TMS320C6000平臺(tái)下以太網(wǎng)鏈路雙冗余設(shè)計(jì)

1、TMS320C6000平臺(tái)下以太網(wǎng)鏈路雙冗余設(shè)計(jì)1 引言以太網(wǎng)通信技術(shù)因其標(biāo)準(zhǔn)成熟、通信帶寬高、傳輸可靠的優(yōu)點(diǎn)，不僅應(yīng)用在浩瀚的互聯(lián)網(wǎng)世界里，而且也廣泛應(yīng)用于近距離設(shè)備之間大容量數(shù)據(jù)的通信。以太網(wǎng)通信的前提之一是通信物理層鏈路暢通，但由于鏈路經(jīng)常會(huì)因?yàn)樽匀粸?zāi)害或者人為因素的作用而斷開(kāi)，進(jìn)而影響了正常通信，可能造成難以估量的損失。通信鏈路備份技術(shù)可以有效提高通信的可靠性。2 工作原理圖 1 以 C6000 平臺(tái)為例，給出了網(wǎng)絡(luò)雙冗余的原理框圖。以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器（ EMAC）是 C6000 系列 DSP上集成的一個(gè)外設(shè)，提供C6000 內(nèi)核和外部以太網(wǎng)通信之間的接口，即媒體獨(dú)立接口 （ Med

2、ia IndependentInterface，MII ）。物理層收發(fā)器用于收發(fā)數(shù)據(jù)。CPLD的功能類似于單刀雙擲開(kāi)關(guān)，通過(guò)C6000 DSP的一個(gè)通用數(shù)字IO 的控制，進(jìn)行切換動(dòng)作。網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器起隔離作用，保護(hù)本地電路，增加抗干擾能力。 主鏈路和備用鏈路即為普通的網(wǎng)線。實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)將兩根網(wǎng)線從不同的路徑布設(shè)，保持一定距離，使得在外界因素作用下，當(dāng)其中一路斷開(kāi)后，另外一路仍舊可用的概率得以提高。兩條網(wǎng)線接到遠(yuǎn)端的同一個(gè)交換機(jī)上。由于兩條鏈路在引入CPLD的接口處，某一時(shí)刻一個(gè)處于連通狀態(tài)，另外一個(gè)處于懸空狀態(tài)，因此在網(wǎng)絡(luò)上并不會(huì)造成任何對(duì)C6000 DSP的訪問(wèn)沖突。當(dāng)系統(tǒng)上電工作時(shí)， C

3、PLD默認(rèn)將 PHY引出的收發(fā)數(shù)據(jù)線連接到網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器1 上，同時(shí) CPLD與網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器2之間所有連接引腳全部設(shè)置為高阻狀態(tài)，因此系統(tǒng)使用主鏈路。之后系統(tǒng)工作時(shí)，DSP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層不斷監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，當(dāng)偵測(cè)到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)后，DSP立即驅(qū)動(dòng)一個(gè)通用數(shù)字IO，使其變?yōu)榈碗娖?。此IO 接入到 CPLD， CPLD連續(xù)偵測(cè)到此 IO 為低電平后，將PHY引出的收發(fā)數(shù)據(jù)線連接到網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器2 上，并將與網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器1 之間連接的所有引腳置為高阻狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)就切換到備用鏈路上。類似的，當(dāng)備用鏈路不通時(shí)，CPLD會(huì)繼續(xù)嘗試切換到主鏈路，即系統(tǒng)會(huì)在主鏈路和備用鏈路之間反復(fù)切換，直到某一鏈路連通為止

4、。3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 DSP 與 PHY模塊本設(shè)計(jì)方案對(duì)C6000 系列的 DSP具體型號(hào)、 PHY芯片并無(wú)特殊要求。唯一要求是DSP芯片上集成EMAC模塊，具有擴(kuò)展出以太網(wǎng)接口的能力。本文以曾經(jīng)用于實(shí)際項(xiàng)目研發(fā)的TMS320C6455定點(diǎn) DSP芯片、 LXT971A PHY芯片為例，硬件電路具體可參考相應(yīng)的官方文檔。對(duì)于嵌入式軟件的網(wǎng)絡(luò)部分，采用了TI 官方為C6000提供的一個(gè)完善的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)套件（Network Developer'sKit，NDK）。 NDK只需要較少的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，即可提供一個(gè)常規(guī)的TCP/IP 協(xié)議棧。在 NDK以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)模塊的內(nèi)核中，系統(tǒng)每100

5、毫秒檢測(cè)一次網(wǎng)絡(luò)連接連接。當(dāng)連接狀態(tài)改變后，系統(tǒng)調(diào)用一個(gè)由用戶提供的回調(diào)函數(shù)，并將連接狀態(tài)傳遞到回調(diào)函數(shù)。因此可以在此回調(diào)函數(shù)中發(fā)出切換網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的指令。此回調(diào)函數(shù)的軟件流程圖如圖2。3.2 CPLD 模塊CPLD模塊的功能為：在DSP通用數(shù)字IO 的控制下，將PHY引出的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)線接入網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器1 或網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器 2 中的一路，另一路設(shè)置為高阻狀態(tài)。 本方案中 CPLD 連續(xù)檢測(cè)數(shù)字 IO 的電平狀態(tài)，連續(xù)兩次檢測(cè)之間有一個(gè)短暫延時(shí)。如果連續(xù) 10 次檢測(cè)結(jié)果均為高電平時(shí)，則開(kāi)始切換。 CPLD的工作流程圖如圖 3 所示。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果在采用本方案設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上（ TMS320C64

6、55+LXT971A），進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)鏈路切換實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的兩條鏈路及一臺(tái)計(jì)算機(jī)均與一個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為服務(wù)器，計(jì)算機(jī)運(yùn)行客戶端應(yīng)用軟件，二者之間連續(xù)傳輸視頻數(shù)據(jù)流，且客戶端實(shí)時(shí)解碼、顯示視頻圖像。計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行著名的網(wǎng)卡數(shù)據(jù)包監(jiān)測(cè)軟件 Wireshark ，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。在視頻傳輸過(guò)程中，人為拔除實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與交換機(jī)之間的主鏈路。通過(guò)分析Wireshark監(jiān)測(cè)到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，即可統(tǒng)計(jì)出網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間。圖 4 為隨機(jī)測(cè)定的 6 次網(wǎng)絡(luò)切換瞬間數(shù)據(jù)包圖。每副子圖中，表格的第一列為網(wǎng)卡監(jiān)測(cè)到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包序號(hào)，第二列為該數(shù)據(jù)包的接收時(shí)刻，單位為秒。圖中藍(lán)色標(biāo)記行是網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)前的最后

7、一個(gè)成功接收的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，黑色標(biāo)記行是網(wǎng)絡(luò)切換后成功收到的第一個(gè)數(shù)據(jù)包這兩個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)刻差值即近似等于網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間。圖中藍(lán)色標(biāo)記行和黑色標(biāo)記行之間的一行為發(fā)送失敗的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，黑色標(biāo)記行即為DSP對(duì)發(fā)送失敗網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包重新發(fā)送的數(shù)據(jù)包。表 1 為圖 4 中六次網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間統(tǒng)計(jì)表。從圖 4 和表 1 可知，采用此方案的網(wǎng)絡(luò)雙冗余設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間僅為200ms左右，能夠滿足絕大多數(shù)應(yīng)用需求。同時(shí)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用 TCP協(xié)議時(shí)，由于存在錯(cuò)誤重發(fā)機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)刻發(fā)送的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。5 結(jié)論本文提出的網(wǎng)絡(luò)雙冗余設(shè)計(jì)方案，采用較低的成本，實(shí)現(xiàn)了 TMS320C6000平臺(tái)下網(wǎng)絡(luò)冗余備份的功能，有效提高了以太網(wǎng)通信的可靠性。當(dāng)然，本方案采用的相關(guān)技術(shù)，也不僅限于 C6000 平臺(tái)，也可以拓展到其他DSP、 ARM等嵌入式平臺(tái)上