CN109257223A - 高可靠性实时同步数据处理设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高可靠性实时同步数据处理设备，其特征在于：包括同步数据处理机箱以及集成在机箱内的控制处理板、接口板和时钟板，三种设备板的背板网络拓扑分为业务通道、时钟通道和控制通道。本发明通过优化板卡布局，实现主控板2+1热备冗余，通过增加专用时钟板，给机箱提供卫星授时、外部专用时钟设备授时及IEEE588授时能力，通过设计背板时钟网络拓扑，提供整个机箱板卡同步时钟提取、收发能力。
Description
技术领域
本发明涉及数据通信处理设备领域，具体是一种高可靠性实时同步数据处理设备。
背景技术
大容量的通用数据处理平台有很多，也有很多通用标准，如ATCA、CPCI等。这些规范机箱都采用多槽位插板设计，具有主备冗余，负荷分担功能，广泛应用在数据通信、分布式计算等领域。但是随着技术进步、应用领域扩大，新业务层出不穷，按标准规范设计的机箱已无法满足很多特殊行业、特殊需求的用户要求：
1、高可靠性主备冗余需求：
标准机箱的主控板一般支持1+1主备冗余备份，有些特殊应用领域可靠性要求更高，如2+1冗余备份，一般标准机箱的硬件设计无法满足。一般机箱的主备切换都是上层应用来判断，然后通过以太网接口通信，切换速度慢、实时性差。
2、同步数据处理需求：
标准的机箱背板通信一般只有以太网通道或是高速SERDES通道，用于处理异步数据。有些特殊应用场景，板卡间需要大量同步数据传输，不同板卡接口间的数据要求有稳定的相位关系，因为标准的机箱背板一般没有预留高精度背板时钟通道，无法实现板卡间的同步数据传输。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种高可靠性实时同步数据处理设备，通过优化板卡布局，实现主控板2+1热备冗余，通过增加专用时钟板，给机箱提供卫星授时、外部专用时钟设备授时及IEEE588授时能力，通过设计背板时钟网络拓扑，提供整个机箱板卡同步时钟提取、收发能力。
本发明包括同步数据处理机箱以及集成在机箱内的控制处理板、接口板和时钟板，三种设备板的背板网络拓扑分为业务通道、时钟通道和控制通道；
所述的控制处理板完成整个机箱控制管理以及数据分析处理功能；
所述的接口板提供处理板对外业务物理接口，提供整个机箱的管理配置物理接口；
所述的时钟板给整个控制处理板和接口板提供高精度时钟和UTC时间信息，时钟板支持北斗\GPS授时、外部原子钟授时设备授时及网络1588授时；
所述的业务通道包括外部业务通道和处理板间业务同步通道，由千兆、万兆以太网或高速SERDES接口实现；外部业务通道为处理板和接口板之间的数据通道，外部数据经由此通道进入控制处理板处理；处理板间业务同步通道是若干块控制处理板之间的高速数据通道，使备用控制处理板和主用控制控制处理板保持数据同步，相位一致；
时钟通道包括时钟板和接口板、控制处理板之间的通道以及若干时钟板间通道；时钟信号包括秒同步、国际标准时以及模拟时钟信号，时钟信号通过背板供给接口板和控制处理板，保证所有板卡的时钟频率、相位一致，并且时间也一致；
控制通道：包括控制处理板到接口板和时钟板控制信号以及控制处理板间控制信号；控制处理板到接口板和时钟板控制信号完成控制板对其他板卡的上电、复位、状态检测功能，控制处理板间控制信号完成若干控制处理板间主备状态同步及控制。
所述的控制处理板采用2+1主备冗余，支持热备份。主用控制处理板故障时备用板实时切换成主用，并通知后台维护人员更换检查。
所述的时钟板采用1+1主备冗余。主用时钟板故障时备用时钟板实时切换到主用，并通知后台维护人员更换检查。
本发明有益效果在于：
1、本发明提出一种高冗余、高可靠性机箱设计方案，实现主控板2+1热备冗余，提高可靠性。
2、本发明提出的机箱设计支持硬件状态检测，实时切换，切换速度快。
3、本发明提出的机箱设计为全机箱时钟同步，板卡采用FPGA仔细设计后可以保证多板卡数据的位同步，所有数据相位一致。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明背板网络拓扑示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种高可靠性实时同步数据处理设备，结构如图1所示，包括同步数据处理机箱以及集成在机箱内的控制处理板、接口板和时钟板。
控制处理板：完成整个机箱控制管理以及数据分析处理功能，承载关键业务是整个机箱的核心。控制处理板采用2+1主备冗余，支持热备份，主用控制处理板故障时备用板实时切换成主用，并通知后台维护人员更换检查。
接口板功能：整个机箱只有一块，提供处理板对外业务物理接口，提供整个机箱的管理配置物理接口，三块控制处理板主备切换时保证整个机箱对外业务接口无物理切换，且不需人为干预。
时钟板：整个机箱有两块时钟板，1+1主备冗余，给整个控制处理板和接口板提供高精度时钟和UTC时间信息。时钟板支持北斗\GPS授时、外部原子钟授时设备授时及网络1588授时，主用时钟板故障时备用时钟板实时切换到主用，并通知后台维护人员更换检查。
背板是整个同步数据处理平台的基础，支撑起整个机箱，为各功能板卡提供互联互通通道，使各板卡能完成各自功能。
根据机箱的功能，背板网络拓扑分为业务通道、时钟通道和控制通道，各通道连接关系如图2所示。
业务通道：包括外部业务通道和处理板间业务同步通道，一般由千兆、万兆以太网或高速SERDES接口实现。外部业务通道是处理板和接口板之间的数据通道，外部数据经由此通道进入控制处理板处理。处理板间业务同步通道是三块控制处理板间高速数据通道，使备用控制处理板和主用控制控制处理板保持数据同步，相位一致。
时钟通道：包括时钟板和接口板、控制处理板之间的通道以及两块时钟板间通道。时钟信号包括秒同步（1PPS）、国际标准时（TOD）以及模拟时钟（10MHz、25MHz）信号。时钟信号通过背板供给接口板和控制处理板，保证所有板卡的时钟频率、相位一致，并且时间也一致。时钟板支持卫星授时、原子钟授时以及网络1588协议授时，并且1+1主备冗余，自动切换。
控制通道：包括控制处理板到接口板和时钟板控制信号以及控制处理板间控制信号。控制处理板到接口板和时钟板控制信号完成控制板对其他板卡的上电、复位、状态检测等功能。控制处理板间控制信号完成三块控制处理板间主备状态同步及控制。
应用场景：
本发明可以应用但不限于在铁路站场综合调度中，这种场景要求可靠性高、响应快而且全网时间同步。具体为：站场的有线、无线通信数据，包括列调命令、监控数据、站场环境数据等通过接口板进入同步数据处理平台，送到主用控制处理板处理后再返回接口板，然后分发给各控制单元，同时也上传给机房的列调服务器及控制中心。
硬件设计上需注意以下几点：
1、接口板与外部设备接口，无冗余，可靠性要求高。设计上宜采用FPGA做控制，使用硬逻辑设计，尽量不跑操作系统，功能简单可靠。
2、控制处理板完成业务数据的处理，要求处理能力强、可靠性高、实时性好。设计上宜采用嵌入式CPU+FPGA架构，CPU跑嵌入式实时操作系统提高稳定性和高速业务处理能力，FPGA用以完成无线信号处理、控制处理板主备切换、各板卡状态监测等实时业务。
3、时钟板给机箱各单板提供时钟，要保证各种情况下时钟的连续性和质量，时钟板应支持卫星、原子钟、网络1588授时，并仔细设计控制逻辑，保证不同授时模式切换时背板时钟相位不变。另外主备时钟板之间要预留单独时钟通道，保证备用时钟板的时钟相位始终同步主用板时钟相位，这样主备时钟板切换时各单板使用的时钟相位不变。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种高可靠性实时同步数据处理设备，其特征在于：包括同步数据处理机箱以及集成在机箱内的控制处理板、接口板和时钟板，三种设备板的背板网络拓扑分为业务通道、时钟通道和控制通道；
所述的控制处理板完成整个机箱控制管理以及数据分析处理功能；
所述的接口板提供处理板对外业务物理接口，提供整个机箱的管理配置物理接口；
所述的时钟板给整个控制处理板和接口板提供高精度时钟和UTC时间信息，时钟板支持北斗\GPS授时、外部原子钟授时设备授时及网络1588授时；
所述的业务通道包括外部业务通道和处理板间业务同步通道，由千兆、万兆以太网或高速SERDES接口实现；外部业务通道为处理板和接口板之间的数据通道，外部数据经由此通道进入控制处理板处理；处理板间业务同步通道是若干块控制处理板之间的高速数据通道，使备用控制处理板和主用控制控制处理板保持数据同步，相位一致；
时钟通道包括时钟板和接口板、控制处理板之间的通道以及若干时钟板间通道；时钟信号包括秒同步、国际标准时以及模拟时钟信号，时钟信号通过背板供给接口板和控制处理板，保证所有板卡的时钟频率、相位一致，并且时间也一致；
控制通道：包括控制处理板到接口板和时钟板控制信号以及控制处理板间控制信号；控制处理板到接口板和时钟板控制信号完成控制板对其他板卡的上电、复位、状态检测功能，控制处理板间控制信号完成若干控制处理板间主备状态同步及控制。
2.根据权利要求1所述的高可靠性实时同步数据处理设备，其特征在于：所述的控制处理板采用2+1主备冗余，支持热备份。
3.根据权利要求1所述的高可靠性实时同步数据处理设备，其特征在于：所述的时钟板采用1+1主备冗余。
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