张丹群，薛海东，白玉杰，尹海林，吴 琦，殷洪波，林小娟，王海萌
（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）
在现代战争的背景下，装备信息化成为了武器装备研究的重中之重。评价信息化装备，实时性是重要的指标[1]。光纤数据总线作为大型信息传输系统中的重要组成部分，在诸如车辆、船舶等领域得到广泛应用，可以为系统信息的实时性提供良好支撑[2]。在嵌入式系统中，以太网、PCIE 等接口也得到了越来越广泛的应用[3]。但目前车载侦察平台中，CAN 总线、以太网等经常是分开布置，缺少融合，不利于车载平台的信息整合。而多种接口的融合对时钟同步的要求很高，时钟同步保证节点收发信息在时间上的正确性[4]。光纤具有传输速度高、不受电磁干扰、安全性高等特点[5-7]，符合车载侦察平台的需求。在目前的车载光纤数据总线应用环境中，需要传输包括视频、指令、姿态参数等多种数据类型，数据传输速率、编码定义、接口方式都有很大区别。现存的诸多类总线技术在多数据类型业务场景中无法满足车载数据侦察平台的信息互联需求。因此，本文对光纤数据总线中多种接口的融合进行了研究，并提出一种以FPGA 为硬件平台，以IP 复用技术为核心的多接口融合光纤总线光网络终端[8]，一定程度上提升车载侦察平台的信息互联程度。
根据车载光纤总线的数据传输结构需要，对光纤总线拓扑结构的设计是前期的重要工作[9-10]。光纤数据总线包括一个中央网络节点NC 和多个光网络终端NT，NC 和NT 之间通过光纤连接，NC 连接车上的上位机系统，将从NT 获取的信息发送给上位机系统进行处理，并且将上位机的指令等信息发送给对应的NT。NC 相当于光纤总线网络中的网络管理设备[11]。NT 的主要任务是获取视频、姿态参数等信息，通过光纤发送给NC，并接受NC 传输来的指令信息。根据车载系统的信息节点数目，光纤总线中包含3 个NT。车载光纤总线的数据带宽为10 Gb/s。整个光纤数据总线的拓扑结构可以看做以NC 为中心节点的星形拓扑结构，如图1 所示。
图1 光纤数据总线拓扑结构原理框图Fig. 1 Block diagram of topological structure principle of optical fiber databus
针对某型车载平台的需求，在设计了光线数据总线的拓扑结构的基础上，需要对光纤总线的协议进行研究，设计基于ZYNQ 类型的FPGA 平台的接口通信协议[12-15]。在本次的光纤总线NT 端设计中，要将RS422 总线、CAN 总线、Ethernet、PCIE等多种协议融入进来，并且要兼顾视频数据的通信。根据车载平台信息交换的需求，NC 和上位机系统需要每50 μs 访问一次所有NT 节点的数据信息。在NT 设计中，难点在于对现有通信总线和协议的兼容。
RS422、CAN 都属于低速数据流，以太网和PCIE 数据均属于高速数据流。RS422 总线在NT端上转为单端信号，以UART 格式的串行通信进行传输和处理。
光纤数据总线使用千兆以太网UDP 协议进行传输。与TCP 协议相比，UDP 协议有如下特点：1） 不需要维护连接状态，一台服务器可同时向多台客户机传输相同信息；
2） UDP 信息报额外开销较小；
3）主机不需要维持复杂的链接状态表。故UDP 协议和数据包适合车上光纤数据总线这种传输距离短、数据量大的应用场景。
总线协议采取静态传输协议的方式进行多点控制。静态传输协议中，各NT 在指令链表分配的周期性固定时隙中进行光信号传输。时隙的长短由上位机通过NC 节点进行配置。由于以太网、PCIE 的数据流密度在总线使用的整个时间周期内比较固定，所以在每个时隙中为不同的接口数据分配固定的子时隙。时隙的分配以数据重复周期来体现，每个大周期中包含若干个小周期，每个NT 独占一个小周期，小周期内包含全部的接口数据收发时隙，以及为时隙管理所单独留出的时隙。大周期内包含的小周期数目等于总线系统中NT 节点的数目。大、小周期示意图如图2 所示。
图2 时隙周期原理框图Fig. 2 Block diagram of time slot cycle principle
系统时间周期分配 初定一个大周期为50 μs，由于总线包含3 个NT 节点，所以在总线系统的时隙周期中，每个大周期包含3 个小周期，在每个大周期内，NC 节点轮流与各个NT 节点交换各接口数据。
422 总线 比特率 115.2 kb/s，每个字节1 起始位，8 数据位，1 校验位，1 停止位，共11 位，每个大周期内接收约5.5 bit，由于信息量低，在总线上传输时间短（光口发送时间5.5×10-10s，即0.55 ns），故将其与CAN 总线数据一同打包传输。
CAN 总线 比特率500 kb/s，GTX 端收发均为串行，在每个大周期内接收25 bit，在总线上发送时间为2.5×10-9s（2.5 ns），CAN 总线和422 总线在光接口上发送时间＜3 ns，所以在光纤总线中与422数据一起打包传输，在接收端进行解码，为这2 个低速数据分配0.1 μs（100 ns）的时隙。
以太网 时钟频率125 MHz，数据速率1 Gb/s，采用UDP 协议，每帧数据1546 字节，每个大周期接收5×104bit 数据，在总线上发送时间约为5 μs，故为以太网分配5 μs 的时隙。
PCIE 采用PCIE x1 接口，基准时钟频率125 MHz，数据速率2 Gb/s，每个大周期接收105bit 数据，在总线上发送时间约为10 μs，故为其分配10 μs的时隙。
除此之外，系统在每2 个接口传输时隙中间分配了0.3 μs 的时长，即422+CAN 总线传输和以太网传输之间有0.3 μs 的间隙，以太网传输和PCIE传输之间有0.3 μs 的间隙，以此类推。同时，系统也为BC 时隙管理分配了0.8 μs 的时长。小周期内接口间隙和BC 时隙管理的分配为系统提供了一定的传输裕度，可有效避免不同接口数据在传输过程中造成冲突和混淆，进而在彼此之间造成数据干扰。至于系统的电磁干扰方面，由于数据长距离传输使用光纤，因此只要做好对NC 和NT 的抗干扰硬件设计，即可很好地避免系统受到电磁干扰的威胁。系统时隙分配如图3 所示。
图3 系统时隙分配Fig. 3 Allocation of system time slot
每个小周期的时隙长度为16.5 μs，每个NT 节点在分配给它的小周期内与总线系统交换该节点各个接口的数据。系统有3 个NT 节点，即每个大周期包含3 个小周期，则每个大周期的时隙长度为16.5 μs×3=49.5 μs，满足车载总线系统50 μs 内访问所有NT 节点数据的要求。经过一个大周期的数据交换后，可以保证光线总线网络中所有NT 节点都和NC 节点交换过数据。
时隙管理可以使光纤总线系统拥有尽可能大的容错率，减少数据溢出，不会让某个接口的数据一直处于壅塞无发送数据或空闲无接收数据的状态。
系统采用Zynq 架构的FPGA 器件为硬件平台进行设计。在FPGA 平台中，光线数据总线所使用的各接口是通过IP 核实现的，除了调用软件开发平台上现有的IP 核，还要针对车载光纤总线的特殊性来对IP 核进行一定的编写。由于需要在光纤和电接口之间进行各种接口数据的转换，所以在FPGA 软件中添加GTX，即G bit 收发器IP，用以满足光纤高速传输的需求。GTX 目前的线速度范围为1 Gb/s～12 Gb/s，有效负载范围为0.8 Gb/s～10 Gb/s，在光纤通道、PCIE、千兆以太网中得到广泛应用。4 种接口与GTX 之间的逻辑关系如图4所示。
图4 接口与GTXFig. 4 Block diagram of interface and GTX
CAN 总线 在光纤数据总线中，需要将CAN数据转化为适合GTX 传输的数据格式，包括TX 和RX 两个方向。同时由于软件平台自带的AXI CAN IP 核是在AXI 接口和CAN 接口之间进行转换，为了省掉AXI 接口转换的步骤，提高数据转换效率，故由开发人员编写CAN 收发IP 核，并在这个新的IP 核中添加与GTX IP 核进行数据交换的接口。
422 总线 光纤数据总线中422 差分接口的实现需要通过外接422 接口芯片来实现，这样在FPGA端所需要处理的信号就是收发2 个方向的单端信号。422 单端信号处理是通过开发人员编写的IP 核来实现，在该IP 核中同样添加了与GTX 交互的接口。
以太网和PCIE 由于以太网和PCIE 都是高速数据信号，需要较高的时钟周期，所以在GTX 全局时钟上以以太网时钟为基准，通过倍频的方式兼容CAN、422 总线等低速信号的时钟。
根据以上的接口时序和数据传输设计了NT端FPGA 软件的逻辑功能和软件编写，在FPGA 上进行数据接口传输测试。将光纤数据总线的NC和NT 端与上位机相连接，实物图如图5 所示。
图5 光纤数据总线系统实物连接图Fig. 5 Physical connection picture of optical fiber databus system
实物连接图中试验台上左一为NC，其余3 块板子为NT。将光纤数据总线连接好之后，启动传输测试程序，可以看到，在接口时序控制器的控制下，NC 根据事先设计好的时序依次向各NT 端的各个接口发送传输使能信号，进而进行各接口数据的传输。在每个接口的传输时隙到来时，NC 和每个NT 依次向GTX 发送和接收属于本接口的数据。GTX 接口将不同时隙所传输的接口数据通过光接口发送和接收。不同的接口传输的数据可以在上位机上显示出来，显示结果如图6 所示。各接口时序如图7 所示。
图6 接口传输数据在上位机的显示图Fig. 6 Display diagram of interface transmission data in upper computer
图7 各个接口的时序图Fig. 7 Time sequence diagram of each interface
本文提出了一种基于FPGA 平台的多接口融合光纤总线光网络终端的设计方法。设计重点在于将不同速率的接口所传输的数据通过光纤总线传输。可以看到，在这种NT 设计中，各接口数据传输井然有序，没有造成光纤总线的壅塞或者长时间空闲，可用于车载光纤总线平台产品中。
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