以表1的格式發(fā)送給B格式碼產(chǎn)生模塊。(2)B格式碼產(chǎn)生模塊根據(jù)B碼信號(hào)的特點(diǎn)，將1個(gè)時(shí)間周期1ms分成10個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙中包括10個(gè)碼元。然后生成100位B格式碼，送入并串轉(zhuǎn)換模塊。(3)并串轉(zhuǎn)換模塊把100位并行B格式碼轉(zhuǎn)換成串行的B碼，送入輸脈寬發(fā)生模塊中。(4)脈寬發(fā)生模塊售前根據(jù)不同的串行碼產(chǎn)生出B碼所需的3種脈沖形式(2μs、5μs和8μs脈沖)，將B碼信號(hào)送至延遲模塊。(5)延遲模塊基于各通道預(yù)設(shè)的延遲參數(shù)，將B碼信號(hào)進(jìn)行不同程度的延遲補(bǔ)償后，激勵(lì)至各通道線路上，用于各終端模塊的時(shí)鐘同步。由于B碼信號(hào)是以脈沖的時(shí)間寬度來代表2進(jìn)制“0”、“1”和標(biāo)志位的，因此其關(guān)鍵點(diǎn)在于碼元時(shí)寬的正確識(shí)別。設(shè)計(jì)的B碼解調(diào)原理如圖5所示。從物理鏈路接收B碼信號(hào)，然后通過幀起始位檢測模塊檢測出。檢測出幀起始位后，告知時(shí)間碼檢測模塊，從B碼中提出信號(hào)，進(jìn)行解碼。最終獲得時(shí)鐘。

2仿真驗(yàn)證

在TTFC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，可以通過時(shí)鐘同步原語或者基于AS6802協(xié)議進(jìn)行設(shè)備之間的同步。以上同步方式均基于FC鏈路進(jìn)行。B碼的同步方式采用信號(hào)線直連的方式實(shí)現(xiàn)，不同與以上基于FC鏈路的時(shí)鐘同步方式。(1)基于AS6802的時(shí)鐘同步方式以6個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真為例，測試結(jié)果如圖6所示。在正常情況下，時(shí)鐘同步方式需要進(jìn)行壓縮的計(jì)算，每次同步過程大約需要占用20μs的時(shí)間。而且同步過程設(shè)計(jì)冷啟動(dòng)以及重啟動(dòng)的復(fù)雜處理，當(dāng)節(jié)點(diǎn)多時(shí)同步過程占用的時(shí)間可能更長。(2)基于改進(jìn)型B碼的時(shí)鐘同步仿真如圖7所示，基于B碼的同步過程較為簡單，且同步過程本身不占用數(shù)據(jù)帶寬。如圖7所示，同步過程簡單直接，整個(gè)過程并無復(fù)雜的狀態(tài)交互，B碼同步本質(zhì)上是一種時(shí)鐘同源的設(shè)計(jì)，基于B碼的時(shí)鐘同步，在同步形式上避免了因時(shí)鐘同步過程引入的不確定因素。設(shè)計(jì)上采用時(shí)鐘同步和數(shù)據(jù)總線的分離，使時(shí)鐘同步獨(dú)立于數(shù)據(jù)通信，避免了時(shí)鐘同步和數(shù)據(jù)通信的相互影響。

3結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方面，采用了數(shù)據(jù)總線與時(shí)鐘總線相分離的設(shè)計(jì)模式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信息和數(shù)據(jù)信號(hào)分別通過不同的總線接入到TTFC網(wǎng)絡(luò)中。在時(shí)鐘同步方面，設(shè)計(jì)了一種基于點(diǎn)對點(diǎn)的同步方式。服務(wù)器通過多組點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送信號(hào)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的同步。解決了TTFC網(wǎng)絡(luò)中同一時(shí)刻只能傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)或者時(shí)鐘同步信號(hào)，造成一定的帶寬沖突。

作者：白焱 楊繼國 孫萬錄 宋平 單位：中國科學(xué)院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所有限公司 空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室 沈陽航盛科技有限責(zé)任公司