衛(wèi)星通信調(diào)制解調(diào)器雙機(jī)熱備份數(shù)據(jù)切換器的研制 ?34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004?373X202107?0061?03調(diào)制解調(diào)器是衛(wèi)星通信傳輸網(wǎng)傳輸設(shè)備中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)【1】，其處于地面通信設(shè)備與發(fā)射設(shè)備的上/下變頻器之間，在很大程度上決定著傳輸信道的質(zhì)量。在發(fā)送鏈路，調(diào)制解調(diào)器將地面數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)變換為符合衛(wèi)星通信體制的信號(hào)形式，送到衛(wèi)星信道上；在接收鏈路那么相反。在實(shí)際應(yīng)用中特別是高可靠性要求的場(chǎng)合，常采用冗余熱備份機(jī)制，此時(shí)就需要數(shù)據(jù)切換器在熱備份的主備兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器之間實(shí)現(xiàn)信號(hào)切換。當(dāng)在線調(diào)制解調(diào)器發(fā)生故障時(shí)，切換器能夠自動(dòng)或以人工方式將備份調(diào)制解調(diào)器設(shè)置為在線狀態(tài)，且調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制和解調(diào)可以獨(dú)立切換，從而使通信繼續(xù)保持正常的工作狀態(tài)，將調(diào)制解調(diào)器故障所引起的通信中斷時(shí)間降至最小。本文介紹了一個(gè)調(diào)制解調(diào)器熱備份控制單元的設(shè)計(jì)方案，該方案可行性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)同類產(chǎn)品研發(fā)具有很好的參考價(jià)值。1設(shè)計(jì)需求兩臺(tái)調(diào)制解調(diào)器同時(shí)工作，在不改變調(diào)制解調(diào)器任何硬件和軟件的情況下，通過切換器選擇其中的任一路發(fā)送和接收通道作為在線狀態(tài)，另一路發(fā)送和接收通道作為備份狀態(tài)。當(dāng)在線發(fā)送或接收通道發(fā)生故障時(shí)，切換器通過狀態(tài)采集電路能夠以自動(dòng)或人工方式將備份支路切換為備份狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)調(diào)制解調(diào)器的熱備份功能。在自動(dòng)方式下切換時(shí)間小于100ms。2硬件電路設(shè)計(jì)調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)切換器主要由CPU控制電路、中頻開關(guān)切換電路、基帶切換控制電路、調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)采集電路、面板顯示及鍵盤、監(jiān)控電路組成。其構(gòu)成如圖1所示。圖中帶有邊框的為切換器的各功能模塊。2.1調(diào)制電路將RS422接口電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，該TTL電平的基帶信號(hào)和調(diào)制解調(diào)器接收解調(diào)的基帶信號(hào)通過基帶數(shù)據(jù)二選一切換開關(guān)，選擇任一路轉(zhuǎn)換為RS422電平分別發(fā)送至主備兩個(gè)調(diào)制器，經(jīng)調(diào)制器調(diào)制成中頻信號(hào)后發(fā)送至上變頻器，實(shí)現(xiàn)輸入和轉(zhuǎn)發(fā)功能。在實(shí)際工作中，由于只將在線調(diào)制解調(diào)器的中頻信號(hào)送至上變頻器，因而此處需設(shè)置中頻切換開關(guān)，其作用是依據(jù)轉(zhuǎn)換控制電路產(chǎn)生的切換信號(hào)，將在線調(diào)制解調(diào)器的中頻信號(hào)輸出到上變頻器，而當(dāng)在線調(diào)制解調(diào)器發(fā)生故障時(shí)，它又可以將另一備份調(diào)制解調(diào)器設(shè)置為在線狀態(tài)，并將其中頻信號(hào)輸出到上變頻器。圖1電路構(gòu)成框圖2.2解調(diào)電路經(jīng)解調(diào)后分別得到其基帶信號(hào)RXC、RXD，由于只將在線解調(diào)器的基帶信號(hào)輸出到數(shù)據(jù)終端設(shè)備，因此，需將兩個(gè)解調(diào)器輸出的基帶信號(hào)經(jīng)過基帶切換開關(guān)進(jìn)行二選一切換，通過TTL電平至RS422接口進(jìn)行電平變換后輸出到DTE；同時(shí)該基帶信號(hào)送至發(fā)送基帶數(shù)據(jù)切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能。2.3CPU控制主板CPU控制主板電路根據(jù)調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)采集電路的信息，產(chǎn)生用于中頻和基帶切換所需的自動(dòng)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主備調(diào)制解調(diào)器的自動(dòng)倒換，同時(shí)，它接收可與標(biāo)準(zhǔn)的8052兼容，內(nèi)含4個(gè)8位I/O口，3個(gè)16位計(jì)數(shù)器，1個(gè)看門狗電路，32KB可編程程序存儲(chǔ)器，1KB片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和2個(gè)全雙工串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口。W77E58的串行口，經(jīng)過SN65LBC180接口電平轉(zhuǎn)換后變成四線或二線RS485串行通信接口，用于與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通信，保證通信的實(shí)時(shí)性和抗干擾性，能滿足設(shè)計(jì)要求?？撮T狗電路采用CPU專用監(jiān)控器X5045【3】，具有定時(shí)復(fù)位、電壓監(jiān)視、手動(dòng)復(fù)位等功能，能夠在程序運(yùn)行不正?；蚬ぷ麟妷翰徽r(shí)迫使單片機(jī)復(fù)位，防止單片機(jī)運(yùn)行不正常，提高系統(tǒng)工作的可靠性；接口驅(qū)動(dòng)控制分為總線驅(qū)動(dòng)和控制兩局部。微處理器P0口通過總線驅(qū)動(dòng)和RD引腳，完成CPU與外部電路的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)流向控制。實(shí)現(xiàn)鍵盤數(shù)據(jù)、設(shè)備地址和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備工作狀態(tài)的讀取輸入，同時(shí)也可輸出切換控制信號(hào)，前面板狀態(tài)指示和接口控制信號(hào)等。微處理器P1口完成CPU與看門狗電路的數(shù)據(jù)交換及設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的存儲(chǔ)與調(diào)用，當(dāng)CPU工作出現(xiàn)異常，看門狗電路給出電路復(fù)位信號(hào)，使CPU恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。2.4工作狀態(tài)采集電路要實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器熱備份功能，必須能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)制解調(diào)器的功能，即調(diào)制解調(diào)器設(shè)備是處于正常工作狀態(tài)，還是設(shè)備處于告警或故障狀態(tài)。調(diào)制解調(diào)器故障或告警狀態(tài)有兩種查詢方式，一種是通過串行口發(fā)出查詢命令來得到；一種是直接檢測(cè)告警口TTL電平得到。前者可以得到較多的故障信息，但實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，延遲較大；后者實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但只能得到正常和故障兩類信號(hào)，考慮到實(shí)時(shí)性要求，方案實(shí)現(xiàn)選擇第二種方法，即檢測(cè)告警口TTL電平得到設(shè)備工作狀態(tài)。2.5基帶切換電路基帶切換電路主要由雙二選一數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成。發(fā)送支路如果選擇相當(dāng)于給對(duì)端衛(wèi)星通信站打一個(gè)數(shù)據(jù)環(huán)。接收支路選擇兩個(gè)解調(diào)器中的任一路A或B接收數(shù)據(jù)送到終端設(shè)備。當(dāng)切換器工作在輸入方式時(shí)，地面發(fā)送的終端數(shù)據(jù)SD通過發(fā)送二選一數(shù)據(jù)選擇同時(shí)送到調(diào)制解調(diào)器A、B基帶數(shù)據(jù)接口發(fā)送端口。經(jīng)過發(fā)送接口電平轉(zhuǎn)換、成幀處理、信道編碼、中頻調(diào)制等過程輸出至切換器。兩臺(tái)調(diào)制解調(diào)器同時(shí)接收的衛(wèi)通數(shù)據(jù)送至切換器的數(shù)據(jù)輸入RD1、RD2中，接收二選一數(shù)據(jù)選擇開關(guān)根據(jù)需要選擇其中任一路的接收數(shù)據(jù)通過接口電平轉(zhuǎn)換輸出到地面終端數(shù)據(jù)的端口。當(dāng)切換器工作在轉(zhuǎn)發(fā)方式時(shí)，兩臺(tái)調(diào)制解調(diào)器接收的衛(wèi)通數(shù)據(jù)RD通過發(fā)送二選一數(shù)據(jù)選擇同時(shí)送到調(diào)制解調(diào)器A、B基帶數(shù)據(jù)接口發(fā)送端口，通過發(fā)送通道直接返回給對(duì)方，相當(dāng)于給對(duì)方衛(wèi)星通信信道打一個(gè)環(huán)。3軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用MCS?51匯編語言編寫4?6，由主程序模塊和多個(gè)子程序模塊組成，程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后系統(tǒng)功能升級(jí)。3.1主程序模塊主程序模塊是核心控制局部，主要完成系統(tǒng)初始化、硬件配置檢測(cè)、系統(tǒng)配置調(diào)用、調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)查詢、故障處理等工作。程序流程圖如圖3所示。圖3主程序流程圖主程序主要是在完成系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的一些初始化配置后進(jìn)入主循環(huán)程序。在設(shè)備加電或是系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，轉(zhuǎn)入主程序入口地址。首先完成系統(tǒng)初始化、硬件配置檢測(cè)等工作，當(dāng)確認(rèn)設(shè)備各部件工作正常后，那么按上一次退出時(shí)的狀態(tài)設(shè)置調(diào)用系統(tǒng)配置，接著進(jìn)入主循環(huán)程序以查詢方式工作。各功能模塊都有各自的狀態(tài)標(biāo)志，根據(jù)各狀態(tài)標(biāo)志調(diào)用不同的功能模塊。主循環(huán)程序由調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)查詢模塊和故障處理模塊兩局部組成。首先查詢調(diào)制解調(diào)器的工作狀態(tài)，判斷是否工作正常，根據(jù)工作狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)的程序模塊。其次檢查切換器是否存在故障報(bào)告，假設(shè)有故障，那么執(zhí)行故障處理模塊，否那么返回初始狀態(tài)繼續(xù)下一輪查詢。3.2調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)查詢模塊當(dāng)切換器工作在自動(dòng)方式時(shí)，根據(jù)工作方式標(biāo)志位可進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器工作狀態(tài)查詢模塊，在手動(dòng)方式下不能進(jìn)入該程序。切換器按以下邏輯進(jìn)行自動(dòng)切換：假設(shè)主備調(diào)制解調(diào)器一方正常，另一方故障，那么正常的一方在線；假設(shè)主備調(diào)制解調(diào)器均故障，那么“B在線，假設(shè)當(dāng)前在線一方處于正常狀態(tài)，那么不管另一方處于何種狀態(tài)，切換器都將保持當(dāng)前在線狀態(tài)不變。在遠(yuǎn)端方式下，當(dāng)主備調(diào)制解調(diào)器都正常時(shí)，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)可以通過監(jiān)控接口對(duì)調(diào)制解調(diào)器在線狀態(tài)進(jìn)行控制。3.3中斷程序模塊為提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，在軟、硬件設(shè)計(jì)上設(shè)計(jì)了多個(gè)中斷入口。主要中斷模塊有：定時(shí)器T0中斷模塊、鍵盤中斷處理模塊和串口中斷模塊。其中，鍵盤中斷程序采用GAL16V8可編程器件【7】，硬件編碼有05六個(gè)鍵值，在外部面板上設(shè)定上、下、左、右、確認(rèn)和取消6個(gè)鍵，在軟件中只需將鍵盤碼值讀回即可。由于按鍵數(shù)量較少，所以鍵盤操作主要以菜單項(xiàng)選擇擇為主。