基于车载高速光纤总线系统的嵌入式软件设计

［吴林印 林靖凯 徐泽 逯锋兵 何思思］

1 引言

随着电子技术、光电子技术和计算机技术的发展为光通信技术的发展创造了非常好的条件，使得光通信在高速以太网方面和宽带、综合、低成本接入方面迅速的发展。在现代化高技术战争（特别是在信息化战争）中的地位和作用尤为突出。打赢未来信息化的战争，必须夺取信息权，而夺取信息权离不开通信传输手段，离不开强有力的军事通信保障。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减来适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统。伴随着军事信息化、智能化和网络化的发展，嵌入式系统技术也得到了广阔的发展空间，使得整个嵌入式系统拥有了完整构架。进入20 世纪90 年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费电子类产品的主要方向，与此同时多任务嵌入式实时操作系统在宽带通信中也得到了全面应用[1]。

目前各种总线技术在军事通信电子设备中得到了广泛应用，嵌入式系统也在其中占有举足轻重的地位。本文提出了一种基于新型的车载高速光纤总线技术的嵌入式系统设计，这种新技术可以解决目前军队中各节点通信指挥系统的互联及数据共享和控制信号的传输需求[2]。

2 基于车载高速光纤总线的嵌入式系统原理和概述

车载高速光纤总线系统的嵌入式系统采用了Wind River 公司开发的VxWorks 多任务实时操作系统，它具有高性能、可裁减性好等特点，能支持多种微处理器。

如图1 所示，车载高速光纤总线系统的电路原理框图主要由FPGA+CPU 控制单元、光模块和时钟源等几个部分组成。该系统的各器件均通过总线和CPU 互联，通过外部总线为每个器件分配片选及相应的地址空间，实现对各器件的内部寄存器的访问，如图1 所示。

图1 车载高速光纤总线系统的电路原理框图

3 嵌入式技术在车载高速光纤总线系统中的设计及应用

车载高速光纤总线系统是将每个车载设备上的各种业务接口去掉（如话音接口、E1 接口、V35 接口、RS232接口和以太网接口等），统一采用一套光纤接口，然后将其与总线交换机构成一个星型网络（如图2，PC 网管软件通过连接在总线交换机上的网口可以实现对连接在总线交换机上的各个车载设备的业务进行配置和管理[3]，如图2所示。

图2 车载光纤总线系统示意图

车载高速光纤总线系统在软件上共分为二部分：PC网管系统软件和嵌入式系统软件。该系统的嵌入式软件是在VxWorks 6.3 开发平台上进行开发，主要对总线交换机和车载设备进行网络层上的时隙交叉与配置，将车载设备上的各种数据业务送到相对应的通道之中，然后在总线交换机中对它进行时隙的交叉和选择，进而通过终端机上的PC 网管对其进行操作和管理[4]。此外，PC 网管软件系统采用人性化操作的界面设计思想，从用户的习惯性操作入手，尽量呈现给使用者一种简单、易用的操作界面。

3.1 数据传输机制和消息处理机制

车载总线系统的数据传输速率为1 000 Mbit/s，采用以时分复用传输方式为基础的数据传输和交换方式。各个车载设备之间通过时分复用总线连接，形成一个星型网络。各个车载设备的业务都是利用时隙或时隙组的形式传送的，从一个车载设备到另一个车载设备的时隙或时隙组定义为一个传送通道，因此，各种车载设备就可以利用光纤总线上的传输通道实现互联互通，实现高速率传输[5]。正是由于车载系统的高传输速率，使得它可以采用时分复用的方式快速的传输多种数据；此外，它还具有高带宽性，能够让数据在如此高速率的情况下进行无阻碍传输。

交换机开机后，在所有外总线上发询问广播，接入节点协议盘收到该广播后在内总线上转发该广播，其业务接入盘收到该广播后，将本地的业务信息（业务编码、业务编号）发送到协议盘，协议盘将从各个内总线收到的业务信息进行汇总，从外总线的角度整理所有业务编号，然后转发给交换机。利用上行协议通道传输，可分多帧来传。业务接入盘业务信息的生成是业务接入盘从本地自动获取的，获取方法是依据本盘为各业务配置的寄存器信息。

3.2 系统的嵌入式软件设计

图3 车载高速光纤总线系统的嵌入式软件设计流程图，从图中可以看出车载光纤总线系统的一个整体的框架和数据信息的走向。首先设备上电，开始硬件初始化（包括CPU、FPGA 等主要芯片），轮询检测车载设备是否插了业务盘，所有的数据和视频业务都集成在这块业务盘中（如话音业务、E1 业务、V35 业务、视频业务、RS232业务和以太网业务等），接着初始化PC 网管和嵌入式中间的SNMP 层的所有数据表并开启Start Agent 任务，初始化数据库并向Agent 代理发送Trap，最后采用任务中断方式一直检测设备的告警状态并向PC 网管实时上报，如图3 所示。

图3 车载高速总线系统的嵌入式软件流程图

3.3 业务编码配置

在车载高速光纤总线系统中每个业务接入盘支持5 种业务，每个业务端口配备2 个8 位寄存器：业务编码寄存器和业务编号寄存器。编码编号如表1 所示。其中业务编码用以识别业务类型，在PC 界面上显示，业务编号用以识别通道。

表1 业务编码编号对照表

备注：①满配置见表，半配置时数量为一半。

②接入节点共4 个，有一个是满配置，其它三个都是半配置。

如表1 所示，一个业务接入节点由3 个业务接入盘组成，第一个业务接入盘上有5 个业务，本地编号分别为0～4；第一个业务盘上有2 个业务，本地编号分别为0～1；第三个业务接入盘上有7 个业务，本地编号分别为0～6。这些信息达到协议盘后，协议盘根据每个业务接入盘所连接的内总线顺序编号，对其统一编号，第一个业务接入盘上所有业务的编号为0～5；第二个业务接入盘上的业务编号变成了6～7；第三个业务接入盘上的业务编号变成了8～13。变换后的编后在外总线上使用，原编号在内总线上使用，由协议盘进行转接。业务编号位数为8 位，一个业务接入节点最多可容纳256 个业务。业务编码用以识别业务种类，编码位数为8 位，可识别256 种业务。

3.4 端口帧时隙的利用原则和应用

3.4.1 普通端口帧时隙的利用原则

备注：①1 号业务盘（N1）的业务占据0～511 时隙，2 号业务盘（N2）占据512～1023 时隙。

②同一业务盘的业务按如下顺序：字符业务（Y1）、以太网业务（Y2）、数据业务（Y3）、时钟业务（Y4）、话音业务（Y5）。

普通端口时隙分配见表2。

表2 普通端口时隙分配表

3.4.2 虚拟端口帧时隙的利用原则

虚拟端口时隙分配见表3。

表3 虚拟端口时隙分配表

如果某一个业务盘的以太网业务要交叉到另外一个业务盘的以太网业务，需要先将第一个业务盘的以太网业务交叉到虚拟端口的以太网业务中，然后虚拟端口的以太网业务再交叉到另外一个盘的以太网业务中。例如将一号盘的以太网业务交叉到三号盘的以太网业务之中，嵌入式表达式如下（FPGA 的基地址为0x30000000）：

UINT16 i=0；

for（i=642;i＜962;i++）

{*（（volatile UINT16 *）（0x30000000+0x6800+i*2））=0x8000+i-640；

*（（volatile UINT16*）（0x30000000+0x2800+（i-640）*2））=0xA000+i;}

for（i=1282;i＜1602;i++）

{*（（volatileUINT16*）（0x30000000+0x4800+（i-768）*2））=0xA000+i；

*（（volatileUINT16*）（0x30000000+0x7000+（i-1024）*2））=0x9000+i-768；}

4 结束语

我们自主研制的这套基于嵌入式技术上开发的车载高速光纤总线系统，已经成功搭建了演示平台，通过大量的测试和分析研究，充分验证了这项技术的可行性和可靠性，并拟制了车载高速光纤总线系统的嵌入式技术设计标准。

目前该项技术可广泛应用于各种类型的通信控制节点车系统、工程电力系统和移动信息基站系统等，提供各系统内部的设备之间或各系统之间的设备的互联和数据的共享及控制，并且该项技术的应用还可以大量减少车载设备之间的互联电缆数量，随着布线电缆数量的减少将更加有利于车载系统的整车设计和使用、维护。与此同时，伴随着这项技术在未来光通信控制系统中的推广，使各种数据和话音融合在一起，高度的业务集成，并具有很大的灵活性，真正实现大数据容量业务的高速率传输，有效的满足系统的性能指标需求和稳定性需求。