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摘 要： 为了进一步简化航空电子系统结构，满足航空电子环境对网络高性能、低功耗的要求，设计一种基于PON结构的FC⁃AE⁃1553接口电路整体方案，由FTCS⁃OLE⁃20B和FEU3411S⁃2DT⁃1芯片对FPGA的信号光电转换，并经过光分路器组成PON无源光网络进行数据传输，最后通过回环测试平台进行功能测试和验证。实验结果表明，所设计的接口电路不仅可以基本满足FC⁃AE⁃1553设备对底层光纤协议的功能要求，而且也验证了其低延迟、强抗干扰、高传输速率的传输特性。
关键词： 接口电路; FC⁃AE⁃1553协议; PON結构; 数据传输; 功能测试; 实验验证
中图分类号： TN710⁃34; TP336 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2019）20⁃0013⁃04
Design of FC⁃AE⁃1553 interface circuit based on PON structure
LIAN Zhen， KONG Zhengmin， FANG Yanjun
（School of Power and Mechanical Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， China）
Abstract： An overall scheme of FC⁃AE⁃1553 interface circuit based on PON structure is designed to further simplify the structure of avionics systems and meet the requirements of high performance and low power consumption of the avionics environment. The FTCS⁃OLE⁃20B and FEU3411S⁃2DT⁃1 chip is used to perform photoelectric conversion of FPGA signals， and the PON （passive optical network） is formed by optical splitter to carry out data transmission. The loopback test platform is used for functional testing and verification. The experimental results show that the designed interface circuit can not only meet the functional requirements of the FC⁃AE⁃1553 device for the bottom layer optical fiber protocol， but also has verified its transmission characteristics of low delay， strong anti⁃interference and high transmission rate.
Keywords： interface circuit; FC⁃AE⁃1553 protocol; PON structure; data transmission; functional testing; experimental verification
0 引 言
20世纪70年代末，航空电子系统综合化就开始被提出研究。30多年以来，航空电子综合化系统不断发展，对网络通信的要求也越来越高，航空电子系统对数据通信在传输速率、带宽、允许终端数、实时性等方面的要求越来越高。最初提出的MIL⁃STD⁃1553B总线已经不能满足当前航空电子系统对总线的诸多需求，而光纤通道由于高实时性、高吞吐率、强抗干扰能力、高可靠性等特性，成为新一代航空电子总线的发展方向[1⁃3]。
光纤通道（Fiber Channel，FC）是美国国家标准委员会ANSI X3T11工作小组制定的一种高速串行通信协议。为适应航空电子环境的应用要求，美国军方专门制定了航空电子光纤通道协议（Fiber Channel Avionics Environment，FC⁃AE）[4⁃6]。无源光网络（Passive Optical Network，PON）技术是一种支持点对多点（P2MP）的光纤传输和接入技术，是一种单纤双向光接入技术。该技术最大的特点就是在节省了设备维护成本的同时，极大地提高了系统的可靠性和通信效率。目前较为成熟的PON技术为采用分时复用的EPON（Ethernet PON）和GPON（Gigabit⁃Capable PON）技术。其中，GPON支持的最大传输速率可达2.5 Gb/s，EPON技术凭借其优良的抗干扰能力和高扩展性，已经在光纤通信领域大规模使用。
本文主要研究了基于PON结构的FC⁃AE⁃1553设备的光纤接口电路设计，它不仅继承了FC⁃AE⁃1553协议优良传输特性，更兼备了PON拓扑结构低延迟、强抗干扰能力、低制造成本和易维护的特性。同时PON拓扑结构的无源交换特性可以更好地满足目前航电系统对于低功耗网络的设计要求。
1 总体架构设计
选择EPON拓扑结构下的FC⁃AE⁃1553电路的作为设计对象，设计光纤传输速率为1.25 Gb/s，架构如图1所示。
图1 基于PON的FC⁃AE⁃1553拓扑结构图
PON结构下的 FC⁃AE⁃1553 协议网络是下行“一点到多点”，上行“多点到一点”的双向拓扑结构，网络中有3类节点：PON网络控制器（PON Network Controller，PNC）、PON 网络终端（PON Network Terminal，PNT）和PON网络光分路器（PON Optical Distribution Network，PODN） [7⁃9]。下行传输是以广播形式，远端所有PNT都会接收到PNC发送的数据，进行解码之后，PNT通过判断传输帧相关标识信息，找到属于各自的数据，发送给上层处理。上行传输要求所有PNT发向PNC的数据交换在时间上不能冲突，因此是以时分复用的形式。
光纤传输介质选择单模光纤，单模光纤传输距离较多模光纤而言更远。PON模块的信号接收与发送使用同一根光纤作为信道，因为光路的上行信号波长为1 310 nm，下行信号波长为1 490 nm，两者信号波长不同，接收信号与发射信号互不干扰，所以单个光纤就可以实现全双工通信。接口总体方案如图2所示。
图2 接口总体方案
PNC主要使用OLT模块（Optical Line Terminal），位于网络的上游，主要功能是完成光/电，电/光转换以及调度整个網络带宽资源，控制整个网络的数据传输，同时负责网络终端的传输请求查询、总线同步、数据传输协调以及错误处理和数据备份传输等功能[10]。PNT主要使用ONU模块（Optical Network Unit），位于网络的下游，主要功能也是完成光/电，电/光转换以及根据PNC发起的命令进行与PNC或其他PNT的数据交换。本设计选择F⁃tone Networks公司的OLT模块FTCS⁃OLE⁃20B和国扬通信公司的ONU模块FEU3411S⁃2DT⁃1，数据上下行传输速率均为1.25 Gb/s，可以满足设计需求。
OLT和ONU模块，在接收数据时将光信号转化为速率为1.25 Gb/s的一对差分信号，在发送数据时将1.25 Gb/s的差分信号转换为光信号。但OLT和ONU模块光电转换后的信号均为串行数据，而FC⁃AE⁃1553协议采用的是8 b/10 b编码机制，因此需要将串行数据转换成10 b的并行数据输入给FPGA，本文采用Agilent Technologies公司的串并转换芯片HDMP⁃1636A。
2 硬件电路设计
2.1 接收发送模块设计
接收发送模块主要负责底层光纤协议的实现，数据链路的管理和数据的收发。区别于传统的端口状态机握手同步方式，基于PON的FC⁃AE⁃1553接口采用的是添加同步帧头的方式来实现传输同步功能，因此接口模块中并不需要进行状态端口机的设计，简化了电路的设计。
如图3所示，接收数据时，经OLT或ONU光电转换的串行数据经过串并转换模块转换成10 b并行数据进入FPGA。然后经过8 b/10 b转换模块进行解码还原成8 b数据流，再进行数据解压，同时识别同步帧头，完成数据流的同步处理。接下来去除帧头帧尾，并进行奇偶校验。最后将有效数据传给上层进行相应处理和操作。发送数据时，就是一个逆过程。上层终端将需要传输的信息，添加帧头帧尾，再添加同步帧头，然后进行数据打包，经过8 b/10 b转换模块转换成10 b数据流之后，发送给串并转换模块转换成串行数据，发送给OLT或ONU进行电光转换并发送给光纤通道。
图3 接收发送模块设计
2.2 OLT模块电路设计
OLT作为整个PON网络拓扑的核心，不仅提供面向PON网络设备的光纤接口，而且在进行下行传输时，进行广播操作，同时向所有ONU发送相同数据。在进行上行传输时，它控制各个ONU传输数据的起始时间，掌握了整个上行数据传输的节奏。
OLT电气连接图如图4所示。其中， RD+，RD-和TD+，TD-是高速串行收发引脚，对应与FPGA的吉比特收发器GTX相连接。另外，由于引脚RD+，RD-和TD+，TD-收发的都是差分信号，因此在实际应用中需要进行阻抗匹配，并使走线尽可能短。Tx_Fail是光信号发送失败指示引脚，该引脚会在模块发送光信号失败时输出高电平信号。Tx_DIS是OLT模块光信号发送功能启闭引脚，置高电平时将关闭发送功能，置低电平时则开启。对于OLT而言，无论上行传输还是下行传输，其接收功能需要一直打开，而发送功能则需要根据需要通过信号控制启闭。BRST_Det引脚可以监视模块是否接收到有效光信号，当接收到有效光信号时引脚输出高电平，当接收到复位信号时引脚输出低电平。
图4 OLT模块电路连接图
2.3 ONU模块电路设计
ONU作为PON网络拓扑中OLT的从机，功能就是接收OLT传输的数据并识别出属于自己的数据流及根据OLT指令响应发送数据，同时为终端设备PNT提供相应的接口服务。
ONU电气连接图如图5所示。其中， RD+，RD-和TD+，TD-是高速串行收发引脚，对应与FPGA的吉比特收发器GTX相连接。SD是光信号接收状态指示引脚，光信号接收正常输出高电平，光信号接收不正常或者未接收到有效光信号输出低电平。Burst_EN是ONU模块光信号发送功能启闭引脚，置高电平时将发射功能，置低电平时则关闭。ONU跟OLT一样，其接收功能都需要一直打开，而发送功能則需要信号控制启闭。SDA和SCL是I2C的时钟输入和数据输入输出口。TX_SD是光信号发射模块状态指示引脚，仅在当发射模块开启时生效。
3 实验验证
测试系统搭建如图6所示。OLT模块和ONU模块分别由FPGA配置为PNC节点和PNT节点，并通过分光器PODN和光纤连接组成PNT到PNC的上行通信链路。搭建回环测试系统时应注意以下三个方面：
1） 配置OLT。使用前，将跳线CON1的1，2两脚短路，CON2的1，2两脚断路。当OLT准备发送数据时， 需先将Tx_DIS信号置低电平;当不需要发送数据，则将该信号置高电平。BRST_Det信号用来指示OLT模块接收光信号的状态。
2） 配置ONU。当ONU准备启动数据发送功能时，需将Burst_EN信号引脚置高电平;当需要关闭数据发送功能时，则将该信号引脚置高电平。SD信号用来指示ONU模块接收光信号的状态，TX_SD信号用来指示ONU模块的发射状态。
3） PON网络拓扑组建。PNC（OLT）与PNT（ONU）以及分光器PODN（ODN）共同组成一个完整的PON网络。分光器是一种将单路光信号能量均匀分成多路光信号的器件。本设计采用1∶4分光器。同时为了保护器件，在光路中增加了光衰减器。
图5 ONU模块电路连接图
图6 回环测试系统图
具体接口电路测试系统验证过程如下所示。首先，计算机将随机的原始数据通过串行接口发送给FPGA;接着，FPGA将原始数据先添加帧头帧尾以及同步帧头;再进行数据打包，打包完成的数据进行8 b/10 b编码之后发送给串并转换模块;同时FPGA完成对OLT和ONU的配置;经过串并转换之后，将串行数据发送给ONU模块;ONU模块接收到数据后进行电/光转换成光信号数据输出，经由分光器ODN传输给OLT模块;OLT模块将光信号数据转换成串行电信号数据，并将转换之后的串行数据发送给串并转换模块;转换出来的并行数据再传输给FPGA，FPGA将接收到的数据送入8 b/10 b解码模块进行处理;然后进行数据解包，解析同步头以及进行去帧头帧尾处理;最后再将这些数据发送给计算机，与原始数据进行数据比对，得出测试结果。
4 结 论
本文设计开发了基于PON拓扑结构的FC⁃AE⁃1553B总线接口电路，同时分析了PON拓扑结构和光纤1553B总线协议。并且搭建了回环测试实验平台，通过与计算机进行传输数据比对测试并验证了本设计功能完整、性能优越。实验结果表明，本设计不仅可以准确发送和接收数据，同时兼具了无源光网络的低延迟、强抗干扰、高传输速率的特性。利用本设计可以灵活搭建基于PON拓扑结构的光纤1553B网络，有利于进一步进行该协议的开发研究。
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