FPGA主備倒換的電路設(shè)計(jì)

《電視技術(shù)雜志》2023年第十一期

1FPGA規(guī)律掌握方案

1．1模塊說明

1．1．1I/O模塊主控卡上的FPGA芯片的I/O信號(hào)通過LBC總線傳送到CPU;系統(tǒng)初始化完成后，CPU會(huì)通過LBC掃描FP-GA上的全部I/O信息;另外，實(shí)時(shí)監(jiān)控某些I/O的電平狀態(tài)，然后發(fā)中斷給CPU，CPU接到中斷后會(huì)啟動(dòng)ISP，掃描被監(jiān)控的I/O上的電平。涉及到主備倒換的I/O信號(hào)有主控卡的槽位ID信號(hào)、主備之間的心跳信號(hào)、主備之間的在位信號(hào)、主備之間的復(fù)位信號(hào)、主備之間的工作狀態(tài)信號(hào)。

1．1．2復(fù)位模塊主控卡的復(fù)位模塊是在FPGA中完成的。上電時(shí)，通過MAX706輸入給FPGA的復(fù)位信號(hào)，首先給CPU卡復(fù)位;當(dāng)CPU初始化完成后，再通過LBC總線向FPGA寫復(fù)位存放器，完成復(fù)位過程。

1．1．3看門狗模塊主控卡的看門狗模塊是完成對(duì)CPU模塊的監(jiān)控，假如CPU模塊“死機(jī)”，看門狗會(huì)執(zhí)行主備倒換到備主控上，同時(shí)復(fù)位自己本主控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)過程如下:1)上電后，F(xiàn)PGA初始化全部存放器的值，F(xiàn)PGA的喂狗信號(hào)開頭輸出周期性的脈沖。2)假如檢測(cè)包含初始化信息的存放器為0，則FPGA輸出給MAX706的看門狗信號(hào)由FPGA的喂狗信號(hào)供應(yīng);假如檢測(cè)為1，則看門狗信號(hào)由CPU的喂狗信號(hào)供應(yīng)。3)假如看門狗失效，則會(huì)產(chǎn)生主復(fù)位信號(hào)POＲE-SET。

1．2編碼原則兩塊主控卡之間的3根線可以組成8種狀態(tài)編碼。通過對(duì)這些編碼給予特別的定義，當(dāng)對(duì)方的FPGA監(jiān)聽和讀取到主備互傳的這些編碼，上報(bào)給CPU，從而來實(shí)現(xiàn)主備狀態(tài)快速傳遞。信號(hào)定義和編碼規(guī)章如表1所示。主/備控在位(Line1):主控卡的在位狀態(tài)。1表示主控卡在位;0表示主控卡不在位。主/備主控主備(Line2):主控卡的運(yùn)行狀態(tài)，用來指示本主控卡是否為主主控。1表示本卡為主主控卡;0表示本卡為備主控卡。主/備主控好壞標(biāo)志(Line3):周期性的心跳信號(hào)。1表示運(yùn)行正常;0表示為初始化未完畢或者運(yùn)行非正常。

1．3主備倒換原理和實(shí)現(xiàn)

1．3．1設(shè)備啟動(dòng)過程中的主備倒換1)上電啟動(dòng)時(shí)，若FPGA檢測(cè)到本主控處在6號(hào)槽位，而7號(hào)槽位沒有主控卡時(shí)，則6號(hào)槽位主控根據(jù)正常初始化過程進(jìn)展啟動(dòng)，當(dāng)CPU完成初始化時(shí)，該主控就自動(dòng)升級(jí)為主主控。2)若FPGA檢測(cè)到本主控處在7號(hào)槽位，而6號(hào)槽位沒有主控卡時(shí)，則7號(hào)槽位的主控仍舊根據(jù)正常初始化過程進(jìn)展啟動(dòng)，整個(gè)啟動(dòng)過程同上。3)若6號(hào)槽位的主控正常啟動(dòng)，完成初始化并獲得主主控狀態(tài)。與此同時(shí)，7號(hào)槽位的主控上電時(shí)，檢測(cè)到備主控在位且處在7號(hào)槽位。這時(shí)，F(xiàn)PGA就需要掌握本主控的啟動(dòng)時(shí)間，通過掌握整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位狀態(tài)，將本主控的啟動(dòng)時(shí)間延時(shí)10s。當(dāng)10s延時(shí)到達(dá)后，7號(hào)槽位的主控通過主備之間的3根線推斷6號(hào)槽位的主控已經(jīng)升級(jí)到主主控狀態(tài)時(shí)，7號(hào)槽位的主控就自動(dòng)降為備主控。并始終處于監(jiān)聽主主控狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)聽到主主控狀態(tài)編碼為復(fù)位狀態(tài)(100)，主備倒換懇求狀態(tài)(101)，拔出(故障)狀態(tài)(000)時(shí)，7號(hào)槽位主控就自動(dòng)升級(jí)為主主控狀態(tài)。上電啟動(dòng)過程中狀態(tài)關(guān)系如圖2所示，規(guī)律框圖如圖3所示。規(guī)律代碼構(gòu)造如下:

1．3．2設(shè)備運(yùn)行過程中的主備倒換1)主動(dòng)倒換:當(dāng)后臺(tái)主動(dòng)發(fā)出指令要求系統(tǒng)主備倒換時(shí)，主主控進(jìn)入主備倒換懇求狀態(tài)，當(dāng)備主控監(jiān)控到該懇求時(shí)，升級(jí)為主主控狀態(tài)，同時(shí)主主控自動(dòng)降級(jí)為備主控狀態(tài)。2)自動(dòng)倒換:當(dāng)主主控消失故障或者拔出時(shí)，備主控檢測(cè)到主主控處于該狀態(tài)(000)時(shí)，備主控自動(dòng)升級(jí)為主主控。3)復(fù)位倒換:當(dāng)主主控被復(fù)位時(shí)，主主控輸出復(fù)位狀態(tài)編碼(100)，當(dāng)備主控檢測(cè)到此狀態(tài)編碼后，自動(dòng)升級(jí)為主主控狀態(tài)。被復(fù)位后的主控根據(jù)備主控方式啟動(dòng)，并處于備主控監(jiān)聽狀態(tài)(011)。

2試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證方法:依據(jù)測(cè)試用例對(duì)OLT進(jìn)展主控卡1+1冗余愛護(hù)測(cè)試。正常數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)收發(fā)時(shí)，執(zhí)行主備倒換，觀看數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是否正常。環(huán)境搭建拓?fù)淙鐖D4所示。

2．1常溫環(huán)境測(cè)試測(cè)試過程:1)通過網(wǎng)管配置數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，測(cè)試儀通過ONU/OLT發(fā)送上下行數(shù)據(jù)，觀看在OLT上聯(lián)口和ONU的UNI口接收的流量，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)正常。2)串口連接至主掌握卡，show當(dāng)前主控主備狀態(tài)。3)后臺(tái)執(zhí)行主備倒換。4)測(cè)試停頓，觀看數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)丟包是否嚴(yán)峻。流量測(cè)試如圖5所示。5)計(jì)算倒換時(shí)間計(jì)算方法:倒換時(shí)間可以通過主備倒換過程中丟包數(shù)量和發(fā)送速率的比值來確定丟包時(shí)間。發(fā)送速率如圖圖5常溫環(huán)境下Smartbit流量測(cè)試結(jié)果(截圖)6所示。式中:ＲateＲx為接收端速率，Tsw為倒換時(shí)間。

2．2凹凸溫環(huán)境測(cè)試將OLT設(shè)備置于凹凸溫測(cè)試箱，對(duì)主控進(jìn)展主備倒換測(cè)試。目的是在凹凸溫環(huán)境下，測(cè)試主控執(zhí)行主備倒換的穩(wěn)定性。測(cè)試條件:1)凹凸溫沖擊試驗(yàn)高溫40℃±5℃，持續(xù)4h;低溫0℃±5℃，持續(xù)4h;2)凹凸溫交變濕熱試驗(yàn)相對(duì)濕度為50%～60%。測(cè)試過程:重復(fù)2．1節(jié)測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

2．3熱插拔測(cè)試對(duì)兩塊主控卡交替插拔50次，通過串口打印信息，觀看主控卡都能自動(dòng)完成主備倒換過程，并無(wú)消失數(shù)據(jù)流完全中斷。通過測(cè)試主備的倒換時(shí)間約為20ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)方案(牽強(qiáng)接近電信50ms［4］)的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)通過凹凸溫環(huán)境測(cè)試和熱插拔測(cè)試，并未發(fā)覺不良情形，進(jìn)一步保證了設(shè)備的穩(wěn)定性。此結(jié)果說明白該方案實(shí)現(xiàn)了主備的無(wú)縫式倒換。

3小結(jié)

本文從硬件規(guī)律設(shè)計(jì)的角度提出了基于FPGA實(shí)現(xiàn)的具體框架、過程和編碼