CN116318399A - 一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统及方法，该系统包括主节点和若干个从节点，每个从节点与主节点通信连接，从节点配置有收发工作模式、接收工作模式和全双工通讯工作模式，主节点向特定从节点发送轮询广播报文，以建立主节点与特定从节点的通信。本发明采用轮询方式实现主节点与各个从节点之间的分时通信，中间只需经过光纤分路器/合路器，打破了原来的点对点高速串行通信需要频繁握手的限制，且无需额外增加路由电路，实现及后期维护容易，解决了目前主从式点对多点通信方案中通行协议复杂，实现与维护难度大的技术问题。

Description

一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及到一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统及方法。

背景技术

一般的点对多点的高速光纤通信方案：相应的节点经过专用路由交换芯片进行通信(经典应用是用rapidio交换网络)，可实现任意两节点之间的通信，使用灵活，扩展性强。缺点是需要额外的路由芯片和组网电路，通信协议复杂，实现与维护难度大。

现有点对多点的高速光纤通信方案中：

1.“一种点对多点光纤传输方法及相关设备”，(公开号：CN107493137A，申请号：CN2017105226844.3，申请人：上海华为技术有限公司，发明人：孙晓，齐江，王自强)。该方法申请了一种点对多点光纤传输方法及相关设备，各无线电设备(RE)和无线电控制设备(REC)之间的传输是相互独立的，采用树形光纤链路节省了光纤，REC支持连接更多的RE数量。该方法同时下发多个下行信号，不同的下行信号对应不同的目标，需要下发多个下行信号。

2.“一种主从式、对等式结合的光纤通讯系统”，(公开号：CN111901708A，申请号：CN202010631220.X，申请人：北京控制与电子技术研究所；北京国科天迅科技有限公司，发明人：赵君，魏江龙，徐秀波等)。该方法披露了一种主从式、对等式结合的光纤通讯系统，包括多个节点，所述多个节点包括NC节点和多个NT节点，其中：网络拓扑为总线式网络结构；所述多个节点间的通信方式包括主从式和对等式。该方法依然没有解决主从式通信中不同从节点的切换问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统及方法，旨在解决目前主从式点对多点通信方案中通行协议复杂，实现与维护难度大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，包括主节点和若干个从节点，每个从节点与主节点通信连接，从节点配置有收发工作模式、接收工作模式和全双工通讯工作模式，主节点向特定从节点发送轮询广播报文，以建立主节点与特定从节点的通信；其中：

主节点向特定从节点发送轮询广播报文前，控制当前通信的从节点从全双工通讯工作模式切换为接收工作模式；

主节点向特定从节点发送轮询广播报文后，控制特定从节点从接收工作模式切换为收发工作模式，主节点与从节点进行握手同步，从节点在握手同步后从收发工作模式切换为全双工通讯工作模式，实现主节点与特定从节点的通信。

可选的，主节点通过光分路器和光合路器与若干个从节点实现通信连接。

可选的，主节点、光分路器、光合路器和若干个从节点组成树状通信网络，所述主节点位于树状通信网络的根部，从节点位于树状通信网络的枝端。

可选的，主节点的光纤发送端通过光分束器连接至各从节点的接收端，各个从节点的光纤发送端通过光合路器连接至主节点的接收端；主节点发出的广播报文经树状网传至各个从节点，各个从节点发出的应答报文也通过树形网汇总至主节点。

可选的，所述从节点配置有光电转换模块的发送控制开关。

可选的，所述轮询广播报文包含控制特定从节点的控制信息，每个所述从节点在接收到轮询广播报文时，判断所述轮询广播报文与自身ID是否匹配，若是，发送控制开关打开，完成与主节点的握手同步。

可选的，所述从节点具有状态机，所述状态机配置有同步捕获模式、同步模式和误码监测模式，所述状态机在同步捕获模式、同步模式和误码监测模式之间切换，当所述状态机为同步模式时，从节点完成与主节点的握手同步。

可选的，当状态机处于同步捕获模式时，若监测到3个连续IDLE码、扩展码、1个有效数据或错误的延时，则进入同步模式；当状态机处于同步模式时，若接收到数据误码，进入误码监测模式；当状态机处于误码监测模式时，若连续接收到4个误码，进入同步捕获模式。

可选的，所述同步捕获模式具有三个等级，每检测到一个误码进入下一级，每检测到4个连续的正常数据，返回上一级。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信方法，用于如上所述的基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，所述方法包括以下步骤：

S1：当主节点与特定从节点建立通信时，向特定从节点发送轮询广播报文，接收到轮询广播报文的特定从节点将接收工作模式切换为收发工作模式，并向主节点执行握手同步；

S2：在握手同步后，特定从节点切换为全双工通信模式，执行主节点与特定从节点的通信；

S3：当主节点与其他从节点建立通信时，向当前从节点发送模式切换报文，以控制当前从节点将全双工通信模式切换为接收工作模式；

S4：在切换完成后，主节点向其他从节点发送轮询广播报文，以执行主节点与其他从节点的握手同步和通信。

本发明的有益技术效果：

本发明基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统及方法，采用轮询方式实现主节点与各个从节点之间的分时通信，中间只需经过光纤分路器/合路器，打破了原来的点对点高速串行通信需要频繁握手的限制，且无需额外增加路由电路，实现及后期维护容易。

附图说明

图1为本发明中主从式点对多点通信系统的原理示意图；

图2为本发明中主从式点对多点通信系统的结构示意图；

图3为本发明中TLK1501同步、收发状态机工作流程的示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。

下面将结合发明实施例中的附图，对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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。

参照图1，图1为本发明实施例方案涉及的一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统的架构示意图。

本实施例提供一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，包括主节点以及与主节点通信连接的若干个从节点。

如图2所示，主节点通过光分束器、合路器与多个从节点组成树状网络，主节点位于树状网的根部，从节点位于树状网的枝端，主节点的光纤发送端通过无源光分束器连接至各从节点的接收端，各个从节点的光纤发送端通过无源光合路器连接至主节点的接收端；主节点发出的广播报文经树状网传至各个从节点，各个从节点发出的应答报文也通过树形网汇总至主节点；进而构成点对多点的轮询通讯模式。

具体而言，本实施例中，基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统的工作状态切换流程包括如下步骤：

1、初始状态是主节点处于收发工作模式、各从节点处于接收工作模式；

2、主节点下发特定节点的轮询广播报文，被点名的特定从节点接收到对应自身的报文后转为收发工作模式，其他无关的从节点继续保持接收工作模式；

3、特定节点完成与主节点的握手同步后转入到正常的点对点的全双工通讯工作模式；

4、当主节点需要与其他从节点另建通讯时，需要通知当前正在通讯的从节点转为接收工作模式，再通知需要新建立通讯连接的从节点转换至收发模式、握手同步、建立全双工通讯连接(本实施例中，支持主节点对多从节点的半双工通讯或者主节点对从节点的全双工通讯)。

本实施例中，主节点采用的是JONHON-HTS1302-MD-S003SG光电转换模块，支持高速串行数据的光电转换功能。主控芯片是赛灵思7系列芯片Kintex7-XC7K410T，实现数据交互及外围电路的控制，FPGA与光电转换模块的通讯接口是FPGA自带的高速串行总线接口，GT类型采用的是GTX，传输协议采用的是8B/10B编码的裸协议，Comma码为K28.5，配置线上速率为1Gbps，参考时钟为125MHz，数据位宽为16bit，接收端电压为800mv，启用了接收数据时钟纠正恢复功能。

从节点使用的光纤转换芯片为TLK1501，该芯片为TI的一款高速串并-并串收发器产品，它主要包括三个主要模块：并串转换模块，串并转换模块和时钟模块。串并转换模块支持16位的并行接口，并行数据时钟为30-75MHz，本实施例使用的是16位数据位宽，50MHz数据时钟；该模块包括一个片内8B/10B编码器，发送数据时将16位并行数据分成两个8位数据进行编码，编码后的数据位20位，再通过并串转换发送出去，接收数据时则流程相反。

本实施例中，串行数据速率为1Gbps，由于是8B/10B编码，有效数据速率为800Mbps；TLK1501使用的参考时钟频率和并行数据的频率相同，均为50MHz；这个时钟经过内部锁相环倍频为1GHz，将并行数据转换为串行数据打出去，接收端从高速数据流中恢复出时钟和数据；接口电路采用CML逻辑电平，和其他逻辑电平接口通讯时，要注意不同电平之间的阻抗匹配，相同的逻辑电平间可以采用直流耦合或者交流耦合方式，本系统采用的是直流耦合方式。直流耦合注意事项：输入输出都要做直流偏置匹配，输出信号摆幅一定要大于输入的门限要求，并且输入需要正确的共模电压才能降低数据传输的误码率，本实施例中TLK1501的控制及收发数据控制同为赛灵思7系列芯片Kintex7-XC7K410T。

主节点与从节点的同步原理：TLK1501内部具有一个状态机，可以监测和控制芯片在同步捕获模式、同步模式和误码监测模式之间进行切换：TLK1501通过检测Comma码的IDLE码来进行同步，根据8B/10B编码规则，K28.5有两种码型，一种为0011111010(RD-极性)，另外一种为1100000101(RD+极性)，但TLK1501只能识别0011111010即RD-极性，1100000101(RD+极性)无法识别；因为TLK1501是16位接口的，根据规则，一个完整的同步码应该为K28.5+D5.6或者K28.5+D16.2；1、在进行传送有效数据前，TLK1501先进行同步，这时芯片进入同步捕获模式，此模式下，只要TLK1501检测到3个连续的IDLE码或载波扩展码，或一个有效数据或者错误的延时，即进入同步模式；2、完成同步以后，RX-ER输出为0，RX-DV输出为0。这时如果接收到有效数据，RX-ER输出为0，RX-DV输出为1。当正常接收数据时，如果TLK1501检测到数据误码，状态机进入误码检测模式，当检测到4个连续的误码时，TLK1501即重新进入捕获模式，捕获模式有1，2，3三个等级，每检测到一个误码，就进入下一级，每检测到4个连续的正常数据，就返回上一级，如果要从检测状态回到正常状态，则TLK1501最少要收到4个连续的正常数据，此时要注意RX-ER，RX-DV的状态，只要检测到一个误码，RX-ER输出为1，RX-DV输出为1。这两个状态信号和内部状态机没有直接关系，主要用这两个状态信号来指示同步的状态。TLK1501同步、收发状态机工作流程如图3所示。

主节点与从节点的同步实现：本实施例采用的同步码为K28.5+D16.2，根据8B/10B编码规则，保证了一个数据帧内所有字节的极性和应该为0，每一个字节的RD极性都是根据上一字节的RD极性来确定的，如上一个字节极性为RD-，则下一个字节的RD极性就为RD+或者0；TLK1501有两种控制方式发送同步码：1、控制将TX-EN、TX-ER置低，使发送端强制发送同步码；2、当TLK1501工作收发模式下(LCKREFN脚为高)，接收端收到错误的数据迫使进入同步捕获模式时，TLK1501内部状态机控制发送端再次发送同步码。

本实施例中，每个从节点的光电转换模块都具有一个光电转换模块的发送开关控制，通过这个开关来控制从节点是工作在接收模式或是收发模式。当主节点需要和指定的从节点通讯时先通过广播形式发出下行的广播报文(广播报文中包含控制特定从节点的控制信息)，初始时从节点都处于接收状态，当指定从节点收到主节点下发的点名报文后会和自身的ID进行比对，如果报文目标的ID和自身的ID对应上，则通过报文形式传输给主控芯片Kintex7-XC7K410T，然后控制FPGA的IO将发送开关打开，完成与主节点进行双向握手，实现主从节点的全双工通讯；其他未收到对应自身ID的从节点则继续保持处于接收模式，实现半双工通讯。

需要说明的是，主从节点可通过控制发送同步控制码和业务数据来实现同步及通讯；当无业务数据时，控制同步码标志gt0_txcharisk_i为二进制01，同步码gt0_txdata_i为十六进制50bc持续发送，当需要发送业务数据时gt0_txcharisk_i为二进制00，gt0_txdata_i为16位待发送数据；接收端同步码标志gt0_rxcharisk_i为二进制01，同步码gt0_rxdata_i为十六进制50bc代表正确收到了同步握手报文。当gt0_rxcharisk_i为二进制00，gt0_rxdata_i为业务数据。

以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，其特征在于，包括主节点和若干个从节点，每个从节点与主节点通信连接，从节点配置有收发工作模式、接收工作模式和全双工通讯工作模式，主节点向特定从节点发送轮询广播报文，以建立主节点与特定从节点的通信；其中：

主节点向特定从节点发送轮询广播报文前，控制当前通信的从节点从全双工通讯工作模式切换为接收工作模式；

主节点向特定从节点发送轮询广播报文后，控制特定从节点从接收工作模式切换为收发工作模式，主节点与从节点进行握手同步，从节点在握手同步后从收发工作模式切换为全双工通讯工作模式，实现主节点与特定从节点的通信。

2.如权利要求1所述的基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，其特征在于，主节点通过光分路器和光合路器与若干个从节点实现通信连接。

3.如权利要求2所述的基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，其特征在于，主节点、光分路器、光合路器和若干个从节点组成树状通信网络，所述主节点位于树状通信网络的根部，从节点位于树状通信网络的枝端。

4.如权利要求3所述的基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，其特征在于，主节点的光纤发送端通过光分束器连接至各从节点的接收端，各个从节点的光纤发送端通过光合路器连接至主节点的接收端；主节点发出的广播报文经树状网传至各个从节点，各个从节点发出的应答报文也通过树形网汇总至主节点。

5.如权利要求1所述的基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，其特征在于，所述从节点配置有光电转换模块的发送控制开关。

6.如权利要求5所述的基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，其特征在于，所述轮询广播报文包含控制特定从节点的控制信息，每个所述从节点在接收到轮询广播报文时，判断所述轮询广播报文与自身ID是否匹配，若是，发送控制开关打开，完成与主节点的握手同步。

7.如权利要求1所述的基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，其特征在于，所述从节点具有状态机，所述状态机配置有同步捕获模式、同步模式和误码监测模式，所述状态机在同步捕获模式、同步模式和误码监测模式之间切换，当所述状态机为同步模式时，从节点完成与主节点的握手同步。

8.如权利要求6所述的基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，其特征在于，当状态机处于同步捕获模式时，若监测到3个连续IDLE码、扩展码、1个有效数据或错误的延时，则进入同步模式；当状态机处于同步模式时，若接收到数据误码，进入误码监测模式；当状态机处于误码监测模式时，若连续接收到4个误码，进入同步捕获模式。

9.如权利要求8所述的基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，其特征在于，所述同步捕获模式具有三个等级，每检测到一个误码进入下一级，每检测到4个连续的正常数据，返回上一级。

10.一种基于高速光纤通信的主从式点对多点通信方法，其特征在于，用于如权利要求1-9任意一项所述的基于高速光纤通信的主从式点对多点通信系统，所述方法包括以下步骤：

S1：当主节点与特定从节点建立通信时，向特定从节点发送轮询广播报文，接收到轮询广播报文的特定从节点将接收工作模式切换为收发工作模式，并向主节点执行握手同步；

S2：在握手同步后，特定从节点切换为全双工通信模式，执行主节点与特定从节点的通信；

S3：当主节点与其他从节点建立通信时，向当前从节点发送模式切换报文，以控制当前从节点将全双工通信模式切换为接收工作模式；

S4：在切换完成后，主节点向其他从节点发送轮询广播报文，以执行主节点与其他从节点的握手同步和通信。

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