今天小编给大家找来了《高速光纤串行总线光纤通信论文(精选3篇)》，供需要的小伙伴们查阅，希望能够帮助到大家。摘要：光纤通信总线（以下简称“FC总线”）接口模块已广泛应用于航空多种通信网络环境中，为网络中各子系统之间的互联提供通信支持。因其使用环境复杂，功能电路种类繁多，在出现故障时往往难以分析和定位。
高速光纤串行总线光纤通信论文 篇1：
基于PCI总线的HOTLink通讯卡设计
【摘要】针对目前已有HOTLink产品方案不够灵活的缺点，采用应用广泛的CY7B923/933收发器开发了一种基于PCI总线的HOTLink通讯卡设计方案，使得计算机可以通过光纤或铜缆直接发送和接收HOTLink数据，借助于通用计算机灵活的优势，该方案还可用于HOTLink数据的复杂处理、存储以及数据协议转换等应用。基于该设计方案的硬件产品与通用PC104主板构成的数据记录仪已成功用于某数据记录系统中，通讯速率为200Mbit/s的情况下，使用低成本非屏蔽铜缆的可靠传输距离达到了50米，若使用光纤，其可靠传输距离可达1km以上。应用结果表明，该通讯卡运行稳定可靠，具有一定的实用性和推广价值。
【关键词】HOTLink；数据采集；PCI总线；高速数据传输
Hotlink技术是CYPRESS公司提供的一种高速背板串行数据传输技术，传输码率为150Mbit/S—400Mbit/S，符合DVB-ASI、ATM、SMPTE-259M以及ESCON等标准，其产品可用于构建上述标准的通讯产品物理层，支持同轴电缆、双绞线以及光纤接口，传输距离与传输介质有关，例如Hotlink系列中应用比较广泛的CY7B923/933收发器，在不加任何补偿电路、330Mbit/S传输速率的情况下，使用50欧姆同轴电缆最大传输距离为35m，使用75欧姆同轴电缆最大传输距离可达150m，若使用光纤传输则可以达到数十千米以上或更远距离[1]。由于具有速度高、支持多种传输介质的优点，目前CYPRESS公司的Hotlink系列产品在高速图像传输[2]、光纤通信[1]、拖曳阵声纳数字传输[3，4]等领域得到广泛应用。前述的HOTLink产品方案多为专用方案，使用HOTLink技术传输的数据无法直接用计算机进行处理及收发，而对传输数据的格式转换等处理均采用专用硬件完成，不仅成本高而且灵活性较差。本文使用应用比较广泛的HOTLink收发器CY7B923/933以及PCI桥芯片PCI9054设计了一种基于PCI总线的Hotlink通讯卡，支持光纤和铜缆两种接口，通过PCI总线计算机可以直接对传输数据进行处理及收发，利用通用计算机灵活的优势取代专用硬件完成传输数据的协议转换、格式转换、记录等操作，并且还可为HOTLink产品的前期研发提供测试及验证服务。
1.HOTLink通讯卡结构及硬件设计
CY7B923/933收发器是HOTLink系列产品中应用比较广泛的产品，本文所设计的HOTLink通讯卡分别使用了CY7B923和CY7B933作为HOTLink的发送芯片和接收芯片，通过板上跳线可选择铜缆和光纤两种接口。通讯卡的总体结构如图1所示，分为发送模块、接收模块以及PCI9054三个部分。
考虑到CY7B923/933收发器所能支持的最大传输速度为40MByte/s，而PCI9054所支持的最高时钟频率为33MHz，如果采用9位单FIFO的结构，PCI总线的一个时钟周期仅能传送一个字节的数据/协议信息，理论上的最高传输速率仅为33MByte/s，将会造成数据溢出，考虑到不同场合的应用需求，发送模块和接收模块均采用了双9位FIFO并联的模式，即一个时钟周期可以传输两个字节的数据/协议信息，位15-位0为双字节数据，位17和位16分别表示高字节和低字节的内容类型，为1表示内容为协议信息，为0低表示内容为数据。相应的PCI9054的本地总线模式采用了32bit位宽模式。在CY7B923的数据手册中指出外部时钟源决定了数据传输的速度，并且在CY7B933的数据手册中还特别要求外部时钟源频率误差不得超过±0.1%。为了配合不同速率的数据收发应用，使用了直接数字频率合成芯片AD9850来实现16MHz-40MHz的可变时钟输出，其精度为±1/232。
1.1 数据发送模块
发送模块的硬件框图如图2所示。FIFO由两片IDT72V2111并联组成，总容量为524288*18bit，其数据输入端挂接到本地数据总线上，本地地址总线和读写控制信号接入CPLD，即CPLD在FIFO未满情况下允许PCI总线透过本地数据总线对FIFO写入数据。FIFO的数据输出端以及CY7B923数据输入、ENN、ENA、CKW等发送控制信号也接入CPLD，即CPLD在FIFO非空的情况下读取FIFO内的数据，并产生符合CY7B923发送控制逻辑的时序信号，将FIFO内的数据发送出去，直至FIFO变为空状态。由于FIFO为两片并联，因此发送时需要顺序读取FIFO内的数据，时序控制由CPLD完成。
1.2 数据接收模块
接收模块的硬件框图见图3。同接收模块一样，FIFO由两片IDT72V2111并联组成，数据输出端挂接到本地数据总线上，本地地址总线和读写控制信号接入CPLD，即CPLD在FIFO非空的情况下允许PCI总线透过本地数据总线对FIFO内数据进行读取，直至FIFO变为空状态。FIFO的数据输入端、写控制以及CY7B933的数据输出、RVS、RDY、SC/D、RF等接收控制信号均接入CPLD，即FIFO在未满状态下允许CY7B933在CPLD的控制下将接收到的数据依次写入两片FIFO中，直至FIFO变为满状态。在编码工作模式时，为了使CY7B933能够在高速的串行数据流中正确的恢复出传数据，需要外部控制器根据RVS（接收数据错误指示）的状态来控制CY7B933所内置成帧器的启动，根据CY7B933的数据手册，当接收到的连续64个数据中出现16次数据错误即认为数据失步，此时外部控制器应该将RF置为高，使能内部成帧器，数据同步后，CY7B923的RDY将会变低，表示同步完成，进入数据接收状态。上述逻辑也由CPLD完成。
1.3 PCI9054
PCI9054是PLX公司生产的PCI桥芯片，符合PCI总线规范2.2版，本地总线针对不同的处理器具有M、C、J三种模式，根据发送模块及接收模块的硬件接口及速度的要求，选择了C模式，即地址总线和数据总线独立，硬件结构见图4。在通讯卡收发数据时，PCI9054[5]作为本地总线的主处理器，对接收模块和发送模块的FIFO分别进行读操作和写操作，读操作和写操作的逻辑握手信号分别有数据接收模块和发送模块的CPLD完成。本地总线控制仲裁用于本地总线控制权的裁定，由于通讯卡只有一个本地主机—PCI9054，因此该仲裁器使用了一片D触发器，即PCI9054 发出请求信号后，在下一个本地时钟周期，仲裁器立即允许9054取得本地总线控制权。EEPROM用于系统启动时PCI9054内部寄存器的初始化，即当计算机系统启动时，9054自动加载EEPROM内容，初始化9054并向操作系统申请地址空间以及中断资源。根据PCI9054数据手册对EEPROM的要求及兼容列表，选择了ATMEL公司的AT93C66A，其容量为4Kbit。
2.结论
本文给出了一种基于PCI总线的HOT-Link通讯卡的设计方案，根据方案所开发的HOTLink通讯卡采用了与PCI总线兼容的PC104-PLUS总线，与一块通用的PC104主板构成了一个数据记录仪，成功应用于某型号装备的数据记录系统中，采用低成本的铜缆以200Mbps的速率进行传输，可靠距离可达20米，若使用光缆接口，距离可达1km。借助于灵活的通用计算机技术，本文所设计的HOTLink通讯卡除了作为数据采集外，还可以用作协议转换（例如HOTLink与以太网互转）、HOTLink节点控制，HOTLink产品开发及验证。
参考文献
[1]高进，谢艳，覃宗厚.基于FPGA的CY7B923/933复用/解复用器在光纤通信中的应用[J].光通信技术， 2007，31（3）：40-41.
[2]向冰.高速图像串行总线传输[J].现代电子技术， 2006，29（24）：97-100.
[3]冯师军，李启虎，孙长瑜.拖线阵声纳数字式水下数据高速传输的设计[J].声学技术，2007，26（3）：362-366.
[4]包玉华，郑剑锋，冯师军，蒋飚，孙长瑜.HOTLinkTM高速串口至以太网的声纳数据传输模块设计[J].声学技术，2003，2：369-370.
[5]朱惠静.PCI9054及其在高速数据采集系统中的应用[J].国外电子测量技术，2008，27（2）：72-74.
作者简介：姚嫚（1982—），女，现供职于咸阳市公安消防支队，研究方向：信息通信。
作者：姚嫚
高速光纤串行总线光纤通信论文 篇2：
一种基于故障树的FC总线接口模块故障分析方法
摘要：光纤通信总线（以下简称“FC总线”）接口模块已广泛应用于航空多种通信网络环境中，为网络中各子系统之间的互联提供通信支持。因其使用环境复杂，功能电路种类繁多，在出现故障时往往难以分析和定位。该文对标准FC总线接口模块的工作原理进行了分析，完成了适用于多型FC总线接口模块的故障树建模，可对主要的故障模式进行迅速分析和定位排查，提升了产品的维修性和维修效率。
关键词：FC总线接口模块;故障树
1 介绍
FC总线具备高带宽、低延迟、高可靠等特性[1]，能够满足当前网络环境中对带宽和数据传输实时性的较高要求，目前符合FC-AE-ASM协议的FC总线接口模块已作为FC网络的核心接口设备，广泛应用于航空产品的通信网络系统，为各子系统之间的互联提供通信支持[2]。随着FC网络作为主干网络在多种通信模式中加以应用，以及FC总线接口模块配套和使用数量的日益增加，FC网络通信出现故障的情况也日益增多。由于FC总线接口模块故障涉及供电电路故障、时钟电路故障、光电收发器故障等多种故障模式，故障分析及定位排查非常困难。本文选取自顶向下识别系统故障的故障树建模分析法[3]，结合FC总线接口模块工作原理进行建模及分析，提供了一种通用的故障分析方法，提升了模块的维修性及故障排查定位的工作效率。
2 FC总线接口模块工作原理
标准的FC总线接口模块基于FPGA进行设计，以FPGA作为核心器件，在外围设计为产品供电的电源电路、提供通信频点的时钟电路，以及对外通信的FC通信接口和主机通信接口等功能电路，总体结构框图见图1。
FC总线接口常采用5V进行供电，通过电源电路的设计，将5V转换为模块内部所需的3.3V等DC/DC电源和为高速I/O管脚供电的线性电源，高速串行I/O对电源的品质有较高的要求，它需要良好的纹波特性，因此电源电路除了要求采用性能良好的电源模块以外，每路I/O都需要加一个指定的电容和磁珠。为了保证FC总线接口模块兼容不同网络的通信速率，在时钟电路中通过晶体振荡器来提供FC工作所需的212.5MHz时钟及40MHz的系统时钟。同时搭建存储电路，使用FLASH芯片作为FPGA底层应用和上层配置路由表信息的存储芯片。复位电路的存在则为了避免模块在上电过程出现不稳态，总线信号冲突等异常状况，通过设计外置上下拉电阻可以将复位信号保持为固定状态。FC总线的电信号通过光电收发器电路进行转换，通过高速直流耦合使串行链路达到最优化，适合于短距离高速数据通信。具体工作流程见图2。
3 通用故障树建模分析
FC总线接口模块在实际的应用环境中，存在多种因模块各功能电路失效导致的故障模式，从网络的系统层面来看，模块无法正常工作最终导致的故障即为FC通信失败，使用接口模块的子系统FC不上线。本文结合标准FC总线接口模块的功能电路设计及工作原理，选取最常见的FC不上线故障建立故障树，将其作为故障树分析的顶事件，建立针对此类故障的通用故障分析模型如下图3所示。
图3中列出的7种故障模式与顶事件的具体关系分析如下：
（1）电源电路存在异常，会导致模块无法正常启动或工作异常，最终导致FC不上线故障;
（2）时钟电路用以保证接口模块各时序电路、使用到时钟信号的相关器件的正常运行，若存在时钟电路故障，存在时钟信号频点异常等现象，则会导致功能电路运行故障，最终导致顶事件发生;
（3）复位电路故障，会导致FC节点启动异常、复位不受控、最终导致FC不上线的故障现象;
（4）FPGA作为模块的核心器件，提供多个高速I/O接口，它的失效将导致整个接口模块功能丧失;
（5）PCI-E链路作为与主机端通信的关键链路，若发生故障，就会导致主机访问出错，最终无法通信;
（6）存储电路用以存储FC配置信息和应用软件，当存储电路故障时，FPGA无法获取工作所需的必要信息，将会导致FC不上线故障的发生;
（7）光电收发器电路故障，会导致通信光纤不发光，FC通信链路工作异常，最终导致顶事件发生。
由上述分析可知，7种故障模式均可导致顶事件的发生，因此选择“与门”将各事件进行串联。在FC总线接口模块遇到故障时，只需按照通用故障树中A1-A7的事件顺序逐项进行分析排查，各分支事件的具体分析排查方法见表1。
按照图3中给出的FC总线接口模块的通用故障树及表1中的测试方法，在遇到故障时可快速开展分析排查工作，在分析时根据产品实际测量值与标准值的对比，再结合产品的原理分析，就可以快速完成FC总线接口模块的故障定位，有效节省了排故时间。
4 结束语
FC总线接口模块承担了系统数据交互的任务，其应用分布于飞机的各个区域，对其进行快速的故障分析和排查定位具有重要意义。本文提出了一种基于故障树的FC总线接口模块的故障分析方法，通过分析接口模块的使用场景，确认了故障树分析建模中的顶事件，并根据接口模块的结构和工作原理设计了通用的故障树，给出了通用故障树中各分支事件故障的具体分析方法，为FC接口模块各类故障的分析定位提供了理论指导，提升了产品的维修性和故障定位效率。
参考文献：
[1] 俞大磊，何立军，解文涛.FC统一光纤网络在综合化航电系统中的应用[J].电子技术，2016，45（5）：77-79.
[2] 張青峰，葛晨，秦正运.航空数据总线技术分析与发展[J].电子技术与软件工程，2019（12）：150-151.
[3] 郭强，王秋芳，刘树林，等.系统可靠性理论：模型、统计方法及应用[M].北京：国防工业出版社，2011.
【通联编辑：代影】
作者：武坚 朱志强 孙东旭
高速光纤串行总线光纤通信论文 篇3：
基于光纤传输的配网自动化系统探讨
摘要:智能电网配电自动化是电网现代化的必然趋势,是优化配电网络结构、简化保护和运行管理程序、提高供电可靠性和电能质量的有效措施。而在智能电网配电自动化系统的传输技术上,光纤以其传输具有容量大、传输频带宽、信号传播速度快、抗干扰能力强等突出优势将成为该系统的必然选择。
关键词:光纤通信;配电网络;配网自动化;光纤传输技术
随着电力系统的建设和发展,配电网络智能电网构架已经形成相当规模,对配电网络管理自动化水平的要求也不断提高,大量涉及电力生产、运行、管理的各种信息需要稳定、可靠、迅速地进行传输,这无疑是对电力系统通信提出更高的要求,光纤通信技术是一种可靠、先进、经济的通信技术得到愈来愈广泛的应用,基于这一技术应用结合电力通信网络的特点,构建承载综合业务的电力系统通信网络平台已经成为电力系统发展建设的必然选择。光纤通信是用光纤作传输媒质,以光波为载波,实现信息传送的一种通信方式。光纤通信技术是现代电力系统通信技术的关键技术之一,是组成现代电力系统通信网的主要手段,本文针对配电网络自动化对通信技术的要求,分析了光纤传输技术在配电网络自动化中实施与应用。
一、配网自动化系统
配电系统是电力系统电能发、变、输、供、配中面向广大用户的一个重要环节。由于用户对用电可靠性的要求越来越高,配网自动化成为了我国电力系统自动化领域的新兴热点,更是电力行业发展的重要阶段。要实现配电网自动化,关键在于通信,选择通信方式应当适合我国配电网的现状和用户的现场实际。目前主要的通信方式包括光纤、现场总线、载波、无线等。配电网络自动化是利用现代电子技术、通信技术、计算机及网络技术,将配电网在线数据和离线数据、配电网数据和用户数据、电网结构和地理图形进行信息集成,构成完整的自动化系统,实现配电系统正常运行及事故情况下的监测、保护、控制、用电和配电管理的现代化。
(一)配电网通信网络总体结构
通信系统是配网自动化系统中密不可分的一部分。为了贯彻功能下放,分级分层,提高事故响应速度的原则,如图1所示。配网自动化系统一般分3层:主站、子站、馈线。依据配网规模的大小,主站层还可再分为主站和区域站2层。在主站与子站之间,由于信息量大,要求高速可靠的通信通道,但由于节点不多,一般采用光纤以太网或光纤环网。光纤环网更成熟一些,但光纤以太网是发展方向,光纤以太网目前技术實现及相关设备都已得到实践检验,正在推广应用。
(二)通信方案
配电自动化的通信方案包括主站对子站、主站对现场单元、子站对现场单元、子站之间、现场单元之间的通信等广义的范围。目前实施的完整配电自动化试点工程系统的通信方案指主站对子站、主站对现场单元的通信。
子站与馈线通信网一般统一考虑,馈线网结构复杂,情况多样,各地的特点不同,很难找到一种统一的通信模式。目前一般采用光纤、现场总线、载波、无线等但总的来看,采用混合通信方案是比较符合实际的原则。常见的结构为:以光纤构建干线通信网络;通过双绞线,采用现场总线技术(如Lonworks、Can、Profibus)或RS485,将干线TTU、支线的FTU/TTU,连接到干线FTU,由其通过高速光纤通道,将信息上传到子站、主站,干线FTU应具备这种集中转发的能力。
二、光纤传输技术
光纤专线通道的配置方式有多种,主要有以下几种形式:
(一)主从式
主从方式是环形通信系统,支持多点通信,只有一个作为主站,如图2所示。这种配置方式比较适合配电系统多点、分散通信的特点。
(二)环路通信对等配置
该配置方式物理结构与主从式一样,但环路上各点都可以成为主站,不过每次数据传输时只有一个主站。其余各站平时都处于分站状态,发送信息时,由软件控制转发开关置于“关”位置,该站上升为主站。
(三)双环自愈网
当环路上节点比较多时,为防止光缆或光端设备故障,造成通信中断,采用双光纤环路自愈网,如图3所示。环网上每个站配置支持具有自愈功能的光纤收发器,该收发器具有自动切换和自愈功能。
正常情况下,通信报文分别在A环和B环里传输。分站同时接收来自A环和B环的信息,光端设备只选择其中一个环路的信号传送给RTU、FTU。主站由一个串行口发送信息,同时在A环与B环里传送,由两个串行口分别接收A环和B环的信息。
当光缆出现故障时,如F点断开,两侧的光端设备只能接收到一个环路信息,经过一段延时,双环路切换控制器自动把接收的信号切换到另一个环路发送端,生成新的环路,即断点两侧的光端设备,A环和B环相互链接,构成新的光纤路径,实现光纤环路自愈功能。
光纤通信的组网方式非常灵活,可以构架成星型、链型、树状、网状、单纤网、双纤网、环上多分支、多环相交、多环相切等各种拓扑结构的网络。
根据智能电网配电自动化系统的特点,光纤网通常需组成环型网,并与计算机局域网连接,实现数据共享。
三、光纤传输技术在配网自动化系统上的应用
电网建设发展很快,区域型大电网已初见规模,将来还要实现全国联网。电网结构越来越强,不同地区之间的联系越来越紧密。在这种形势下,对继电保护的要求也越来越高,而且侧重于动作的可信赖性。要求系统发生故障时,必须快速切除,决不能发生继电保护拒动的事故。这样全线速动的纵联保护对高压电网的稳定运行起到尤为重要的作用,它也是保证电网稳定的一道防线。高压线路纵联保护主要是依赖于通道,使线路两端的保护装置进行故障信息的交换,进而判别出是本线故障,还是区外故障。从而使两端的保护装置:在区外故障时,不动作;在区内故障时,快速动作,切除故障。在湖南电网运行的纵联保护根据使用信号的方式,主要分为以下几类:(1)闭锁式保护;(2)允许式保护;(3)远方跳闸保护;(4)电流差动保护。
纵联保护采用光纤通道的方式,得到了越来越广泛的应用,在现场运行设备中,主要有以下几种方式:
(一)专用光纤保护
光纤与纵联保护(如:WXB-11C、LFP-901A)配合构成专用光纤纵联保护。采用允许式,在光纤通道上传输允许信号和直跳信号。此种方式,需要专用光纤接口(如:FOX-40),使用单独的专用光芯。优点是:避免了与其他装置的联系(包括通信专业的设备),减少了信号的传输环节,增加了使用的可靠性。缺点是:光芯利用率降低(与复用比较),保护人员维护通道设备没有优势。而且在带路操作时需进行本路保护与带路保护光芯的切换,操作不便,而且光接头经多次的拔插,易造成损坏。
(二)复用光纤保护
光纤与纵联保护(如:7SL32、WXH-11、CSL101、WXH-11C保护)配合构成复用光纤纵联保护。采用允许式,保护装置发出的允许信号和直跳信号需要经音频接口传送给复用设备,然后经复用设备上光纤通道。优点是:接线简单,利于运行维护。带路进行电信号切换,利于实施。提高了光芯的利用率。缺点是:中间环节增加,而且带路切换设备在通信室,不利于运行人员巡视检查,通信设备有问题要影响保护装置的运行。
(三)光纤纵联电流差动保护
光纤通道的大容量、较高的抗干扰能力,为纵联电流差动的应用提供了可能。首先得到应用的是模拟式的光纤纵联电流差动,当前已很少采用。随着大规模集成电路的应用,数字式电流差动广泛应用开来。目前,在湖南电网运行的纵联电流差动保护有:REL-561(ABB)、LFCB-102(GEC)、MCD(三菱)、LFP-943(南瑞)、7SD511(西门子)等保护装置。采用的通道方式有复用光纤方式和专用光纤方式。
四、结语
随着通信技术的发展,继电保护可以选择的通道类型越来越多,光纤网络的形成为继电保护采用高性能的通道提供了硬件基础。但如何有效地利用它,使它为继电保护更好的服务,这也不是很容易做到的。这需要工程设计、运行、维护、通信、保护各专业之间的协调、沟通。在配电网络自动化的通信系统,必须构建一个成本低、收效高的双向通信系统,用可以接受的费用在可靠性和信息流量方面提供非常高的性能。同时,由于智能电网配电网络自动化系统所要完成的功能太多而系统复杂,采用单一的通信系统来满足所有的功能需要是不现实的,也是不经济的。因此,在智能电网配电网络自动化系统中,要应用多种通信方式,按综合的经济技术指标而选取其中最优的组合。
参考文献
[1]毕丽红.通信网络技术[M].北京:中国电力出版社,2007.
[2]赵梓森,等.光纤通信工程[M].北京:人民邮电出版社,1994.
[3]陈堂,赵祖康,陈星莺,等.配电系统及其自动化[M].北京:中国电力出版社.
[4]徐丙垠.配电自动化远方终端技术[J].电力系统自动化,1995,(5).
[5]林功平.配电网馈线自动化解决方案的技术策略[J].电力系统自动化,2001,25(4).
作者简介:李晨煜 (1984-),男,湖南长沙人,湖南省电力公司株洲电业局助理工程师,研究方向:通信光纤测量与数据分析。
作者：李晨煜