媒体网关系统中的主备倒换设计改进方案

李春雨

(浙江机电职业技术学院，浙江 杭州 310053)

媒体网关系统中的主备倒换设计改进方案

李春雨

(浙江机电职业技术学院，浙江 杭州 310053)

在基于mTCA规范的媒体网关系统中，两块主控制板要求热备份，当一块主控板故障时，另一块主控板需自动升主，替代故障板。对现有的主备倒换方案进行了分析，并改进了现有方案，该方案通过高低温老化测试，工作可靠。

媒体网关;CPLD;主备倒换;热交换；主控板；背板；

0 引言

主控板是媒体网关中的大脑，管理和维护系统中的其他单板，与上位机通信，传递信令信息，要求全年无故障工作，主备倒换技术是提高通信设备可靠性的重要解决方案之一[1]，因此媒体网关中的主控板需要热备份，当一块板故障后，另一块备用板立刻升主，平滑切换。本文着重研究小型媒体网关中主控板的主备倒换。

1 主控板的硬件设计

媒体网关中主控板管理其他业务板，加载其他业务板，分发时钟，监控风扇板和电源板的状态。主控板的框图如图1所示。

图1 主控板硬件框图

处理器采用RMI公司的XLS408，通过可编程逻辑器件接三个外设：(1)FPGA:主要实现32路智能管理总线，管理、监控、加载业务板。(2)SA8000：该芯片是时钟芯片，产生高精度的38.88 MHz时钟。(3)SA586：该芯片是E1信号收发芯片。

鉴于主控板的重要地位，它要求全年无故障工作，需支持主备板热备份。所谓热备份，即媒体网关机框上电时，有两块电路结构完全相同的主控板，根据所在的槽位是奇槽位还是偶槽位区分出主板和备板，完全启动之后，业务都运行在主板上，备板不参与业务控制，但主板会将自己保存的信息同步到备板上，这个过程称为热备份[2]。

2 现有的主备倒换方案

方案1:基于FPGA的主备倒换方案[3]，该方案实现框图如图2所示。

图2 基于FPGA的主备倒换方案

该方案基于FPGA实现主备倒换逻辑，图2所示6个信号通过背板实现本板和备用主控板的传递，在CPU控制下实现倒换，其优点是稳定性好，但缺点是FPGA基于RAM结构，每次上电FPGA代码都要从一个外部存储设备加载到内部的RAM中[4]，系统上电时由控制器读出配置数据再传送给FPGA进行配置[5]。这个配置过程和配置数据大小与配置时的加载时钟关系很大，一般需要几秒钟甚至几分钟，延长了倒换时间。

方案2：基于CPLD的主备倒换方案[6]，该方案实现如图3所示。

图3 基于CPLD的主备倒换方案

该方案用CPLD代替FPGA，可以解决FPGA加载慢的问题，CPLD内部代码存储采用Flash机制，不需要从外部加载，启动时间为1 ms，因此使用CPLD倒换速度会大大提高。

但是在实际异常测试和振动试验中发现，该方案存在双主的故障，即两块主控板同时作为有效的主用板工作，造成输出信号冲突。经分析，由于媒体网关上板卡多，信号多，高密度互连背板通常使用专用的连接器，如华为的UAP6600上主控板使用的背板连接器中用的FCI公司的AIRMAX连接器，而且要用图4所示的7组连接器[7]，在产品的振动试验中发现经常出现双主现象。因此上述基于CPLD的主备倒换方案也存在问题。

图4 媒体网关上采用的一组AIRMAX连接器

3 改进的主备倒换方案

3.1 硬件改进措施

基于异常测试和可靠性测试结果，下面分析方案2出现双主的原因。

媒体网关上有多块板卡插在背板上，主控板和背板的连接器采用图4所示方案，7个54管脚的AIRMAX连接器压接到背板上，图5是对板主备指示信号(ACT_VS信号)在连接器上的位置。

图5 对板主备指示信号在背板连接器上的位置

由于压接工艺的关系，存在连接器不平整、AIRMAX连接器没有短针、单板拔出时插稳信号还没断开但是ACT_VS脱离等现象；单板插入时，也会出现插稳信号已接触到而ACT_VS还没有连接， 从而ACT_VS检测不到，导致本板认为对板已经降备，因此本板升主，出现双主现象。

改进方案是：增加一个辅助对板主备指示信号，靠近边缘的连接器，辅助对板主备指示信号靠近插稳信号，如图6所示。

图6 改进方案增加一个备用主备指示信号

3.2 逻辑代码改进措施

机框上电后，两块主用板同时为主，但是偶槽位主控板在18个CPLD工作时钟后就退出主用状态，奇槽位主控板一直为主。CPLD内代码用Verilog[8]语言编程实现，程序流程图如图7所示。

图7 改进方案CPLD代码流程图

3.3 改进方案的倒换时间计算

机框上电后，18个CPLD时钟周期后，偶槽位8号主控板退出主用，31个时钟周期后，奇槽位7号主控板退出主用，所以正常情况都是7号槽位的单板处于主用状态。工作后，从图7可以看出，如果8号槽位单板4个时钟周期检测不到对板送来的ACT_VS和ACT_VS_AID信号，则本板升主，如CPLD工作时钟为15 ns,则倒换时间为4×CPLD CLK=4×15 ns=60 ns。

4 结论

媒体网关上背板和主控板连接信号很多，各类信号超过350个，必须采用适合高密度背板的连接器，而连接器由于压接工艺的问题，存在主用板接收不到ACT_VS信号的情形，采用上述解决方案，进行多次异常测试和振动测试，未出现问题。

[1] 李洁,黄婷熙,潘涛涛. 高可靠性通信设备主备倒换软件实现方法[J]. 电视技术,2013，37(11):170-172.

[2] 张玉峰,孙知信. 基于热备份的主备倒换在高端路由器中的应用[J]. 计算机技术与发展,2010，20(3):172-175,179.

[3] 谭宇,姚亚峰,陈登,等. 基于FPGA主备倒换的电路设计与实现[J]. 电视技术,2014，38(11):82-85，102.

[4] 李春雨,张丽霞. 利用CPLD提高FPGA加载速度[J]. 电子器件,2013,36(4):550-553.

[5] 李春雨.基于CPLD的FPGA从并快速加载方案[J].中兴通讯技术,2014,20(4)：57-59.

[6] 施世华，高西全,靳松杰,等.高可靠性通信设备的主备倒换设计[J].电子科技,2007(7)：47-50.

[7] Fleck Research.AirMax VS®Connector System[EB/OL].(2009-09-xx)[2016-07-19]http://www.fci.com/.

[8] 王静霞.FPGA/CPLD应用技术(Verilog语言版)[M]．北京：电子工业出版社，2011．

Standby design scheme in media gateway

Li Chunyu

(Zhejiang Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Hangzhou 310053, China)

In the media gateway system based on mTCA architecture, hot backup is required between two pieces of main control board. When one main control board has fault, the other main control board automaticly works as active main board, and replaces the fault board. This article has carried on the analysis to the existing scheme of main standby switch, and improved the existing schemes. The scheme was passed in high and low temperature aging test. It is reliable.

media gateway; CPLD; active-standby switch; hot exchange；main control board；backplane

TN79

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.012

李春雨. 媒体网关系统中的主备倒换设计改进方案[J].微型机与应用，2016,35(24)：40-41，49.

2016-07-19)

李春雨(1976-)，女，硕士研究生，讲师，主要研究方向：通信系统、电子设计、EDA设计。