基于环网结构的高可靠性分布式采集设计

易 敏 ，苏淑靖

（1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051；2.中北大学 电子测试技术重点实验室，太原 030051）

随着高速数据通信技术的发展，传统的一点对一点分布式采集结构已经难以满足工业化应用。数据记录和采集设备在航空、工业领域中占据着重要的地位，多点数据采集技术的应用需求越来越广泛，对其传输的可靠性要求也越来越严格，特别是在大数据量采集和记录的情况下迫切需要更高的可靠性和自纠错能力。现有的点对点结构和星形结构的采集方法由于其在资源的利用率、成本、功耗等方面的限制已难以胜任多点之间数据采集与通信的任务，而且现有的分布式采集也存在可靠性低和传输速率低的问题[1-3]。

因此采用新的硬件结构以及新的通信协议解决多点数据采集的问题显得日益重要，冗余技术以及差错控制编码的出现，对解决分布式数据采集与传输的可靠性问题提供了可能，而LVDS技术的应用提高了本设计的传输速度。

1 拓扑结构的设计

大部分分布式采集都是计算机控制，主要采用的拓扑结构有：星型和环型。星型拓扑结构是用一个节点作为中心节点，其他节点直接与中心节点相连而构成的网络，其常用示意图如图1所示。若使用星形作为分布式采集的拓扑结构，则需要耗费大量的电缆，会增加安装和维护的工作量，而且各站点的分布处理能力较低，这些缺点使得星形结构在高效分布式采集中受到很多的限制。

图1 星型拓扑结构Fig.1 Star Topology

环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，这种结构使公共传输电缆组成环型连接，数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，数据流从一个节点传到另一个节点，通常这类网络也称之为“令牌环网”[4]（如图2所示）。在分布式采集中，使用环型网络具有实现简单、投资最小、传输速度较快以及电缆长度短的优点，它可以简化分布式路径选择的控制，而且控制软件简单。当需要增加或减少记录仪时，仅需简单的连接操作，就可以增加分布式网络中的节点数。故在本设计中采用环网总线的拓扑结构实现分布式数据采集。

图2 环型拓扑结构Fig.2 Ring Topology

2 物理层接口

低压差分信号LVDS（low voltage differential signaling）技术是一种低电压摆幅的数据传输和接口技术。低功耗、低的电磁干扰（EMI）和出色的抗噪声性能等优点使得LVDS在远距离传输中应用非常广泛，数据速率能够达到3 Gb/s以上。LVDS的典型信号摆幅为350 mV，对应的功率很低，因此，LVDS是一种效率极高的技术。为了满足至少200 Mb/s传输速率的要求，本设计中采用LVDS的物理层接口技术。设计中设备之间采用点对点的连接结构。

延展器的使用可以实现信号无衰减的长线通信，在本设计LVDS的发送端和接收端都使用一对电缆延展器 （DS15BA101 和 DS15EA101）[5]，保证了至少25 m通信的信号完整性以及抗噪声性能。其中，DS15EA101作为信号调理的接收器，DS15BA101作为与之匹配的电缆驱动器。而且单个驱动器和接收器对的互连结构很简单，可以很好地控制信号路径中的阻抗，保证极高的数据传输率。

DS92LV18芯片是18位总线LVDS串化/解串器，其具有独立的发送和接收控制时钟、使能和电源中断引脚，工作频率范围在15～66 MHz之间，为达到高速串化/解串的目的，通道的数据传输接口都用此芯片作为LVDS总线传输的发送端和接收端。冗余技术能有效提高系统的可靠性，因此在设计中增加一条通道作为冗余通道[6]。

3 数据链路层

数字信号在传输的过程中，容易受到噪声的干扰，导致码元波形变坏，使接收到的数据出错。为提高传输的可靠性，在数据传输之前将数字信号进行差错编码，降低误码率。正反码是一种简单的能够纠错的编码，其监督位数目和信息位数目相同。图3给出本设计编码和解码规则。

图3 编码/解码规则Fig.3 Encode/decode rules

若信息位为01101011，则监督位为01101011，发送码组为“信息位+监督位”；当“信息位⊕监督位”结果全为‘0’时，由于接收码组中‘1’个数为奇数，所以校验码组就是00000000，此时传输无错码。正反码具有纠正1位错码的能力，设计中正反编码的应用，提高了分布式数据传输的可靠性，同时可以降低传输的误码率。

4 分布式采集方法实现

4.1 分布式采集控制

计算机完成分布式采集的控制、数据分析和存储，数据综合器作为多点采集的控制中心。计算机软件下发数据采集和传输的命令，并通过高速USB外围控制器CY7C68013读回采集到的数据并对结果进行分析。数据综合器通过给节点发送采集命令和地址控制采集的节点，通过回收的节点结束命令结束该节点的读数，并控制下一个节点的采集，从而实现环网结构各站点的采集功能。主控卡和数据综合器之间采用双绞线连接，主控卡将采集到的信号编码，并通过LVDS芯片串化后发送给数据综合器，数据综合器的LVDS芯片对数据进行解串并在解码后发送给计算机。

4.2 分布式采集方法

设计中采用环网总线的拓扑结构（图2所示），在采集之前，计算机需要给每个采集节点分配地址，作为节点标志。每个节点由电源卡供电，主控卡作为采集和传输控制卡，0卡/1卡为采集卡，环网结构中有N个记录仪，地址/命令/数据在系统中的流向如图4所示。在分配完地址后，数据综合器上传网络内采集节点的个数给计算机，以便完成循环采集的命令。完成先采集记录仪1的0卡和1卡各一帧数据，每个记录仪1环路周期内总共采集2帧数据，接着采集记录仪2的0卡和1卡，继续下去，当循环采集完整个网络内的节点各卡的一帧数据后就相当于完成了一次分布式采集指令。

图4 地址/命令/数据流向图Fig.4 Address/order/data flow graph

数据综合器和主控卡的配合是采集过程实现的基础，数据综合器在接收到计算机通过CY7C68013 USB接口下发的采集命令后，打开其FPGA内部的控制程序，以“地址+读帧命令”格式的形式发送给第一个记录仪的主控卡，主控卡先判断地址是否匹配，如果匹配则接收读帧命令，读帧命令使得在线读数有效，当第一个记录仪的1卡的帧结束标志传回综合器后，综合器发送结束命令，并将地址加1，继续以同样的格式下发给网络，此时第二个记录仪的读帧命令有效，开始采集该记录仪0卡和1卡的数据。

循环一周后，各站点完成一次数据采集后，将地址初始化，继续下一个采集周期，这样就实现了基于环网总线结构的分布式数据采集，一个采集周期的数据结构如图5所示。

图5 1环路周期数据结构Fig.5 A loop cycle data structure

结束命令使得当前记录仪地址匹配无效，为读取下一个记录仪数据提供方便，如果地址不匹配则记录仪不执行采集命令，如果地址匹配则采集该记录仪的2帧数据。分布式循环采集的具体实现流程图如图6所示。

5 实验结果

本设计采集3个记录仪设备，经过多次测试，证明了采集与传输的高可靠性。图7是分布式采集系统的计算机采集并记录的一段数据，每个记录仪的两卡都发送自增数，各记录仪设备之间采用25 m的双绞线连接，实线框内的“14+6F”为一个环路标志，虚线内为各个记录仪的两帧数据，“EB+90”为帧头，“84/85”为第一个记录仪设备“0卡/1卡”两卡标志，“88/89”、“8C/8D” 为第二个/第三个站点设备地址，其中每个站点都有两张采集卡，11为采样率，00～0F为采集卡发的自增数，测试中LVDS的通信容量为240 Mb/s。通过这样的数据标准格式，可以方便地使用计算机分析。测试10次10G的自增数大小实验都没有出现误码和丢数的情况。

图6 循环采集流程图Fig.6 Acquisition cycle flowchart

6 结语

本文介绍了一种基于环网结构的高可靠性分布式采集设计，整个设计参照了局域网中环形拓扑的结构，物理层上采用双通道15～66 MHz的LVDS串化解串器、同时增加了线缆驱动器和均衡器，数据链路层运用正反差错控制编码方式，硬件和软件部分都提高了采集可靠性。该设计已经可以实现最大240 Mb/s的高可靠性的分布式数据采集与传输，并具有速度高、可靠性高、实现简单以及功耗低的特点，在工业化应用中具有很高的使用价值和参考价值。

[1] 陈宁，徐春雷，庄卫金，等.地县一体化调度自动化系统分布式数据采集方法[J].电力系统自动化，2011，35（24）：89-92.

[2] 李振华，王志新，张华强.分布式无线数据采集系统的实现方法[J].自动化仪表，2010，31（5）：73-78.

[3] 张亚南，刘洞华，王飞飞，等.星形低功耗无线数据采集网络的设计与分析[J].自动化仪表，2011，32（12）：47-50.

[4] 单彦虎，甄囯涌，李圣昆.基于令牌环的LVDS总线协议设计与实现[J].电测与仪表 2010，47（3）：77-80.

[5] 戴萧嫣，王立恒，李圣昆，等.基于LVDS的长线传输模块设计[J].通信技术，2009，42（11）：4-6.

[6] 王珍熙.可靠性·冗余及容错技术[M].北京：航空工业出版社，1991.