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1、衛(wèi)星通信調制解調器雙機熱備份數(shù)據(jù)切換器的研制 ?34文獻標識碼：A文章編號：1004?373X〔2021〕07?0061?03調制解調器是衛(wèi)星通信傳輸網(wǎng)傳輸設備中一個關鍵的環(huán)節(jié)【1】，其處于地面通信設備與發(fā)射設備的上/下變頻器之間，在很大程度上決定著傳輸信道的質量。在發(fā)送鏈路，調制解調器將地面數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)變換為符合衛(wèi)星通信體制的信號形式，送到衛(wèi)星信道上；在接收鏈路那么相反。在實際應用中特別是高可靠性要求的場合，常采用冗余熱備份機制，此時就需要數(shù)據(jù)切換器在熱備份的主備兩個調制解調器之間實現(xiàn)信號切換。當在線調制解調器發(fā)生故障時，切換器能夠自動或以人工方式將備份調制解調器設置為在線狀態(tài)，且調制解

2、調器的調制和解調可以獨立切換，從而使通信繼續(xù)保持正常的工作狀態(tài)，將調制解調器故障所引起的通信中斷時間降至最小。本文介紹了一個調制解調器熱備份控制單元的設計方案，該方案可行性強，實現(xiàn)的產品可靠性高，實用性強，對同類產品研發(fā)具有很好的參考價值。1設計需求兩臺調制解調器同時工作，在不改變調制解調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)。當在線發(fā)送或接收通道發(fā)生故障時，切換器通過狀態(tài)采集電路能夠以自動或人工方式將備份支路切換為備份狀態(tài)，從而實現(xiàn)兩臺調制解調器的熱備份功能。在自動方式下切換時間小于100ms。2硬件電路設計調制解調器

3、數(shù)據(jù)切換器主要由CPU控制電路、中頻開關切換電路、基帶切換控制電路、調制解調器工作狀態(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調制電路將RS422接口電平轉換為TTL電平，該TTL電平的基帶信號和調制解調器接收解調的基帶信號通過基帶數(shù)據(jù)二選一切換開關，選擇任一路轉換為RS422電平分別發(fā)送至主備兩個調制器，經(jīng)調制器調制成中頻信號后發(fā)送至上變頻器，實現(xiàn)輸入和轉發(fā)功能。在實際工作中，由于只將在線調制解調器的中頻信號送至上變頻器，因而此處需設置中頻切換開關，其作用是依據(jù)轉換控制電路產生的切換信號，將在線調制解調器的中頻信號輸出到上變頻器，而

4、當在線調制解調器發(fā)生故障時，它又可以將另一備份調制解調器設置為在線狀態(tài)，并將其中頻信號輸出到上變頻器。圖1電路構成框圖2.2解調電路經(jīng)解調后分別得到其基帶信號〔RXC、RXD〕，由于只將在線解調器的基帶信號輸出到數(shù)據(jù)終端設備，因此，需將兩個解調器輸出的基帶信號經(jīng)過基帶切換開關進行二選一切換，通過TTL電平至RS422接口進行電平變換后輸出到DTE；同時該基帶信號送至發(fā)送基帶數(shù)據(jù)切換開關實現(xiàn)轉發(fā)功能。2.3CPU控制主板CPU控制主板電路根據(jù)調制解調器工作狀態(tài)采集電路的信息，產生用于中頻和基帶切換所需的自動控制信號，實現(xiàn)主備調制解調器的自動倒換，同時，它接收可與標準的8052兼容，內含4個8位I

5、/O口，3個16位計數(shù)器，1個看門狗電路，32KB可編程程序存儲器，1KB片內數(shù)據(jù)存儲器和2個全雙工串行通信標準接口。W77E58的串行口，經(jīng)過SN65LBC180接口電平轉換后變成四線或二線RS485串行通信接口，用于與遠程計算機通信，保證通信的實時性和抗干擾性，能滿足設計要求。看門狗電路采用CPU專用監(jiān)控器X5045【3】，具有定時復位、電壓監(jiān)視、手動復位等功能，能夠在程序運行不正?；蚬ぷ麟妷翰徽r迫使單片機復位，防止單片機運行不正常，提高系統(tǒng)工作的可靠性；接口驅動控制分為總線驅動和控制兩局部。微處理器P0口通過總線驅動和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。實現(xiàn)鍵盤數(shù)

6、據(jù)、設備地址和調制解調器設備工作狀態(tài)的讀取輸入，同時也可輸出切換控制信號，前面板狀態(tài)指示和接口控制信號等。微處理器P1口完成CPU與看門狗電路的數(shù)據(jù)交換及設備狀態(tài)參數(shù)的存儲與調用，當CPU工作出現(xiàn)異常，看門狗電路給出電路復位信號，使CPU恢復到正常工作狀態(tài)。2.4工作狀態(tài)采集電路要實現(xiàn)調制解調器熱備份功能，必須能實時監(jiān)測調制解調器的功能，即調制解調器設備是處于正常工作狀態(tài)，還是設備處于告警或故障狀態(tài)。調制解調器故障或告警狀態(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；一種是直接檢測告警口TTL電平得到。前者可以得到較多的故障信息，但實時性不強，延遲較大；后者實時性強，但只能得到正常和故

7、障兩類信號，考慮到實時性要求，方案實現(xiàn)選擇第二種方法，即檢測告警口TTL電平得到設備工作狀態(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)選擇器構成。發(fā)送支路如果選擇相當于給對端衛(wèi)星通信站打一個數(shù)據(jù)環(huán)。接收支路選擇兩個解調器中的任一路A或B接收數(shù)據(jù)送到終端設備。當切換器工作在輸入方式時，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)選擇同時送到調制解調器A、B基帶數(shù)據(jù)接口發(fā)送端口。經(jīng)過發(fā)送接口電平轉換、成幀處理、信道編碼、中頻調制等過程輸出至切換器。兩臺調制解調器同時接收的衛(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)通過接口電平轉換輸出到地

8、面終端數(shù)據(jù)的端口。當切換器工作在轉發(fā)方式時，兩臺調制解調器接收的衛(wèi)通數(shù)據(jù)RD通過發(fā)送二選一數(shù)據(jù)選擇同時送到調制解調器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方，相當于給對方衛(wèi)星通信信道打一個環(huán)。3軟件設計系統(tǒng)軟件設計采用MCS?51匯編語言編寫[4?6]，由主程序模塊和多個子程序模塊組成，程序結構清晰，便于今后系統(tǒng)功能升級。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、系統(tǒng)配置調用、調制解調器工作狀態(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)啟動時的一些初始化配置后進入主循環(huán)程序。在設備加電或是系統(tǒng)復位時，轉入主

9、程序入口地址。首先完成系統(tǒng)初始化、硬件配置檢測等工作，當確認設備各部件工作正常后，那么按上一次退出時的狀態(tài)設置調用系統(tǒng)配置，接著進入主循環(huán)程序以查詢方式工作。各功能模塊都有各自的狀態(tài)標志，根據(jù)各狀態(tài)標志調用不同的功能模塊。主循環(huán)程序由調制解調器工作狀態(tài)查詢模塊和故障處理模塊兩局部組成。首先查詢調制解調器的工作狀態(tài)，判斷是否工作正常，根據(jù)工作狀態(tài)進入相應的程序模塊。其次檢查切換器是否存在故障報告，假設有故障，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調制解調器工作狀態(tài)查詢模塊當切換器工作在自動方式時，根據(jù)工作方式標志位可進入調制解調器工作狀態(tài)查詢模塊，在手動方式下不能進入該程

10、序。切換器按以下邏輯進行自動切換：假設主備調制解調器一方正常，另一方故障，那么正常的一方在線；假設主備調制解調器均故障，那么“B〞在線，假設當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)，切換器都將保持當前在線狀態(tài)不變。在遠端方式下，當主備調制解調器都正常時，網(wǎng)絡管理系統(tǒng)可以通過監(jiān)控接口對調制解調器在線狀態(tài)進行控制。3.3中斷程序模塊為提高系統(tǒng)運行效率，在軟、硬件設計上設計了多個中斷入口。主要中斷模塊有：定時器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0～5六個鍵值，在外部面板上設定上、下、左、右、確認和取消6個鍵，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選擇擇為主。