李春雨
（浙江机电职业技术学院，浙江 杭州 310053)
摘要：在基于mTCA规范的媒体网关系统中，两块主控制板要求热备份，当一块主控板故障时，另一块主控板需自动升主，替代故障板。对现有的主备倒换方案进行了分析，并改进了现有方案，该方案通过高低温老化测试，工作可靠。
关键词：媒体网关;CPLD;主备倒换;热交换；主控板；背板；
中图分类号：TN79文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.012
引用格式：李春雨. 媒体网关系统中的主备倒换设计改进方案［J］.微型机与应用，2016,35（24）：40-41，49.
0引言
主控板是媒体网关中的大脑，管理和维护系统中的其他单板，与上位机通信，传递信令信息，要求全年无故障工作，主备倒换技术是提高通信设备可靠性的重要解决方案之一［1］，因此媒体网关中的主控板需要热备份，当一块板故障后，另一块备用板立刻升主，平滑切换。本文着重研究小型媒体网关中主控板的主备倒换。
1主控板的硬件设计
媒体网关中主控板管理其他业务板，加载其他业务板，分发时钟，监控风扇板和电源板的状态。主控板的框图如图1所示。
处理器采用RMI公司的XLS408，通过可编程逻辑器件接三个外设：(1)FPGA:主要实现32路智能管理总线，管理、监控、加载业务板。(2)SA8000：该芯片是时钟芯片，产生高精度的38.88 MHz时钟。(3)SA586：该芯片是E1信号收发芯片。
鉴于主控板的重要地位，它要求全年无故障工作，需支持主备板热备份。所谓热备份，即媒体网关机框上电时，有两块电路结构完全相同的主控板，根据所在的槽位是奇槽位还是偶槽位区分出主板和备板，完全启动之后，业务都运行在主板上，备板不参与业务控制，但主板会将自己保存的信息同步到备板上，这个过程称为热备份［2］。
2现有的主备倒换方案
方案1:基于FPGA的主备倒换方案［3］，该方案实现框图如图2所示。
图2基于FPGA的主备倒换方案该方案基于FPGA实现主备倒换逻辑，图2所示6个信号通过背板实现本板和备用主控板的传递，在CPU控制下实现倒换，其优点是稳定性好，但缺点是FPGA基于RAM结构，每次上电FPGA代码都要从一个外部存储设备加载到内部的RAM中［4］，系统上电时由控制器读出配置数据再传送给FPGA进行配置［5］。这个配置过程和配置数据大小与配置时的加载时钟关系很大，一般需要几秒钟甚至几分钟，延长了倒换时间。
方案2：基于CPLD的主备倒换方案［6］，该方案实现如图3所示。
该方案用CPLD代替FPGA，可以解决FPGA加载慢的问题，CPLD内部代码存储采用Flash机制，不需要从外部加载，启动时间为1 ms，因此使用CPLD倒换速度会大大提高。
但是在实际异常测试和振动试验中发现，该方案存在双主的故障，即两块主控板同时作为有效的主用板工作，造成输出信号冲突。经分析，由于媒体网关上板卡多，信号多，高密度互连背板通常使用专用的连接器，如华为的UAP6600上主控板使用的背板连接器中用的FCI公司的AIRMAX连接器，而且要用图4所示的7组连接器［7］，在产品的振动试验中发现经常出现双主现象。因此上述基于CPLD的主备倒换方案也存在问题。
3改进的主备倒换方案
3.1硬件改进措施
基于异常测试和可靠性测试结果，下面分析方案2出现双主的原因。
媒体网关上有多块板卡插在背板上，主控板和背板的连接器采用图4所示方案，7个54管脚的AIRMAX连接器压接到背板上，图5是对板主备指示信号(ACT_VS信号)在连接器上的位置。
由于压接工艺的关系，存在连接器不平整、AIRMAX连接器没有短针、单板拔出时插稳信号还没断开但是ACT_VS脱离等现象；单板插入时，也会出现插稳信号已接触到而ACT_VS还没有连接， 从而ACT_VS检测不到，导致本板认为对板已经降备，因此本板升主，出现双主现象。
改进方案是：增加一个辅助对板主备指示信号，靠近边缘的连接器，辅助对板主备指示信号靠近插稳信号，如图6所示。
3.2逻辑代码改进措施
机框上电后，两块主用板同时为主，但是偶槽位主控板在18个CPLD工作时钟后就退出主用状态，奇槽位主控板一直为主。CPLD内代码用Verilog［8］语言编程实现，程序流程图如图7所示。
3.3改进方案的倒换时间计算
机框上电后，18个CPLD时钟周期后，偶槽位8号主控板退出主用，31个时钟周期后，奇槽位7号主控板退出主用，所以正常情况都是7号槽位的单板处于主用状态。工作后，从图7可以看出，如果8号槽位单板4个时钟周期检测不到对板送来的ACT_VS和ACT_VS_AID信号，则本板升主，如CPLD工作时钟为15 ns,则倒换时间为4×CPLD CLK=4×15 ns=60 ns。
4结论
媒体网关上背板和主控板连接信号很多，各类信号超过350个，必须采用适合高密度背板的连接器，而连接器由于压接工艺的问题，存在主用板接收不到ACT_VS信号的情形，采用上述解决方案，进行多次异常测试和振动测试，未出现问题。
参考文献
［1］ 李洁,黄婷熙,潘涛涛. 高可靠性通信设备主备倒换软件实现方法［J］. 电视技术,2013，37(11):170 172.
［2］ 张玉峰,孙知信. 基于热备份的主备倒换在高端路由器中的应用［J］. 计算机技术与发展,2010，20(3):172 175,179.
［3］ 谭宇,姚亚峰,陈登,等. 基于FPGA主备倒换的电路设计与实现［J］. 电视技术,2014，38（11）:82 85，102.
［4］ 李春雨,张丽霞. 利用CPLD提高FPGA加载速度［J］. 电子器件,2013,36（4）:550 553.
［5］ 李春雨.基于CPLD的FPGA从并快速加载方案［J］.中兴通讯技术,2014,20(4)：57 59.
［6］ 施世华，高西全,靳松杰,等.高可靠性通信设备的主备倒换设计［J］.电子科技,2007（7）：47 50.
［7］ Fleck Research.AirMax VS Connector System［EB/OL］.（200909xx）［2016 07 19］http://www.fci.com/.
［8］ 王静霞.FPGA/CPLD应用技术（Verilog语言版）［M］．北京：电子工业出版社，2011．