基于直連以太網(wǎng)和TDM的分布式采集系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

亓盛元

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基于直連以太網(wǎng)和TDM的分布式采集系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

亓盛元

對于遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)來建立數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是一種非常合適的方案。但是，由于以太網(wǎng)的CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪同和沖突檢測）特性，使得它不能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?。本文分析了分布式?shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾攸c，提出了一種通過以太網(wǎng)和時分多路復(fù)用技術(shù)來解決分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步傳輸問題的技術(shù)方案。

采用總線傳輸方式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已不能滿足飛行試驗分布式遙測系統(tǒng)的需要，因此，試飛測試工程師們將更多的關(guān)注集中于網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。與普通的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不同，在分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流傳輸?shù)姆较蚝湍康木哂写_定性。也就是說， 在分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 每個采集單元的數(shù)據(jù)通常都會通過交換機發(fā)送給一臺記錄器或者一個PCM網(wǎng)關(guān)。同時，在特定的時間周期內(nèi)所要發(fā)送的數(shù)據(jù)總量也是一定的。此外，為了滿足實時處理和監(jiān)控的要求，數(shù)據(jù)在傳輸時還保持時序。為了便于討論， 本文假設(shè)單個數(shù)據(jù)采集單元的輸出數(shù)據(jù)速率小于300Mbps， 總的數(shù)據(jù)采集速率不超過6Gbps。

因為以太網(wǎng)的適宜性，通過該技術(shù)來構(gòu)建分布式的網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)已成為一種趨勢。但是，由于其數(shù)據(jù)傳輸采用異步方式及其時間延遲的不確定性，因此，構(gòu)建分布式遙測系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，要使其性能更好，必須對以太網(wǎng)進行改進。

CSMA/CD 協(xié)議主要用于檢測多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同時發(fā)送消息到同一目標節(jié)點的情況，一般是通過強制各個發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等待一個隨機時間再重新發(fā)送信息來解決沖突問題，這種機制將導(dǎo)致數(shù)據(jù)在傳輸過程中會產(chǎn)生了一個不確定的時同延遲，并且發(fā)送信息到同一個目標節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點越多，這個時間等待延遲將越長。不幸的是，這種情況正是分布式遙測系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的特點，例如所有的數(shù)據(jù)采集単元都發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點——數(shù)據(jù)記錄器。因此，直接將以太網(wǎng)技術(shù)用于分布式遙測系統(tǒng)解決數(shù)據(jù)傳輸同題，這種時間延遲的不確定性將會更加嚴重 。

如何利用以太網(wǎng)的優(yōu)勢，同時解決這種時間延遲的不確定性問題將在下文討論 。此外，下文還將介紹系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯聚所使用的時分多路復(fù)用技術(shù)。

直連以太網(wǎng)

首先， 需要分析分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c。假定一個典型的系統(tǒng)由幾個數(shù)據(jù)采集單元（DAUs），一個中央數(shù)據(jù)匯聚單元 （CGU），一個記錄器和一個遙測傳輸單元組成。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流情況如圖1所示。

顯然，在分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中， 整個數(shù)據(jù)采集工作中每個數(shù)據(jù)流的方向都是確定的，同時各數(shù)據(jù)采集單元之間不存在數(shù)據(jù)流，并且各數(shù)據(jù)釆集單元采集的數(shù)據(jù)會被發(fā)送到同一個目的地。例如在圖1中， 所有數(shù)據(jù)采集単元采集到的數(shù)據(jù)都會被發(fā)送到記錄器，同時一部分數(shù)據(jù)會被發(fā)送到遙測傳輸單元。

如果單純使用以太網(wǎng)來解決上述分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}， 可以使用以太網(wǎng)交換機（系統(tǒng)時間同步通常支持 IEEE1588協(xié)議）作為中央數(shù)據(jù)匯聚單元，給記錄器及每個數(shù)據(jù)采集單元提供以太網(wǎng)訪問接口。這種方案是分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用以太網(wǎng)技術(shù)的常用方案。但是，當各數(shù)據(jù)采集單元同時發(fā)送數(shù)據(jù)到記錄器或遙測傳輸單元將會出現(xiàn)問題，CSMA/CD機制會導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送產(chǎn)生不確定的時間延遲，這種時間延遲為了避免網(wǎng)絡(luò)信號沖突會同時會造成數(shù)據(jù)時間序列的混亂。

為了解決上述問題，本文討論采用直連以太網(wǎng)來代替以太網(wǎng)交換機。例如，在中央數(shù)據(jù)匯聚單元中配置了 l6個以太網(wǎng)模塊，一個以太網(wǎng)模塊連接一個數(shù)據(jù)采集單元（DAU），這樣每個 DAU與 CGU之間的以太網(wǎng)連接就是唯一的，DAU可將釆集到的數(shù)據(jù)使用獨立的連接通道立即發(fā)送給CGU。

記錄器可以集成在 CGU中，也可以是一個獨立的以太網(wǎng)記錄設(shè)備，在本文中， 為了獲得更高的系統(tǒng)帶寬，我們選擇將它集成在 CGU中。

CGU和時分多路復(fù)用

直連以太網(wǎng)雖然可以解決信號沖突的問題，但是對于完整的解決方案，這只是問題的一半。如何安排各個數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)在同一時刻到達同一目的地， 這是接下來要討論的問題。

為了保證 CGU能夠同步傳輸所有的釆集數(shù)據(jù)，即記錄器或者遙測傳輸單元所要接收的數(shù)據(jù)。在本文討論中我們需要的處理能力是不小于2.5Gb每秒。

如圖3所示，在 CGU中，我們設(shè)計了一種具有4個獨立以太網(wǎng)模塊的 DAU 接收器，同時在CGU的主板上有4條LVDS通道，一個DAU接收器可連接一條LVDS通道，每條 LVDS通道能以2.5Gbps的速率將DAU接收器的信號傳輸給記錄器模塊，在這里我們假定每個通道上的數(shù)據(jù)負載不會超過1.5Gbps。CGU中還包含一個數(shù)據(jù)輸出模塊，該模塊監(jiān)聽4條 LVDS通道的信號，挑選預(yù)先配置的數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)以 PCM格式發(fā)送給遙測傳輸單元或者直接以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包格式發(fā)送給其它以太網(wǎng)端口。

圖1　分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流

圖2　采用直連以太網(wǎng)通道連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖3　CGU的例子

在圖3所示的 CGU中，一個DAU接收器具有4個以太網(wǎng)模塊，每個以太網(wǎng)模塊可以獨立的直連一個 DAU接收其采集到的數(shù)據(jù)。CGU中的記錄器包含4個內(nèi)存模塊，每個模塊連接一條LVDS通道同時下載該通道中傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)，內(nèi)存模塊記錄數(shù)據(jù)的速率可以達到l.5Gbps，那么在該系統(tǒng)中記錄器的最大記錄速率可以達到6Gbps。

為了保證 DAU接收器傳輸數(shù)據(jù)到記錄器的同步性，在這里使用了 TDM技術(shù)。我們將 LVDS通道的2.5Gbps帶寬劃分為多個時同槽，例如 Al，B1，Cl，Dl，A2，B2，C2，D2， …，An，Bn，Cn，Dn， 每個時間槽的帶寬設(shè)置為2Mbps。那么，從 DAU1接收到的數(shù)據(jù)使用時槽A1，A2，...，An發(fā)送，DAU2使用 B1，B2，...，Bn，以此類推，就建立了4條比特率為600Mbps的虛擬數(shù)據(jù)通道，每條通道對應(yīng)一個以太網(wǎng)模塊的輸出。如果每個 DAU的數(shù)據(jù)輸出不超過300Mbps，那么通過 DAU接收器傳輸?shù)?路數(shù)據(jù)流就很容易的適應(yīng)2.5G的 LVDS通道。這樣，DAU采集到的數(shù)據(jù)就可以同步的傳輸給記錄器，并且可以通過 PCM輸出數(shù)據(jù)到遙測傳輸單元。在這里，從以太網(wǎng)加載數(shù)據(jù)到LVDS通道的時間延遲是確定的，最大不會超過6ms。

系統(tǒng)時間和管理

時同同步機制對于一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)十分關(guān)鍵，這樣DAUs可以同步采樣并且可以將時間標簽添加到采集的數(shù)據(jù)中。在上例中，CGU中包含 IRIG-B模塊，該模塊可以從外部時間源接收 IRIG-B碼和1PPS信號為整個系統(tǒng)提供時間基準服務(wù)。在本文討論中，時間信號是通過CGU的主板來傳送的。

我們修改了IEEE1588協(xié)議為整個系統(tǒng)進行授時。首先，沒有采用 CGU的時鐘用來計算系統(tǒng)時間同步延遲，時間同步延遲在這里是由每臺 DAU計算的。其次，同步時延的測量基準使用的是 DAU到 CGU之間的直連以太網(wǎng)的線路時鐘，而沒有使用CGU的時鐘，CGU時鐘主要用作外部時鐘源同步。在標準的l588協(xié)議中，由于CSMA/CD機制會引起的時間延遲的不確定性，延遲時間只能通過時間同步信號多次傳輸?shù)钠骄祦砉烙嫛５?，在本案例中?因為直連以太網(wǎng)沒有數(shù)據(jù)沖突且每臺 DAU的信號傳輸延時具有確定性，所以時間同步信號的傳輸延時可以明確的計算出來。在實際情況中，以上案例的時間同步精度已經(jīng)達到了50ns。此外，我們還可以使用線路時鐘恢復(fù)技術(shù)對 DAU 的時鐘進行頻率同步。

同時，CGU會發(fā)送同步信號給每個DAU，可作為信號采樣控制、相機的快門控制的同步信號。同步信號通過以太網(wǎng)的一個虛擬通道進行傳輸，方向與數(shù)據(jù)通道的傳輸方向相反 。

總結(jié)

在分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸與常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)通信有很大不同，傳輸過程必須保證采集數(shù)據(jù)的時序不變，整個系統(tǒng)必須有一種定時機制確保數(shù)據(jù)采樣和系統(tǒng)控制的同步性。

對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)和 IEEE1588來建立數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是一種非常合適的技術(shù)路線。然而，以太網(wǎng)由于時延的不確定性和難以保證采集數(shù)據(jù)的傳輸時序，其很難滿足分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。

在本文中，釆用 TDM、直連以太網(wǎng)以及改進的IEEE1588協(xié)議，可以實現(xiàn)一種滿足飛行試驗使用要求的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，與此同時，和純以太網(wǎng)相比較，該方案提高了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

亓盛元

中國飛行試驗研究院

亓盛元（1982-）男，陜西西安人，工程師，研究生，研究方向：飛行試驗機載測試技術(shù)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.024