卫星通信调制解调器双机热备份数据切换器的研制

张维杰，薛利

（1.中国人民解放军63886部队，河南洛阳471000；2.中国人民解放军63626部队，甘肃酒泉732750）

卫星通信调制解调器双机热备份数据切换器的研制

张维杰1，薛利2

（1.中国人民解放军63886部队，河南洛阳471000；2.中国人民解放军63626部队，甘肃酒泉732750）

基于W77E58微处理器设计了卫星通信调制解调器双机热备份数据切换器。该切换器在不改变调制解调器软硬件配置的情况下实现了调制解调器的热备份。介绍数据切换器的硬件设计，并阐述了软件部分的设计。该设计缩短了卫星通信调制解调器在故障状态下的切换时间，减少了通信中断次数和时间，提高了卫星通信调制解调器的任务可用性和可靠性。

W77E58；调制解调器；数据切换器；热备份

调制解调器是卫星通信传输网传输设备中一个关键的环节[1]，其处于地面通信设备与发射设备的上/下变频器之间，在很大程度上决定着传输信道的质量。在发送链路，调制解调器将地面数据源的数据变换为符合卫星通信体制的信号形式，送到卫星信道上；在接收链路则相反。在实际应用中特别是高可靠性要求的场合，常采用冗余热备份机制，此时就需要数据切换器在热备份的主备两个调制解调器之间实现信号切换。当在线调制解调器发生故障时，切换器能够自动或以人工方式将备份调制解调器设置为在线状态，且调制解调器的调制和解调可以独立切换，从而使通信继续保持正常的工作状态，将调制解调器故障所引起的通信中断时间降至最小。本文介绍了一个调制解调器热备份控制单元的设计方案，该方案可行性强，实现的产品可靠性高，实用性强，对同类产品研发具有很好的参考价值。

1 设计需求

两台调制解调器同时工作，在不改变调制解调器任何硬件和软件的情况下，通过切换器选择其中的任一路发送和接收通道作为在线状态，另一路发送和接收通道作为备份状态。当在线发送或接收通道发生故障时，切换器通过状态采集电路能够以自动或人工方式将备份支路切换为备份状态，从而实现两台调制解调器的热备份功能。在自动方式下切换时间小于100 ms。

2 硬件电路设计

调制解调器数据切换器主要由CPU控制电路、中频开关切换电路、基带切换控制电路、调制解调器工作状态采集电路、面板显示及键盘、监控电路组成。其构成如图1所示。图中带有边框的为切换器的各功能模块。

2.1 调制电路

来自数据终端设备（DTE）的基带信号（TXC、TXD）经过电平转换电路，将RS 422接口电平转换为TTL电平，该TTL电平的基带信号和调制解调器接收解调的基带信号通过基带数据二选一切换开关，选择任一路转换为RS 422电平分别发送至主备两个调制器，经调制器调制成中频信号后发送至上变频器，实现输入和转发功能。

在实际工作中，由于只将在线调制解调器的中频信号送至上变频器，因而此处需设置中频切换开关，其作用是依据转换控制电路产生的切换信号，将在线调制解调器的中频信号输出到上变频器，而当在线调制解调器发生故障时，它又可以将另一备份调制解调器设置为在线状态，并将其中频信号输出到上变频器。

图1 电路构成框图

2.2 解调电路

来自下变频器的中频信号经二分路器送到主备两个解调器，经解调后分别得到其基带信号（RXC、RXD），由于只将在线解调器的基带信号输出到数据终端设备，因此，需将两个解调器输出的基带信号经过基带切换开关进行二选一切换，通过TTL电平至RS 422接口进行电平变换后输出到DTE；同时该基带信号送至发送基带数据切换开关实现转发功能。

2.3 CPU控制主板

CPU控制主板电路根据调制解调器工作状态采集电路的信息，产生用于中频和基带切换所需的自动控制信号，实现主备调制解调器的自动倒换，同时，它接收来自键盘、站内监控的控制信号指令实现本地控制方式下手动操作。主控板包括CPU微处理器、硬件看门狗电路、参数存储电路和接口驱动控制电路。控制主板示意图如图2所示。

图2 主板原理框图

CPU选用增强型51系列单片机W77E58[2]。W77E58是Winbond公司推出的增强型51系列单片机，可与标准的8052兼容，内含4个8位I/O口，3个16位计数器，1个看门狗电路，32 KB可编程程序存储器，1 KB片内数据存储器和2个全双工串行通信标准接口。W77E58的串行口，经过SN65LBC180接口电平转换后变成四线或二线RS 485串行通信接口，用于与远程计算机通信，保证通信的实时性和抗干扰性，能满足设计要求。

看门狗电路采用CPU专用监控器X5045[3]，具有定时复位、电压监视、手动复位等功能，能够在程序运行不正常或工作电压不正常时迫使单片机复位，避免单片机运行不正常，提高系统工作的可靠性；接口驱动控制分为总线驱动和控制两部分。

微处理器P0口通过总线驱动和RD引脚，完成CPU与外部电路的数据交换及数据流向控制。实现键盘数据、设备地址和调制解调器设备工作状态的读取输入，同时也可输出切换控制信号，前面板状态指示和接口控制信号等。微处理器P1口完成CPU与看门狗电路的数据交换及设备状态参数的存储与调用，当CPU工作出现异常，看门狗电路给出电路复位信号，使CPU恢复到正常工作状态。

2.4 工作状态采集电路

要实现调制解调器热备份功能，必须能实时监测调制解调器的功能，即调制解调器设备是处于正常工作状态，还是设备处于告警或故障状态。调制解调器故障或告警状态有两种查询方式，一种是通过串行口发出查询命令来得到；一种是直接检测告警口TTL电平得到。前者可以得到较多的故障信息，但实时性不强，延迟较大；后者实时性强，但只能得到正常和故障两类信号，考虑到实时性要求，方案实现选择第二种方法，即检测告警口TTL电平得到设备工作状态。

2.5 基带切换电路

基带切换电路主要由双二选一数据选择器构成。发送支路如果选择来自DTE的发送数据则设备工作在输入方式；如果选择来自解调器的数据则设备处于转发工作状态，相当于给对端卫星通信站打一个数据环。接收支路选择两个解调器中的任一路A或B接收数据送到终端设备。

当切换器工作在输入方式时，地面发送的终端数据SD通过发送二选一数据选择同时送到调制解调器A、B基带数据接口发送端口。经过发送接口电平转换、成帧处理、信道编码、中频调制等过程输出至切换器。两台调制解调器同时接收的卫通数据送至切换器的数据输入RD1、RD2中，接收二选一数据选择开关根据需要选择其中任一路的接收数据通过接口电平转换输出到地面终端数据的端口。当切换器工作在转发方式时，两台调制解调器接收的卫通数据RD通过发送二选一数据选择同时送到调制解调器A、B基带数据接口发送端口，通过发送通道直接返回给对方，相当于给对方卫星通信信道打一个环。

3 软件设计

系统软件设计采用MCS⁃51汇编语言编写[4⁃6]，由主程序模块和多个子程序模块组成，程序结构清晰，便于今后系统功能升级。

3.1 主程序模块

主程序模块是核心控制部分，主要完成系统初始化、硬件配置检测、系统配置调用、调制解调器工作状态查询、故障处理等工作。程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

主程序主要是在完成系统启动时的一些初始化配置后进入主循环程序。在设备加电或是系统复位时，转入主程序入口地址。首先完成系统初始化、硬件配置检测等工作，当确认设备各部件工作正常后，则按上一次退出时的状态设置调用系统配置，接着进入主循环程序以查询方式工作。各功能模块都有各自的状态标志，根据各状态标志调用不同的功能模块。主循环程序由调制解调器工作状态查询模块和故障处理模块两部分组成。首先查询调制解调器的工作状态，判断是否工作正常，根据工作状态进入相应的程序模块。其次检查切换器是否存在故障报告，若有故障，则执行故障处理模块，否则返回初始状态继续下一轮查询。

3.2 调制解调器工作状态查询模块

当切换器工作在自动方式时，根据工作方式标志位可进入调制解调器工作状态查询模块，在手动方式下不能进入该程序。切换器按以下逻辑进行自动切换：若主备调制解调器一方正常，另一方故障，则正常的一方在线；若主备调制解调器均故障，则“B”在线，若当前在线一方处于正常状态，则不论另一方处于何种状态，切换器都将保持当前在线状态不变。在远端方式下，当主备调制解调器都正常时，网络管理系统可以通过监控接口对调制解调器在线状态进行控制。

3.3 中断程序模块

为提高系统运行效率，在软、硬件设计上设计了多个中断入口。主要中断模块有：定时器T0中断模块、键盘中断处理模块和串口中断模块。其中，键盘中断程序采用GAL16V8可编程器件[7]，硬件编码有0～5六个键值，在外部面板上设定上、下、左、右、确认和取消6个键，在软件中只需将键盘码值读回即可。由于按键数量较少，所以键盘操作主要以菜单选择为主。

4 结语

该设计方案在不改变调制解调器软、硬件设置的情况下，利用调制解调器提供的调制和解调TTL电平告警信号，增加一台切换器即可实现双机热备份工作方式。产品研制成功后长时间连续工作，设备工作稳定可靠。配合进口的Vitcom公司的M4000调制解调器[8]、Com⁃Tech公司的570L调制解调器[9]，国产的MCPC调制解调器[10]，模拟各种调制解调器故障模式，切换时间满足任务要求。切换时间由原人工进行拔插切换约2 min缩短至小于100 ms，缩短了通信中断时间，提高了调制解调器的工作可靠性。

[1]《卫星通信设备操作维修手册》主编组.卫星通信设备操作维修手册[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[2]华邦电子.W77E58 8位微处理器[M].北京：华邦电子，2005.

[3]Intersil Americas Inc.X5043，X5045 datasheet[M].USA：In⁃tersil Americas Inc，2006.

[4]孙晓民，李红青，徐平，等.MCS⁃51系统单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[5]张毅刚.新编MCS⁃51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.

[6]汪德彪.MCS⁃51单片机原理及接口技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2009.

[7]Lattice Semiconductor Corporation.GAL16V8 specifications [M].USA：Lattice，2006.

[8]Vitcom Company.M4000 modem installation and operation manual[M].USA：Vitcom，2004.

[9]Comtech EF Data Company.CDM⁃570L Modem Installation and Operation Manual[M].CA，USA：Comtech EF Data，2009.

[10]中国电子科技集团公司第五十四研究所.MCPC调制解调器操作使用说明书[M].石家庄：中国电子科技集团公司第五十四研究，2006.

Development of hot backup data switcher for satellite communication MODEM

ZHANG Wei⁃jie1，XUE Li2
（1.Unit 63886 of PLA，Luoyang 471000，China；2.Unit 63626 of PLA，Jiuquan 732750，China）

Based on W77E58 micro controller，a data switcher of hot backup for satellite communication MODEM was de⁃signed.Without changing current hardware and software configurations of the MODEM，the function of hot backup of MODEM was fulfilled.The hardware design of data switcher is introduced and the software design is elaborated in this paper.The design shortens the switch time when the MODEM is working in abnormal state，decreases the outage times of communication，and im⁃proves the mission usability and reliability of the satellite communication MODEM.

W77E58；MODEM；data switcher；hot backup

TN915.05⁃34

A

1004⁃373X（2015）07⁃0061⁃03

张维杰（1974—），男，甘肃靖远人，高级工程师，硕士。主要研究方向为通信总体技术。

薛利（1978—），男，江苏泗阳人，高级工程师。主要研究方向为卫星通信网络技术。

2014⁃10⁃09