TMS320C6000 平台下以太网链路双冗余设计

文/杜小宁 马志兵

本文提出了一种的德州仪

器（Texas Instruments，TI）

TMS320C6000（ 以下简称C6000）

数字信号处理器（Digital Signal

Processor，DSP） 平台下基于

复杂可编程逻辑器件（Complex

Programmable Logic Device，

CPLD）的以太网物理层链路双冗

余的设计方案。该方案为基于

C6000 的以太网应用提供了额外的

一条物理层备用链路，当主链路

由于外界因素导致网络断开时，

系统能够自动无缝切换到备用链

路，并继续通信。如果网络通信

采用TCP 协议，网络断开瞬间发

送失败的数据包也将自动重发，

从而保证了通信数据不会丢失。

因此，这一方案有效地提高了以

太网通信的可靠性，在诸如武器

装备等需要高可靠性的应用环境

下，具有重要的意义。

摘 要

【关键词】以太网 双冗余 CPLD

1 引言

以太网通信技术因其标准成熟、通信带宽

高、传输可靠的优点，不仅应用在浩瀚的互联

网世界里，而且也广泛应用于近距离设备之间

大容量数据的通信。以太网通信的前提之一是

通信物理层链路畅通，但由于链路经常会因为

自然灾害或者人为因素的作用而断开，进而影

响了正常通信，可能造成难以估量的损失。通

信链路备份技术可以有效提高通信的可靠性。

2 工作原理

图1 以C6000 平台为例，给出了网络双

冗余的原理框图。

以太网媒体访问控制器（EMAC） 是

图1：C6000 网络双冗余原理框图

Network World • 网络天地

Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 21

C6000 系列DSP 上集成的一个外设， 提供

C6000 内核和外部以太网通信之间的接口，即

媒体独立接口（Media Independent Interface，

MII）。物理层收发器用于收发数据。CPLD

的功能类似于单刀双掷开关，通过C6000 DSP

的一个通用数字IO 的控制，进行切换动作。

网络隔离变压器起隔离作用，保护本地电路，

增加抗干扰能力。主链路和备用链路即为普通

的网线。实际工作时，应将两根网线从不同的

路径布设，保持一定距离，使得在外界因素作

用下，当其中一路断开后，另外一路仍旧可用

的概率得以提高。两条网线接到远端的同一个

交换机上。由于两条链路在引入CPLD 的接口

处，某一时刻一个处于连通状态，另外一个处

于悬空状态，因此在网络上并不会造成任何对

C6000 DSP 的访问冲突。

当系统上电工作时，CPLD 默认将PHY

引出的收发数据线连接到网络隔离变压器1

上，同时CPLD 与网络隔离变压器2 之间所有

连接引脚全部设置为高阻状态，因此系统使用

主链路。之后系统工作时，DSP 网络应用层不

断监测网络连接状态，当侦测到当前网络断开

后，DSP 立即驱动一个通用数字IO，使其变

为低电平。此IO 接入到CPLD，CPLD 连续

侦测到此IO 为低电平后，将PHY 引出的收发

数据线连接到网络隔离变压器2 上，并将与网

络隔离变压器1 之间连接的所有引脚置为高阻

状态。此时系统就切换到备用链路上。类似的，

当备用链路不通时，CPLD 会继续尝试切换到

主链路，即系统会在主链路和备用链路之间反

复切换，直到某一链路连通为止。

3 设计与实现

3.1 DSP与PHY模块

本设计方案对C6000 系列的DSP 具体

型号、PHY 芯片并无特殊要求。唯一要求是

DSP 芯片上集成EMAC 模块，具有扩展出以

太网接口的能力。本文以曾经用于实际项目研

发的TMS320C6455 定点DSP 芯片、LXT971A

PHY 芯片为例，硬件电路具体可参考相应的

官方文档。

对于嵌入式软件的网络部分，采用了TI

官方为C6000 提供的一个完善的网络开发套

件（Network Developer's Kit，NDK）。NDK

只需要较少的程序和数据存储空间，即可提供

一个常规的TCP/IP 协议栈。

在NDK 以太网驱动模块的内核中，系统

每100 毫秒检测一次网络连接连接。当连接状

态改变后，系统调用一个由用户提供的回调函

数，并将连接状态传递到回调函数。因此可以

在此回调函数中发出切换网络状态的指令。此

回调函数的软件流程图如图2。

3.2 CPLD模块

CPLD 模块的功能为：在DSP 通用数字

IO 的控制下，将PHY 引出的网络收发数据线

接入网络隔离变压器1 或网络隔离变压器2 中

的一路，另一路设置为高阻状态。本方案中

CPLD 连续检测数字IO 的电平状态，连续两

次检测之间有一个短暂延时。如果连续10 次

检测结果均为高电平时，则开始切换。CPLD

的工作流程图如图3 所示。

4 实验结果

在采用本方案设计的实验平台上

（TMS320C6455+LXT971A），进行网络链路

切换实验。实验时，实验平台的两条链路及一

台计算机均与一个网络交换机相连。实验平台

作为服务器，计算机运行客户端应用软件，二

者之间连续传输视频数据流，且客户端实时解

码、显示视频图像。计算机上同时运行著名的

网卡数据包监测软件——Wireshark，实时监

测网络数据包。在视频传输过程中，人为拔除

实验平台与交换机之间的主链路。通过分析

Wireshark 监测到的网络数据包，即可统计出

网络切换时间。

图4 为随机测定的6 次网络切换瞬间数

据包图。每副子图中，表格的第一列为网卡监

测到的网络数据包序号，第二列为该数据包的

接收时刻，单位为秒。图中蓝色标记行是网络

断开前的最后一个成功接收的网络数据包，黑

色标记行是网络切换后成功收到的第一个数据

包这两个数据包的时刻差值即近似等于网络切

换时间。图中蓝色标记行和黑色标记行之间的

一行为发送失败的网络数据包，黑色标记行即

为DSP 对发送失败网络数据包重新发送的数

据包。

表1 为图4 中六次网络切换时间统计表。

从图4 和表1 可知，采用此方案的网络双冗余

图2：网络切换软件部分流程框图

图3：CPLD 软件工作流程图

网络天地 • Network World

22 • 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering

设计，网络切换时间仅为200ms 左右，能够

满足绝大多数应用需求。同时当网络通信协议

采用TCP 协议时，由于存在错误重发机制，

网络切换时刻发送的数据也不会丢失。

5 结论

本文提出的网络双冗余设计方案，采用较

低的成本，实现了TMS320C6000 平台下网络

冗余备份的功能，有效提高了以太网通信的可

靠性。当然，本方案采用的相关技术，也不仅

限于C6000 平台，也可以拓展到其他DSP、

ARM 等嵌入式平台上，实现相同的功能。本

方案已经运用于海军某舰艇反蛙人武器装备