CN110784263B - 一种基于fpga具有冗余功能的光纤传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，包括主端设备和从端设备，主端设备和从端设备使用两套独立的高速双向双芯光纤线缆连接，其特征在于：所述主端设备和从端设备内部均采用两个接口定义一致的光纤航插连接器，及同样型号的两个单收单发光电转换模块，两个光纤航插连接器在主端设备和从端设备内部分别连接在两个单收单发光电转换模块上，主端设备和从端设备通过外部两套独立的高速双向双芯光纤线缆连接，组成一套物理上的两组收发连接的冗余备份，本发明可实现不同信号类型和同一类型信号不同数量的混合无压缩传输，而且可通过对光纤通道数据传输的异常进行检测，进行自动冗余切换，保证了传输的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体是一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置。
背景技术
相对于传统的电介质传输，光纤传输具有频带宽，传输距离远，损耗小，重量轻，体积小，抗电磁干扰，传输质量佳，保密性好，节约金属材料等诸多优点，已在音视频及各种信号传输领域得到广泛的应用。
目前的光纤传输设备，主要存在以下几种形式：一种是采用专用集成芯片来传输某一特定类的信号如视频，音频，串口，USB，IO等，可传输信号的种类和数量都受限制，另一种是采用可编程器件FPGA处理来传输，可传输某几个特定类信号，主要限于视频+音频或者视频+串口等类型，可传输种类不丰富和可传输数量不足，而且上述两种方式还有一个共同的缺点就是无法应用在对传输可靠性要求较高的场合，没有冗余功能，基本采用的是单路传输方式，当光纤通道上传输出现物理损坏或传输数据出现异常时，会造成整个传输系统工作失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，包括主端设备和从端设备，主端设备和从端设备使用两套独立的高速双向双芯光纤线缆连接。所述主端设备和从端设备内部均采用两个接口定义一致的光纤航插连接器，及同样型号的两个单收单发光电转换模块，两个光纤航插连接器在主端设备和从端设备内部分别连接在两个单收单发光电转换模块上，主端设备和从端设备通过外部两套独立的高速双向双芯光纤线缆连接，组成一套物理上的两组收发连接的冗余备份。
作为本发明的进一步方案：一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，包括主端设备和从端设备，主端设备和从端设备使用两套独立的高速双向双芯光纤线缆连接。其特征在于：所述主端设备和从端设备内部均采用两个接口定义一致的光纤航插连接器，及同样型号的两个单收单发光电转换模块，两个光纤航插连接器在主端设备和从端设备内部分别连接在两个单收单发光电转换模块上，主端设备和从端设备通过外部两套独立的高速双向双芯光纤线缆连接，组成一套物理上的两组收发连接的冗余备份。
作为本发明的进一步方案：所述主端设备和从端设备的FPGA芯片，通过FPGA内部软硬件编程及配置连接不同种类和数量的外设接口芯片，实现不同信号类型和同一类型信号多个数量的混合可配置光纤传输。
作为本发明的进一步方案：所述主端设备和从端设备的FPGA芯片，可通过对光纤通道数据传输的异常进行检测，进行自动冗余切换光纤传输通道。
作为本发明的进一步方案：所述主端设备和从端设备均内置AC转DC电源模块，从端设备还配一个AC转DC 12V和5V双通道电压输出模块，满足扩展外设接口设备的供电需求。
作为本发明的进一步方案：通过增加外部高速双向双芯光纤线缆数量，光纤航插连接器芯数，光收发模块收发通道数量，可进一步扩大可光纤传输的各类视频，音频，CAN,串口，USB，IO信号的数量。
作为本发明的进一步方案：所述主端设备和从端设备都具有独立的发送和接收部分，是互相独立并行工作。
作为本发明的进一步方案：所述FPGA芯片内部按照传输信号类型及速率进行分类，经数据格式打包后，再分别经过FPGA内部FIFO缓冲后，在内部混合数据发送状态机的控制下，插入发送起始符，空闲符，结束符号，CRC校验数据符进行协议处理，经过协议处理的各类传输信号按所占位宽进行特定的位置排列后，经冗余发送模块同时发送到独立的两路高速串行模块的64位宽数据并行端口上，再经高速串行模块转换为两路独立的高速串行电信号，发送给外部两个独立光收发模块。
作为本发明的进一步方案：所述FPGA内部高速串行收发模块的并行端口恢复出两路独立的64位宽数据，经FPGA内部冗余二选一模块判断接收到的两路冗余64位并行数据，有无异常或错误；当两路数据都正常时，任选一路处理，当一路异常时，选择另一路；当两路均异常时持续判断，直到某一路为正常，被选择到的一路正常64位宽数据，在混合数据接收状态机处理和控制下，按照发送端位宽特定的位置排列进行数据分配，其中视频信号先经过外部DDR3存储器组缓存处理，再和其它信号经FPGA内部对应FIFO缓冲后，经数据格式恢复处理，分别送入到外部各类接口芯片，还原为发送端信号提供给外设设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用FPGA芯片具有的多个高速收发接口模块和数量众多且可配置的IO接口及内部可重复编程的特点，采用外部两个冗余光纤航插连接器和两个冗余的光电转换模块搭建冗余光电接口，通过外部两套冗余的高速双向双芯光纤线缆连接，并在不同信号类型和数量的视频编码器，视频解码器，音频编解码器，串口电平转换器，CAN协议转换器，USB协议转换器，IO电平转换器等外设接口芯片的配合下，通过FPGA内部软硬件编程，可实现不同信号类型和同一类型信号不同数量的混合无压缩传输，而且可通过对光纤通道数据传输的异常进行检测，进行自动冗余切换，保证了传输的可靠性；该装置可涵盖常用计算机接口，工业CAN接口，音视频传输及显示等接口，具有很强的通用性，在机载，船舶，车载，地面测试，工业现场等对传输距离和可靠性有较高的要求的领域和场合具有广泛用途。
附图说明
图1是本发明的组成示意图。
图2是本发明主端设备内部FPGA收发处理单元工作流程示意图。
图3是本发明从端设备内部FPGA收发处理单元工作流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，实施例1：本发明实施例中，一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，包括一套主端设备和一套从端设备，主端设备和从端设备内部均采用两个接口定义一致的光纤航插连接器，及同样型号的两个单收单发光电转换模块，两个光纤航插连接器在主端设备和从端设备内部分别连接在两个单收单发光电转换模块上，主端设备和从端设备通过外部两套独立的高速双向双芯光纤线缆连接，组成一套物理上的两组收发连接的冗余备份。
主端设备和从端设备各采用一片Xilinx公司的K7系列大容量FPGA芯片，FPGA芯片的高速串行收发接口与光电转换模块相连，FPGA芯片的数据IO接口分别与各类外设接口芯片相连，外设接口芯片包含视频编码器，视频解码器，音频编解码器，串口电平转换器，CAN协议转换器，USB协议转换器，IO电平转换器，其中视频编码器只与主端设备的FPGA芯片的数据IO接口相连，视频解码器只与从端设备的FPGA芯片的数据IO接口相连；从端设备的FPGA芯片外部连接有大容量DDR3存储器组，用于接收视频数据缓冲处理；主端设备和从端设备的FPGA芯片，通过FPGA内部软硬件编程及配置连接不同种类和数量的外设接口芯片，实现不同信号类型和同一类型信号多个数量的混合可配置光纤传输；主端设备和从端设备的FPGA芯片，可通过对光纤通道数据传输的异常进行检测，进行自动冗余切换光纤传输通道。
由于需要传输的外部信号类型，既有单向传输的需求，如视频信号，需要把主机或视频源发送的视频信号从主端设备传输到从端设备；也有双向传输的需求，如音频信号，串口信号，CAN信号，IO信号，USB信号等，主端设备和从端设备都具有独立的发送和接收部分，是互相独立并行工作。下面讲述下主端设备发送部分到从端设备接收部分的信号光纤传输处理流程；从端设备发送部分到主端设备接收部分的信号光纤传输处理流程是一样的。
另外，主端设备和从端设备均内置AC转DC电源模块，方便在外部交流供电环境使用；其中从端设备还配一个AC转DC 12V和5V双通道电压输出模块，满足扩展外设接口设备的供电需求。
主端设备和从端设备内部FPGA收发单元工作流程如下：
主端设备和从端设备上电工作后，如图2、图3所示，主端设备发送部分把主机或发送源需要传输的多种类型和多个数量信号经外部各类接信号理芯片转换为电信号送入FPGA芯片内部，在FPGA芯片内部按照传输信号类型及速率进行分类，经数据格式打包后，再分别经过FPGA内部FIFO缓冲后，在内部混合数据发送状态机的控制下，插入发送起始符，空闲符，结束符号，CRC校验数据符进行协议处理，经过协议处理的各类传输信号按所占位宽进行特定的位置排列后，经冗余发送模块同时发送到独立的两路高速串行模块的64位宽数据并行端口上，再经高速串行模块转换为两路独立的高速串行电信号，发送给外部两个独立光收发模块，转换为两路光信号，经外部冗余光纤航插连接器及外部冗余高速双向双芯光纤线缆，送入到从端设备接收部分对应的冗余光纤航插连接器和冗余光收发模块中转换为两路冗余的高速串行电信号，两路冗余的高速串行电信号经从端设备FPGA内部高速串行收发模块的并行端口恢复出两路独立的64位宽数据，经FPGA内部冗余二选一模块判断接收到的两路冗余64位并行数据，有无异常或错误；当两路数据都正常时，任选一路处理，当一路异常时，选择另一路；当两路均异常时持续判断，直到某一路为正常；被选择到的一路正常64位宽数据，在混合数据接收状态机处理和控制下，按照发送端位宽特定的位置排列进行数据分配，其中视频信号先经过外部DDR3存储器组缓存处理，再和其它信号经FPGA内部对应FIFO缓冲后，经数据格式恢复处理，分别送入到外部各类接口芯片，还原为发送端信号提供给外设设备。
本发明装置可通过增加外部高速双向双芯光纤线缆数量，光纤航插连接器芯数，光收发模块收发通道数量，利用FPGA拥有的多个高速收发接口，进一步扩大可光纤传输的各类视频，音频，CAN,串口，USB，IO信号的数量。
本发明利用FPGA芯片具有的多个高速收发接口模块和数量众多且可配置的IO接口及灵活可重复编程的特点，采用外部两个冗余光纤航插连接器和两个冗余的光电转换模块搭建冗余光电接口，通过外部两套冗余的高速双向双芯光纤线缆连接，并在不同信号类型和数量的视频编码器，视频解码器，音频编解码器，串口电平转换器，CAN协议转换器，USB协议转换器，IO电平转换器等外设接口芯片的配合下，通过FPGA内部软硬件编程，可实现不同信号类型和同一类型信号不同数量的混合无压缩传输，而且可通过对光纤通道数据传输的异常进行检测，进行自动冗余切换，保证了传输的可靠性；该装置可涵盖常用计算机接口，工业CAN接口，音视频传输及显示等接口，具有很强的通用性，在机载，船舶，车载，地面测试，工业现场等对传输距离和可靠性有较高的要求的领域和场合具有广泛用途。
实施例2：在实施例1的基础上，从端设备配备的AC转DC 12V和5V双通道电压输出模块，可为外设接口设备供电。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，包括主端设备和从端设备，主端设备和从端设备使用两套独立的高速双向双芯光纤线缆连接，其特征在于：所述主端设备和从端设备内部均采用两个接口定义一致的光纤航插连接器，及同样型号的两个单收单发光电转换模块，两个光纤航插连接器在主端设备和从端设备内部分别连接在两个单收单发光电转换模块上，主端设备和从端设备通过外部两套独立的高速双向双芯光纤线缆连接，组成一套物理上的两组收发连接的冗余备份，主端设备和从端设备上电工作后，主端设备发送部分把主机或发送源需要传输的多种类型和多个数量信号经外部各类接信号理芯片转换为电信号送入FPGA芯片内部，在FPGA芯片内部按照传输信号类型及速率进行分类，经数据格式打包后，再分别经过FPGA内部FIFO缓冲后，在内部混合数据发送状态机的控制下，插入发送起始符，空闲符，结束符号，CRC校验数据符进行协议处理，经过协议处理的各类传输信号按所占位宽进行特定的位置排列后，经冗余发送模块同时发送到独立的两路高速串行模块的64位宽数据并行端口上，再经高速串行模块转换为两路独立的高速串行电信号，发送给外部两个独立光收发模块，转换为两路光信号，经外部冗余光纤航插连接器及外部冗余高速双向双芯光纤线缆，送入到从端设备接收部分对应的冗余光纤航插连接器和冗余光收发模块中转换为两路冗余的高速串行电信号，两路冗余的高速串行电信号经从端设备FPGA内部高速串行收发模块的并行端口恢复出两路独立的64位宽数据，经FPGA内部冗余二选一模块判断接收到的两路冗余64位并行数据，有无异常或错误；当两路数据都正常时，任选一路处理，当一路异常时，选择另一路；当两路均异常时持续判断，直到某一路为正常；被选择到的一路正常64位宽数据，在混合数据接收状态机处理和控制下，按照发送端位宽特定的位置排列进行数据分配，其中视频信号先经过外部DDR3存储器组缓存处理，再和其它信号经FPGA内部对应FIFO缓冲后，经数据格式恢复处理，分别送入到外部各类接口芯片，还原为发送端信号提供给外设设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，其特征在于，所述主端设备和从端设备各采用一片Xilinx公司的K7系列大容量FPGA芯片，FPGA芯片的数据IO接口分别与各类外设接口芯片相连，外设接口芯片包含视频编码器，视频解码器，音频编解码器，串口电平转换器，CAN协议转换器，USB协议转换器，IO电平转换器，其中视频编码器只与主端设备的FPGA芯片的数据IO接口相连，视频解码器只与从端设备的FPGA芯片的数据IO接口相连；从端设备FPGA芯片外部连接有大容量DDR3存储器组，用于接收视频数据缓冲处理。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，其特征在于，所述主端设备和从端设备的FPGA芯片，通过FPGA内部软硬件编程及配置连接不同种类和数量的外设接口芯片，实现不同信号类型和同一类型信号多个数量的混合可配置光纤传输。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，其特征在于，所述主端设备和从端设备的FPGA芯片，可通过对光纤通道数据传输的异常进行检测，进行自动冗余切换光纤传输通道。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，其特征在于，所述主端设备和从端设备均内置AC转DC电源模块，从端设备还配一个AC转DC 12V和5V双通道电压输出模块，满足扩展外设接口设备的供电需求。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，其特征在于，通过增加外部高速双向双芯光纤线缆数量，光纤航插连接器芯数，光收发模块收发通道数量，可进一步扩大可光纤传输的各类视频，音频，CAN,串口，USB，IO信号的数量。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA具有冗余功能的光纤传输装置，其特征在于，所述主端设备和从端设备都具有独立的发送和接收部分，是互相独立并行工作。
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