基于直连以太网和TDM的分布式采集系统同步数据传输技术

亓盛元



基于直连以太网和TDM的分布式采集系统同步数据传输技术

亓盛元

对于遥测数据采集系统，通过以太网来建立数据传输网络是一种非常合适的方案。但是，由于以太网的CSMA/CD（载波监听多路访同和冲突检测）特性，使得它不能够保证数据传输的同步性。本文分析了分布式数据采集系统数据传输的重要特点，提出了一种通过以太网和时分多路复用技术来解决分布式数据采集系统数据同步传输问题的技术方案。

采用总线传输方式的数据采集系统已不能满足飞行试验分布式遥测系统的需要，因此，试飞测试工程师们将更多的关注集中于网络化的数据采集系统。与普通的网络数据传输不同，在分布式数据采集系统中，数据流传输的方向和目的具有确定性。也就是说， 在分布式数据采集系统中， 每个采集单元的数据通常都会通过交换机发送给一台记录器或者一个PCM网关。同时，在特定的时间周期内所要发送的数据总量也是一定的。此外，为了满足实时处理和监控的要求，数据在传输时还保持时序。为了便于讨论， 本文假设单个数据采集单元的输出数据速率小于300Mbps， 总的数据采集速率不超过6Gbps。

因为以太网的适宜性，通过该技术来构建分布式的网络化测试系统已成为一种趋势。但是，由于其数据传输采用异步方式及其时间延迟的不确定性，因此，构建分布式遥测系统所使用的数据传输网络，要使其性能更好，必须对以太网进行改进。

CSMA/CD 协议主要用于检测多个网络节点同时发送消息到同一目标节点的情况，一般是通过强制各个发送网络节点等待一个随机时间再重新发送信息来解决冲突问题，这种机制将导致数据在传输过程中会产生了一个不确定的时同延迟，并且发送信息到同一个目标节点的网络节点越多，这个时间等待延迟将越长。不幸的是，这种情况正是分布式遥测系统传输数据的特点，例如所有的数据采集単元都发送数据到网络中心节点——数据记录器。因此，直接将以太网技术用于分布式遥测系统解决数据传输同题，这种时间延迟的不确定性将会更加严重 。

如何利用以太网的优势，同时解决这种时间延迟的不确定性问题将在下文讨论 。此外，下文还将介绍系统数据汇聚所使用的时分多路复用技术。

直连以太网

首先， 需要分析分布式数据采集系统中数据传输的特点。假定一个典型的系统由几个数据采集单元（DAUs），一个中央数据汇聚单元 （CGU），一个记录器和一个遥测传输单元组成。该系统的数据流情况如图1所示。

显然，在分布式数据采集系统中， 整个数据采集工作中每个数据流的方向都是确定的，同时各数据采集单元之间不存在数据流，并且各数据釆集单元采集的数据会被发送到同一个目的地。例如在图1中， 所有数据采集単元采集到的数据都会被发送到记录器，同时一部分数据会被发送到遥测传输单元。

如果单纯使用以太网来解决上述分布式数据采集系统的数据传输的问题， 可以使用以太网交换机（系统时间同步通常支持 IEEE1588协议）作为中央数据汇聚单元，给记录器及每个数据采集单元提供以太网访问接口。这种方案是分布式数据采集系统使用以太网技术的常用方案。但是，当各数据采集单元同时发送数据到记录器或遥测传输单元将会出现问题，CSMA/CD机制会导致数据发送产生不确定的时间延迟，这种时间延迟为了避免网络信号冲突会同时会造成数据时间序列的混乱。

为了解决上述问题，本文讨论采用直连以太网来代替以太网交换机。例如，在中央数据汇聚单元中配置了 l6个以太网模块，一个以太网模块连接一个数据采集单元（DAU），这样每个 DAU与 CGU之间的以太网连接就是唯一的，DAU可将釆集到的数据使用独立的连接通道立即发送给CGU。

记录器可以集成在 CGU中，也可以是一个独立的以太网记录设备，在本文中， 为了获得更高的系统带宽，我们选择将它集成在 CGU中。

CGU和时分多路复用

直连以太网虽然可以解决信号冲突的问题，但是对于完整的解决方案，这只是问题的一半。如何安排各个数据采集单元的数据在同一时刻到达同一目的地， 这是接下来要讨论的问题。

为了保证 CGU能够同步传输所有的釆集数据，即记录器或者遥测传输单元所要接收的数据。在本文讨论中我们需要的处理能力是不小于2.5Gb每秒。

如图3所示，在 CGU中，我们设计了一种具有4个独立以太网模块的 DAU 接收器，同时在CGU的主板上有4条LVDS通道，一个DAU接收器可连接一条LVDS通道，每条 LVDS通道能以2.5Gbps的速率将DAU接收器的信号传输给记录器模块，在这里我们假定每个通道上的数据负载不会超过1.5Gbps。CGU中还包含一个数据输出模块，该模块监听4条 LVDS通道的信号，挑选预先配置的数据，然后将这些数据以 PCM格式发送给遥测传输单元或者直接以网络数据包格式发送给其它以太网端口。

图1　分布式数据采集系统中的数据流

图2　采用直连以太网通道连接的数据采集系统

图3　CGU的例子

在图3所示的 CGU中，一个DAU接收器具有4个以太网模块，每个以太网模块可以独立的直连一个 DAU接收其采集到的数据。CGU中的记录器包含4个内存模块，每个模块连接一条LVDS通道同时下载该通道中传输的采集数据，内存模块记录数据的速率可以达到l.5Gbps，那么在该系统中记录器的最大记录速率可以达到6Gbps。

为了保证 DAU接收器传输数据到记录器的同步性，在这里使用了 TDM技术。我们将 LVDS通道的2.5Gbps带宽划分为多个时同槽，例如 Al，B1，Cl，Dl，A2，B2，C2，D2， …，An，Bn，Cn，Dn， 每个时间槽的带宽设置为2Mbps。那么，从 DAU1接收到的数据使用时槽A1，A2，...，An发送，DAU2使用 B1，B2，...，Bn，以此类推，就建立了4条比特率为600Mbps的虚拟数据通道，每条通道对应一个以太网模块的输出。如果每个 DAU的数据输出不超过300Mbps，那么通过 DAU接收器传输的4路数据流就很容易的适应2.5G的 LVDS通道。这样，DAU采集到的数据就可以同步的传输给记录器，并且可以通过 PCM输出数据到遥测传输单元。在这里，从以太网加载数据到LVDS通道的时间延迟是确定的，最大不会超过6ms。

系统时间和管理

时同同步机制对于一个数据采集系统十分关键，这样DAUs可以同步采样并且可以将时间标签添加到采集的数据中。在上例中，CGU中包含 IRIG-B模块，该模块可以从外部时间源接收 IRIG-B码和1PPS信号为整个系统提供时间基准服务。在本文讨论中，时间信号是通过CGU的主板来传送的。

我们修改了IEEE1588协议为整个系统进行授时。首先，没有采用 CGU的时钟用来计算系统时间同步延迟，时间同步延迟在这里是由每台 DAU计算的。其次，同步时延的测量基准使用的是 DAU到 CGU之间的直连以太网的线路时钟，而没有使用CGU的时钟，CGU时钟主要用作外部时钟源同步。在标准的l588协议中，由于CSMA/CD机制会引起的时间延迟的不确定性，延迟时间只能通过时间同步信号多次传输的平均值来估计。但是，在本案例中， 因为直连以太网没有数据冲突且每台 DAU的信号传输延时具有确定性，所以时间同步信号的传输延时可以明确的计算出来。在实际情况中，以上案例的时间同步精度已经达到了50ns。此外，我们还可以使用线路时钟恢复技术对 DAU 的时钟进行频率同步。

同时，CGU会发送同步信号给每个DAU，可作为信号采样控制、相机的快门控制的同步信号。同步信号通过以太网的一个虚拟通道进行传输，方向与数据通道的传输方向相反 。

总结

在分布式的数据采集系统中，数据传输与常规的网络通信有很大不同，传输过程必须保证采集数据的时序不变，整个系统必须有一种定时机制确保数据采样和系统控制的同步性。

对于数据采集系统，通过以太网和 IEEE1588来建立数据传输网络是一种非常合适的技术路线。然而，以太网由于时延的不确定性和难以保证采集数据的传输时序，其很难满足分布式数据采集系统的要求。

在本文中，釆用 TDM、直连以太网以及改进的IEEE1588协议，可以实现一种满足飞行试验使用要求的数据传输网络，与此同时，和纯以太网相比较，该方案提高了整个系统的数据传输带宽。

亓盛元

中国飞行试验研究院

亓盛元（1982-）男，陕西西安人，工程师，研究生，研究方向：飞行试验机载测试技术。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.024