CN114389703B - 一种激光通信以太网透明传输及多路切换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光通信以太网透明传输及多路切换装置，包括通信控制接口板和若干信道编解码板，每个信道编解码板上均连接有基于以太网接口的帧处理板，帧处理板上连接有时钟恢复电路和用于向大气信道发送信源光信号的信源调制及光发射模块，时钟恢复电路上连接有用于从大气信道接收信源光信号的信源光接收及光电转换模块；本发明采用了以太网PHY芯片配合DSP+FPGA处理器，实现了以太网物理层数据的无差别接收和透明转发。
Description
技术领域
本发明属于激光通信领域，具体涉及一种激光通信以太网透明传输及多路切换装置。
背景技术
激光通信网络的功能主要是以光为载体完成通信对象之间数据的透传。在数据发送部分，设备可以将语音、图像、报文等信息进行编解码和成帧处理，然后对处理后的信息进行电光转换，通过1550nm的激光发射出去；在数据接收部分，接收光学系统可以将对方的光学载波进行接收，并进行光电转换，然后对数据进行解帧和解码，即可将对方的信息恢复出来。
现有大多数嵌入式以太网设计将整个以太网协议栈处理集成化、封装化，以满足市面上针对数据终端的处理需求。但是具有透明传输需求的激光通信网络数据中继无法采用这种全功能协议栈设计。
发明内容
本发明设计并实现了一种新的数据传输机制，解决了以太网数据流的无阻塞透明传输问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种激光通信以太网透明传输及多路切换装置，包括通信控制接口板和与通信控制接口板连接的若干基于以太网接口的信道编解码板，每个信道编解码板上均通过10/100M自适应以太网接口连接有基于以太网接口的帧处理板，所述的帧处理板上连接有时钟恢复电路和用于向大气信道发送信源光信号的信源调制及光发射模块，所述的时钟恢复电路上连接有用于从大气信道接收信源光信号的信源光接收及光电转换模块；所述的通信控制接口板包括第一板载FPGA、通过PHY物理层芯片与第一板载FPGA连接的网络隔离变压器以及与第一板载FPGA连接的RS422电平转换芯片和第一DSP；通信控制接口板将通信系统的以太网业务数据和串口通信数据根据工作需要分配至左舷激光通信机或右舷激光通信机进行数据传输，其工作原理是接收10/100M自适应以太网接口发送的数据，将以太网差分数据通过网络隔离变压器和PHY物理层芯片转换成TTL电平的以太网数据接入至第一板载FPGA，在第一板载FPGA内部构建FIFO，利用FIFO存储转发实现多路以太网数据的实时切换，完成通信系统以太网业务数据的左、右舷的分配。
所述的一种激光通信以太网透明传输及多路切换装置，其第一板载FPGA和PHY物理层芯片通过MDIO接口和MDC接口连接，第一板载FPGA还包括与MDIO接口连接的两个并/串转换接口，所述的第一DSP通过EMIF总线接口与并/串转换接口连接。
所述的一种激光通信以太网透明传输及多路切换装置，其信道编解码板包括第二板载FPGA、通过RS422电平转换模块与第二板载FPGA连接的RS422接口、通过10/100M自适应以太网物理层芯片与第二板载FPGA连接的10/100M自适应以太网接口、与第二板载FPGA连接的第二DSP、SRAM、LVDS发送器和LVDS接收器。
所述的一种激光通信以太网透明传输及多路切换装置，其帧处理板包括第三板载FPGA和与第三板载FPGA连接的第三DSP。
本发明的有益效果是：
1，本发明装置使用FPGA模拟完成以太网MAC子层功能，将以太网的MAC子层从数据链路层中剥离出来，使用FPGA完成了与物理层数据交互、成帧/解帧、错误判断等主要功能，剔除了地址判别、IP数据报封装等功能，实现了以太网物理层数据的无差别接收和透明转发。
2，本发明装置使用单片FPGA实现了对四路以太网PHY芯片SMI总线的并行驱动控制，解决了DSP接口资源不足的问题，同时减少了MAC层专用芯片的使用，有效简化了电气设计方案。
3，本发明装置实现多路以太网数据的并行传输和基于物理层的以太网通道实时切换。在FPGA软件设计中，运用FIFO存储转发、成帧/解帧等方法，解决了多路数据跨时钟域传输的问题。
附图说明
图1为本发明激光通信链路组成图；
图2为本发明通信控制接口板的组成原理图；
图3为本发明基于以太网接口的信道编解码板的组成原理图；
图4为本发明基于以太网的帧处理板的组成原理图；
图5为PHY控制接口框图；
图6为PHY芯片驱动软件流程图；
图7是MDC/MDIO读写时序图；
图8是以太网数据通道切换流程图。
各附图标记为：1—通信控制接口板，10—第一板载FPGA，11—RS422电平转换芯片，12—PHY物理层芯片，13—网络隔离变压器，14—第一DSP，2—信道编解码板，20—第二板载FPGA，21—RS422电平转换模块，22—RS422接口，23—10/100M自适应以太网物理层芯片，24—10/100M自适应以太网接口，25—以太网变压器，26—第二DSP，27—SRAM，28—LVDS发送器，29—LVDS接收器，3—帧处理板，4—信源调制及光发射模块，5—时钟恢复电路，6—信源光接收及光电转换模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述。
本发明涉及激光通信设备的数据通信技术，具体设计了数据传输机制，并要求具有多路数据并发处理和数据通路切换的功能。本发明公开的一种以太网透明传输及多路切换装置，作为激光通信链路单元通过以太网与综合业务接入设备连接并向大气信道发送/接收信源光信号，组成图如图1所示，包括通信控制接口板1和与通信控制接口板1连接的若干基于以太网接口的信道编解码板2，每个信道编解码板2上均通过10/100M自适应以太网接口24连接有基于以太网接口的帧处理板3，所述的帧处理板3上连接有时钟恢复电路5和用于向大气信道发送信源光信号的信源调制及光发射模块4，所述的时钟恢复电路5上连接有用于从大气信道接收信源光信号的信源光接收及光电转换模块6。
所述的通信控制接口板1包括第一板载FPGA 10，第一板载FPGA 10一侧通过两个PHY物理层芯片12各连接一个网络隔离变压器13，用于发送1#通道以太网业务数据和2#通道以太网业务数据，同时通过四个RS422电平转换芯片11分别连接1#通道RS422串口流控数据输出、2#通道RS422串口流控数据输出、1#通道RS422串口数据输出和2#通道RS422串口数据输出；另一侧通过两个PHY物理层芯片12各连接一个网络隔离变压器13，用于输入以太网业务数据，同时通过两个RS422电平转换芯片11分别输入RS422串口流控数据和RS422串口数据，第一板载FPGA 10上还连接有电源电路7，以及通过I/O和总线接口连接第一DSP 14，第一DSP 14通过两个电平转换芯片分别输出8路IO和输入8路IO。通信控制接口板1是针对舰载激光通信设备中左舷和右舷激光通信机信道传输切换以及多台激光通信设备中继通信而专门研制的，用于将通信系统的以太网业务数据、串口通信数据根据工作需要分配至左舷激光通信机或右舷激光通信机进行数据的传输，其功能组成原理框图如图2所示，通信控制接口板的功能是将通信系统的以太网业务数据、串口通信数据根据工作需要分配至左舷激光通信机或右舷激光通信机进行数据传输。其工作原理是接收10/100M自适应以太网接口24发送的数据，将以太网差分数据通过网络隔离变压器13和PHY物理层芯片12转换至TTL电平的以太网数据接入至第一板载FPGA 10，在第一板载FPGA 10内部构建FIFO，利用FIFO存储转发实现多路以太网数据的实时切换，完成通信系统以太网业务数据的左、右舷的分配。
所述的信道编解码板2包括第二板载FPGA 20，第二板载FPGA 20一侧通过三个RS422电平转换模块21分别各连接一个RS422接口22，其中一个RS422接口22为带流控全功能RS422接口，还通过10/100M自适应以太网物理层芯片23依次连接以太网变压器25和10/100M自适应以太网接口24；一侧通过I/O接口、总线接口和串口与第二DSP 26连接，同样通过10/100M自适应以太网物理层芯片23依次连接以太网变压器25和10/100M自适应以太网接口24，还通过LVDS发送器28连接电缆驱动器，通过LVDS接收器29依次连接时钟恢复电路5和自适应均衡器，第二板载FPGA 20上还连接有电源电路7，以及用于交织的两片SRAM 27和用于解交织的两片SRAM 27。如图3所示。
所述的帧处理板3包括第三板载FPGA30和与第三板载FPGA30连接的第三DSP 32用于与时钟恢复电路5、信道编解码板2、信源调制驱动板和传感器控制板交互数据。其中帧处理板3与信道编解码板2通过10/100M自适应以太网接口24进行连接，接口电路从以太网接口的码流中提取出信道编解码,24发送的数据，并进行缓存、重发和成帧处理；同时，从解帧器输出的数据，也是通过以太网接口发送给信道编解码板2。图4为基于以太网接口的帧处理板3的组成原理图。
本发明设计采用了以太网PHY芯片配合DSP+FPGA处理器组合实现。根据实际需求，可选用三速自适应PHY芯片，可支持10M/100M/1000M三种传输速率。PHY芯片经以太网变压器25、RJ45接口和物理媒介相连，完成物理层数据收发，同时对外提供MII/RMII（10/100M模式）或GMII/RGMII（1000M模式）标准接口；DSP通过串行控制接口（MDC/MDIO接口）对PHY芯片进行驱动控制和状态管理；FPGA模拟以太网MAC层，完成与物理层的数据交互、数据成帧/解帧、错误判断等实时性要求较高的处理功能。同时，为了满足激光通信机左、右舷通信信道的切换要求，研制了基于以太网物理层的通信控制接口模块，实现了通信业务数据的多路并发处理和数据通路切换功能。
100M以太网连接的物理层为100BASE-TX协议（采用两对5类非屏蔽双绞线或屏蔽双绞线的IEEE802.3 100Mb/S物理层规格协议）。100BASE-TX以太网协议的数据发送过程如下：板载FPGA将4B数据流发送给物理层芯片，物理层的PCS子层（物理编码子层）将4B数据经过4B/5B变换转化成为5B数据，并通过并/串转换形成125M串行NRZ数据，同时对其进行加扰操作。加扰后的NRZ数据经编码器转换为NRZI码型，NRZI码型数据又在TP-PMD（双绞线物理媒介依赖子层）中被转换成MLT-3码型，最终送至物理媒介（双绞线）上进行发送。100BASE-TX以太网协议的数据接收过程与发送过程正好相反，数据信号从双绞线上接收后，经过MLT-3解码，形成NRZI码，并从中提取出时钟信号。NRZI码再被变换成NRZ码，依次经过解扰、串/并转换，5B/4B变换，最终恢复出原始数据，并发送至板载FPGA做进一步处理。
10M以太网连接的物理层为10BASE-T协议（采用电话双绞线的IEEE802.3 10Mb/S物理层规格协议）。10BASE-T协议通过PLS层（物理信令子层）对发送/接收数据进行编解码（曼彻斯特编解码）。对发送过程，它将NRZ数据进行曼彻斯特编码，再发送给PMA子层。对接收过程，它接收从PMA子层送来的曼彻斯特编码数据，从中提取出时钟信号，再解码为NRZ数据，并发送至板载FPGA做下一步处理。
参照图5所示，所述的第一板载FPGA 10和PHY物理层芯片12通过MDIO接口和MDC接口连接，第一板载FPGA 10还包括与MDIO接口连接的两个并/串转换接口，以及与MDC接口连接的PLL锁相环，所述的第一DSP 14通过EMIF总线接口与并/串转换接口连接。根据前述电路设计，FPGA模拟MAC层通过MII（媒体独立接口）同以太网PHY芯片相连，而MII接口控制采用了通用的SMI串行控制总线。其包含MDC和MDIO两条控制线，MDIO是一个PHY的管理接口，用来读写PHY的寄存器，以控制PHY的行为或获取PHY的状态，MDC为MDIO的控制时钟。PHY芯片的控制由DSP和FPGA协同完成。
在DSP芯片中完成驱动软件编写，实现芯片复位、连接模式控制、状态回读等功能。设计流程图如下图6所示：初始化后对芯片软复位，判断是否成功；否则为异常退出并返回错误代码，是则判断是否强制模式；否则自协商建链（判断协商是否成功；否则为异常退出并返回错误代码），是则按强制模式要求设置BMCR寄存器，最后退出并返回成功标志。
由于PHY芯片的管理总线为串行模式，不易于由DSP进行直接控制。经过FPGA内部寄存器中转、完成控制字的串/并或并/串转换，最终由FPGA实现对MDC/MDIO串行总线的直接读写。FPGA控制MDC/MDIO时序图如下图7所示：（a）是MDC/MDIO读时序，（b）是MDC/MDIO写时序。
以太网数据切换功能由通信控制接口板完成，电路板高度集成了四路10/100M以太网接口，使用FPGA实现逻辑和时序控制及信道的分配，完成通信业务数据的切换分发及中继通信。采用FPGA实时检测以太网数据帧帧头、帧尾，对以太网数据进行实时纠错，有效提高以太网传输速率。程序流程图如图8所示：开始后对变量及系统资源配置初始化，初始化DP83848IVV，MII数据接口读写，以太网数据帧检测，以太网数据帧纠错，FIFO数据存取，通信业务数据切换/中继，结束。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1. 一种激光通信以太网透明传输及多路切换装置，其特征在于：包括通信控制接口板（1）和与通信控制接口板（1）连接的若干信道编解码板（2），每个信道编解码板（2）上均连接有基于以太网接口的帧处理板（3），所述的帧处理板（3）上连接有时钟恢复电路（5）和用于向大气信道发送信源光信号的信源调制及光发射模块（4），所述的时钟恢复电路（5）上连接有用于从大气信道接收信源光信号的信源光接收及光电转换模块（6）；所述的通信控制接口板（1）包括第一板载FPGA（10）、通过PHY物理层芯片（12）与第一板载FPGA（10）连接的网络隔离变压器（13）以及与第一板载FPGA（10）连接的RS422电平转换芯片（11）和第一DSP（14）；第一板载FPGA（10）和PHY物理层芯片（12）通过MDIO接口和MDC接口连接，第一板载FPGA（10）还包括与MDIO接口连接的两个并/串转换接口，所述的第一DSP（14）通过EMIF总线接口与并/串转换接口连接；第一板载FPGA（10）一侧通过两个PHY物理层芯片（12）各连接一个网络隔离变压器（13），用于发送1#通道以太网业务数据和2#通道以太网业务数据，同时通过四个RS422电平转换芯片（11）分别连接1#通道RS422串口流控数据输出、2#通道RS422串口流控数据输出、1#通道RS422串口数据输出和2#通道RS422串口数据输出；另一侧通过两个PHY物理层芯片（12）各连接一个网络隔离变压器（13），用于输入以太网业务数据，同时通过两个RS422电平转换芯片（11）分别输入RS422串口流控数据和RS422串口数据，第一板载FPGA（10）通过I/O和总线接口连接第一DSP（14），第一DSP （14）通过两个电平转换芯片分别输出8路IO和输入8路IO；通信控制接口板（1）接收10/100M自适应以太网接口24发送的数据，将以太网差分数据通过网络隔离变压器（13）和PHY物理层芯片（12）转换成TTL电平的以太网数据接入至第一板载FPGA（10），在第一板载FPGA （10）内部构建FIFO，利用FIFO存储转发实现多路以太网数据的实时切换，完成通信系统以太网业务数据的左、右舷的分配，实现多路以太网数据的实时切换。
2.根据权利要求1所述的一种激光通信以太网透明传输及多路切换装置，其特征在于，所述的信道编解码板（2）包括第二板载FPGA（20）、通过RS422电平转换模块（21）与第二板载FPGA（20）连接的RS422接口（22）、通过10/100M自适应以太网物理层芯片（23）与第二板载FPGA（20）连接的10/100M自适应以太网接口（24）、与第二板载FPGA（20）连接的第二DSP（26）、SRAM（27）、LVDS发送器（28）和LVDS接收器（29）。
3.根据权利要求2所述的一种激光通信以太网透明传输及多路切换装置，其特征在于，所述的帧处理板（3）包括第三板载FPGA（30）和与第三板载FPGA（30）连接的第三DSP（32）。
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