摘要：带SONET/SDH或同步以太网端口的电信设备必须具有非常高的可靠性和容错能力。这类系统的一个要求是双路、主备时钟卡冗余。Maxim的时钟芯片不仅可以实现重要的时钟同步功能，还能够轻松满足Stratum 3、G.813和其它电信标准的时钟卡冗余，这篇应用笔记介绍如何利用Maxim的时钟IC在电信设备中实现双路冗余时钟功能。 引言 这篇应用笔记介绍如何利用Maxim的时钟IC在电信设备中实现双路冗余时钟功能。设计具有容错能力的冗余时钟不仅仅是好的设计习惯，也是Stratum 4E或更高级别的时钟系统所必需的，具体细节可以参考Telcordia GR-1244-CORE规范。 在此规范中，“时钟卡”表示具有完整、独立时钟功能的印刷电路板(PCB)，包括类似于Maxim的DS3100、DS3101或DS3102的时钟芯片或其它本地TCXO或OCXO。多数时钟卡设计为两块相同的时钟电路板，采用主备方式在多槽位的背板系统中工作。随着系统集成度的提高，时钟卡通常还会实现时钟以外的功能。许多时钟卡还具有需要1:1冗余备份的其它功能，如系统管理处理器、包交换和TDM交换功能。尽管这些卡上还有一些其它功能，但本文主要探讨“时钟卡”的基本功能。 硬件配置 冗余时钟卡之间的连接 时钟卡和系统背板的连线包括一条时钟卡A到时钟卡B的专用时钟信号和一条类似的从时钟卡B到时钟卡A的专用时钟信号，如图1所示。 时钟卡之间的时钟信号频率取决于系统要求，有些系统中，所有线卡都要求有一个公共的8kHz帧同步信号和/或2kHz复帧同步信号。这些系统中，跨板卡时钟信号频率是相位同步所需的最低频率：复帧同步则采用2kHz，否则采用8kHz。SDH/SONET系统不需要帧同步或复帧同步，跨板卡时钟信号的频率通常是6.48MHz或19.44MHz。如果系统中只有同步以太网端口，没有SDH/SONET，则通常采用25MHz。 时钟卡到线卡的连接 除了冗余时钟卡之间的跨板卡时钟信号，一个或多个来自各个时钟卡的系统时钟信号通过背板传送到所有线卡。每个线卡上都有一个线卡时钟芯片(如DS3104、DS3105或DS3106)，线卡时钟芯片监控两个系统时钟，并在主时钟信号失效后自动切换到备用时钟信号，如图1所示。 时钟卡到线卡的时钟信号引线通常采用两种方式。第一种是从每个时钟卡到每个线卡的点到点连接，这种方式会使系统背板的连线增多，但具有最高容错性；第二种是每个时钟卡到所有线卡槽位的点到多点连接，经常采用一种称作M-LVDS的多点低压差分信号。与ATCA或micro-TCA兼容的系统即使用M-LVDS实现点到多点的第二种连接方式，这样可以减少一些背板走线。 图1. 主备切换前的系统时钟 初始设备配置 系统上电时，两个时钟卡中的任意一个被选作主时钟卡，另一个作为备用时钟卡。 被配置为提供上述系统时钟功能的主时钟卡IC按设定的优先级选择输入时钟源和合适的带宽，使能参考时钟变化时的建相输出(PBOEN=1)，实现参考时钟的无缝切换。如要满足其它电信同步要求，则还需配置另外一些相关参数。 备用时钟卡IC则配置为跟踪主时钟卡。只有来自主时钟卡的时钟设为有效输入时钟。备用时钟卡的带宽设置在主时钟卡的10倍以上，以保证备用时钟卡可以快速跟上主时钟卡输出时钟的相位变化。另外，备用时钟卡不允许使能参考时钟变化时的建相输出(PBOEN=0)，以保证备用时钟卡与主时钟卡零相差。这些设置用来保证线卡看到的来自主备时钟卡的时钟信号同频、同相。当线卡时钟芯片从主时钟卡切换到备用时钟卡时不会造成线卡输出端口的相位变化。 主备时钟卡切换过程 有两个原因会造成主备时钟卡切换。第一种原因是主时钟卡失效导致输出时钟频率超出可接受范围或完全没有输出；第二种原因是系统管理软件主动要求主备时钟切换。 当主时钟卡失效时，备用时钟卡IC监测到失效时钟，自动从跟踪切换到保持状态，并立即将其输出时钟信号与跟踪的主时钟信号相隔离。如果主时钟失效导致完全没有输出，所有的线卡时钟IC会监测到该故障并自动将系统时钟切换到备用时钟卡。如果主时钟卡失效仅导致其输出时钟频率变化，备用时钟卡上的时钟芯片可以监测到这一变化，但线卡的时钟芯片不一定具备频率测量功能，可能监测不到。此时，系统管理软件可以响应一个来自备用时钟卡的中断，并手动强制所有线卡时钟芯片将系统时钟切换到备用时钟卡。 如果系统管理软件在主时钟卡输出仍然有效的时候主动发命令切换主备时钟，由于此时备用时钟卡没有自动切换到保持状态，系统管理软件必须通过设置寄存器MCR1.T0STATE=2将备用时钟卡强制设为保持状态。 在上述所有条件下，最终结果都是整个系统的时钟来自处于保持状态的备用时钟卡。由于备用时钟卡可以依靠本地振荡器稳定工作一段时间，系统管理软件可以在这段时间内按照如下顺序重新配置主备时钟卡： 如果还未配置，则将备用时钟卡的时钟芯片强制设为保持状态(MCR1.T0STATE=2)。 如果还未配置，强制将所有线卡时钟芯片的系统时钟输入从主时钟卡切换到备用时钟卡(利用寄存器MCR4.T0FORCE或SRCSW引脚进行配置)。 禁止主时钟卡的所有输出，将其强制设为保持状态(OCR1=0、OCR2=0、OCR3=0、OCR4=0、MCR1.T0STATE=2)。 将备用时钟卡的配置改成原来的主时钟卡配置，包括输入优先级、带宽，并设置PBOEN=1以实现无缝切换。 将备用时钟卡从保持状态配置成自动切换(MCR1.T0STATE=0)，此时备用时钟卡正式成为新的主时钟卡，如图2所示。 如果线卡时钟芯片在正常状态下自动切换主备系统时钟，则通过配置每个线卡时钟芯片的T0FORCE=0恢复自动切换。 如果主备时钟切换来自系统管理软件的命令，还需按照上述初始设备配置中的方法将原来的主时钟卡更改为备用时钟卡。如果主备时钟切换是因为主时钟卡失效，则将原来的主时钟卡继续设为保持状态，并在更换卡之前禁止其时钟输出。 图2. 主备时钟切换后的系统时钟 在时钟卡和线卡上均采用Maxim时钟IC，以上整个切换过程可以在几毫秒内完成。系统输出端口看到的最大相位变化通常小于1ns。 结论 本应用笔记介绍在电信系统中实现可靠的主从时钟卡冗余设计的硬件设计和软件步骤。利用Maxim时钟芯片的时钟监测和无缝切换功能，可以非常容易地保证主备时钟切换时系统输出端口的相位变化非常小。 关于本应用笔记或Maxim同步时钟芯片的任何问题，请联络Maxim的技术支持。 相关型号   APP 4391: Jun 24, 2009 DS3100 Stratum 3/3E/3时钟卡IC 完整的数据资料 (PDF, 1.0MB) 免费样品 DS3101 Stratum 2/3E/3时钟卡IC 完整的数据资料 (PDF, 672kB) 免费样品 DS3102 Stratum 2/3E/3时钟卡IC，支持同步以太网 完整的数据资料 (PDF, 688kB) 免费样品 DS3104 线卡时钟IC，支持同步以太网 完整的数据资料 (PDF, 696kB) 免费样品 DS3105 线卡时钟IC 完整的数据资料 (PDF, 596kB) 免费样品 DS3106 线卡时钟IC 完整的数据资料 (PDF, 492kB) 免费样品 自动更新 需要自动接收最新发布的应用笔记吗？请订阅EE-Mail™ (English only)。 我们期待您的反馈！ 喜欢？不喜欢？有待改善？或为我们提供建议？请与我们联系 — 我们将根据您的意见或建议改善我们的工作。 网页评价或提供建议   下载，PDF格式 (60kB)  AN4391, AN 4391, APP4391, Appnote4391, Appnote 4391