甘 瑩，鄒文景，唐良運(yùn)，孫 剛

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東廣州 510663）

目前，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展十分迅速，通信雙方在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，要想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確交流，協(xié)同工作必不可少。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)氖滓獥l件就是接收方準(zhǔn)確地知道發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間和順序，否則會(huì)產(chǎn)生很大偏差。同步傳輸?shù)膬蓚€(gè)關(guān)鍵因素是位置和時(shí)間，接收方只有準(zhǔn)時(shí)接收和處理數(shù)據(jù)，才能對數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確合理解釋[1-2]。

傳統(tǒng)的多路數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)主要有基于NTP 的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和基于GPS 的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其中基于NTP 的系統(tǒng)主要應(yīng)用在因特網(wǎng)中，但需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持[3]。而基于GPS 的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，存在同步精度低的問題，無法達(dá)到亞微秒級的時(shí)間同步精度[4]。

分布式資源庫是一個(gè)集成的系統(tǒng)，主要包括Web Service 中間體、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和只讀實(shí)例。分布式資源庫的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)讀寫分離，存儲(chǔ)效率極高，每個(gè)中間體之間可以完成數(shù)據(jù)的連接和互聯(lián)互通。中間體用于管理存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，匯集查詢結(jié)果，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)用于存儲(chǔ)分表，只讀實(shí)例是存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的從屬[5]。

綜上所述，該文設(shè)計(jì)了一種新的分布式資源庫多路數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 多路數(shù)據(jù)采集模塊

多路數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)分布式資源庫多路數(shù)據(jù)的采集，如圖1 所示。

圖1 多路數(shù)據(jù)采集模塊

觀察圖1 可知，多路數(shù)據(jù)采集模塊主要由指令計(jì)數(shù)器、指令寄存器、存儲(chǔ)單元、運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)傳感器、放大器、ADC、CPID、電源部分以及壓力傳感器構(gòu)成[6-7]。采集模塊中的ADC 使用的是A/D7492，可以同時(shí)采集10 路分布式資源庫的數(shù)據(jù)。CPID 能夠控制采集與錄入數(shù)據(jù)的順序，并且決定著數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。電源部分為ADC 和CPID 提供穩(wěn)定的工作電壓。為了使采集模塊能夠適應(yīng)分布式資源庫的采集，該文使用trigger 觸發(fā)采樣，trigger 的輸出作為系統(tǒng)時(shí)鐘的輸入。

1.2 分布式資源庫傳輸模塊

分布式資源庫傳輸利用PIC16f877 單片機(jī)的l01 型收發(fā)控制芯片實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)收發(fā)控制芯片采用RF24l01 芯片，工作電壓為3.6～9 V，工作溫度為-40～+85 ℃，有125 個(gè)不同頻道信號可供選擇，雙向通信重發(fā)速率最高達(dá)到2 Mbit/s，具有自動(dòng)進(jìn)行應(yīng)對和同時(shí)重發(fā)兩種功能[8-9]。

傳輸模塊以單向方式傳輸電流，模塊內(nèi)部芯片RFl01 采用了新型的Shock burst 通信技術(shù)，多通道數(shù)據(jù)的處理依靠Shock burst 技術(shù)簡化了傳輸流程。通信過程中，當(dāng)發(fā)送方向接收方發(fā)送數(shù)據(jù)后，接收方會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，隨機(jī)回傳的數(shù)據(jù)信號將告知發(fā)送方數(shù)據(jù)發(fā)送的結(jié)果；如果數(shù)據(jù)未傳輸?shù)浇邮辗?，則發(fā)送方會(huì)在一段時(shí)間后自動(dòng)重新發(fā)送該數(shù)據(jù)，通過這種機(jī)制，接收方和發(fā)送方可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸，避免了數(shù)據(jù)的丟失[10-12]。

1.3 多通道數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì)

PIC16f877 單片機(jī)監(jiān)控平臺(tái)主機(jī)內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)全方位主機(jī)雙工中文串行系列并行輸入口，接口基本工作結(jié)構(gòu)功能很強(qiáng)，雙工并列串行口可以同時(shí)使用4 種工作功能查詢中斷方式，以滿足用戶的不同使用需求[13]。多通道數(shù)據(jù)通信接口如圖2 所示。

圖2 多通道數(shù)據(jù)通信接口

根據(jù)圖2 可知，多通道數(shù)據(jù)接口主要以corba 接口為核心，通過數(shù)據(jù)寫入FIFO 實(shí)現(xiàn)信號輸出，能保障數(shù)據(jù)傳輸效率的最大化。波特率中斷參數(shù)設(shè)置可由片內(nèi)控制軟件自動(dòng)進(jìn)行設(shè)置，由片內(nèi)的硬件中斷中止定時(shí)器/硬件中斷中止計(jì)數(shù)器自動(dòng)計(jì)算產(chǎn)生，同時(shí)，通過硬件和軟件查詢中斷數(shù)據(jù)的接收和傳輸[14-15]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件工作流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程

2.1 多路數(shù)據(jù)全局時(shí)鐘同步

為了對分布式資源庫中的多路數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采樣，設(shè)計(jì)多路數(shù)據(jù)全局時(shí)鐘同步機(jī)制。采用全局時(shí)鐘進(jìn)行同步可以對數(shù)據(jù)流進(jìn)行快速恢復(fù)，并采用鎖相環(huán)將恢復(fù)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分發(fā)，最后經(jīng)過時(shí)鐘調(diào)理后向下級節(jié)點(diǎn)發(fā)送。多路數(shù)據(jù)經(jīng)過逐級傳輸后，最后匯總至數(shù)據(jù)源，完成多路數(shù)據(jù)的全局時(shí)鐘分發(fā)。

2.2 分布式資源實(shí)時(shí)傳輸

分布式資源具有性能高、可用度高、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。此次設(shè)計(jì)傳輸系統(tǒng)包括兩路數(shù)據(jù)傳輸通道，其中一條通道負(fù)責(zé)發(fā)送系統(tǒng)的傳輸命令與恢復(fù)時(shí)鐘的本地采集，此通道為下行通道；另一條通道負(fù)責(zé)以流水線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，流水線傳輸即通過單路節(jié)點(diǎn)逐級向上傳輸，此通道為上行通道。

2.3 分布式資源多路數(shù)據(jù)可解性傳輸

分布式資源由多種形式組成，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中可能出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤，為了有效保證分布式資源多路數(shù)據(jù)在線傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，通過檢測幀類型和幀長度確定數(shù)據(jù)是否完整，利用CRC 分析數(shù)據(jù)冗余性，判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生改變。

利用線性數(shù)據(jù)編碼校驗(yàn)理論實(shí)現(xiàn)CRC 編碼校驗(yàn)，采用多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行波特率的計(jì)算，具體計(jì)算公式為：

其中，M為波特率；T1為溢出率；MOD 為多項(xiàng)式函數(shù)；TH為定時(shí)器值；Fosc 表示監(jiān)測系數(shù)。

根據(jù)式（1）得到：

數(shù)據(jù)接收端通過邏輯算法同時(shí)檢測所有數(shù)據(jù)，通過并行傳輸?shù)姆绞綑z驗(yàn)邏輯正確性和數(shù)據(jù)完整性。

實(shí)際設(shè)計(jì)使用中，選擇多項(xiàng)式函數(shù)，計(jì)算公式為：

其中，g(x)為多項(xiàng)式函數(shù)；x為被檢測的邏輯數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)再次上傳時(shí)，每一級上傳節(jié)點(diǎn)都會(huì)對上傳數(shù)據(jù)幀狀態(tài)進(jìn)行三種動(dòng)態(tài)校驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，丟棄異常以及校驗(yàn)存在問題的數(shù)據(jù)，將保留的數(shù)據(jù)傳輸至下一級。因此在每個(gè)級別的節(jié)點(diǎn)處都需要緩存模塊，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，保證數(shù)據(jù)的完整性[16]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了檢測該文設(shè)計(jì)的分布式資源庫多路數(shù)據(jù)同步傳輸系統(tǒng)的有效性，選用該文系統(tǒng)和基于NTP 的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和基于GPS 的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。

通過無加擾模式對數(shù)據(jù)子波的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，確定置零抑制情況，該文選用的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

觀察圖4 可知，該文設(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要由監(jiān)測儀表、數(shù)據(jù)黑匣子、RAM 存儲(chǔ)器、USB 攝像頭、Kinect 體感傳感器和LCD 控制器組成。

設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用三種系統(tǒng)進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸誤碼率，計(jì)算公式如下：

其中，W表示傳輸誤碼率；Z表示誤碼數(shù)據(jù)量；V表示傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)量。得到同步傳輸系統(tǒng)的誤碼率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 同步傳輸系統(tǒng)誤碼率

根據(jù)圖5 可知，隨著時(shí)間的增加，三種傳輸系統(tǒng)的誤碼率也在不斷增加，但該文設(shè)計(jì)的傳輸系統(tǒng)誤碼率遠(yuǎn)低于兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用VME 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，引用全局時(shí)鐘分發(fā)機(jī)制，使多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行同步傳輸，并通過誤碼率驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠降低多路數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)恼`碼率。

造成這種現(xiàn)象的原因是該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)主要通過芯片里的時(shí)鐘恢復(fù)和鎖相環(huán)功能模塊實(shí)現(xiàn)，將時(shí)鐘調(diào)制在數(shù)據(jù)流中，達(dá)到同步傳輸?shù)哪康?。得到恢?fù)的時(shí)鐘后，本地鎖相環(huán)進(jìn)行相位的校準(zhǔn)，以提供給ADC 采樣使用。分布式資源中的部分?jǐn)?shù)據(jù)往往只有讀取、刪除和修改操作，傳輸效率較高。為了實(shí)現(xiàn)分布式資源的實(shí)時(shí)傳輸，采集節(jié)點(diǎn)逐級上傳采用兩級乒乓FIFO 緩存的方法實(shí)現(xiàn)，其中第一級乒乓FIFO 負(fù)責(zé)本地?cái)?shù)據(jù)幀的緩存在；第二級乒乓FIFO負(fù)責(zé)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀和后級節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀的緩存。第一級乒乓FIFO 的輸出接入第二級乒乓FIFO 的輸入，使得當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和后級節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀能夠無間斷地實(shí)時(shí)上傳，不會(huì)出現(xiàn)丟幀的情況，減少誤碼。

系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間如表2 所示。

表2 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)延遲時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2 可知，該文系統(tǒng)的傳輸延遲時(shí)間較短，GPS 系統(tǒng)的延遲時(shí)間最長。該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用本地ADC 采樣時(shí)鐘，同時(shí)本地PLL 調(diào)節(jié)相位，使其與恢復(fù)時(shí)鐘相位對齊，由于多路數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)長度是固定的，所以傳輸延遲也是固定的，前級發(fā)送時(shí)鐘和本級恢復(fù)時(shí)鐘有固定的相位差，此相位差可以事先測量好，通過本地PLL 進(jìn)行相位補(bǔ)償去除。前路數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘，后路數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)后，輸入本地PLL，本地PLL 輸出兩個(gè)時(shí)鐘，一個(gè)給本地ADC 使用，一個(gè)發(fā)送給后路數(shù)據(jù)。

分布式資源數(shù)據(jù)交叉節(jié)點(diǎn)由于需要將三個(gè)方向傳輸上來的數(shù)據(jù)上傳，因此沒有采用乒乓緩存的方法，而是將數(shù)據(jù)緩存在RAM 中，采用先到先轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制，將數(shù)據(jù)上傳。當(dāng)數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)絽R總節(jié)點(diǎn)時(shí)，匯總節(jié)點(diǎn)上的FPGA 根據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行剝離，將多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換、浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換等操作，在數(shù)據(jù)完全上傳完畢后，通過USB 或以太網(wǎng)接口向分析控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳，從而完成整個(gè)分布式資源的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

4 結(jié)束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，人類產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越來越多，分布式資源的出現(xiàn)大大緩解了數(shù)據(jù)庫所面臨的挑戰(zhàn)。分布式資源具有可彈性伸縮的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化拆分，擴(kuò)展了服務(wù)的能力。該文利用全局時(shí)鐘分發(fā)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了分布式資源多路數(shù)據(jù)的同步傳輸，傳輸過程采用兩級乒乓FIFO 緩存法，并輔以CRC 校驗(yàn)算法，在確保多路數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)耐瑫r(shí)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。該文未驗(yàn)證系統(tǒng)長時(shí)間工作狀態(tài)下的實(shí)時(shí)傳輸性能以及長距離傳輸狀態(tài)下的錯(cuò)誤率，在下一次的研究中，將對這兩點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。