基于SDH的STM-4光接口盤(pán)的軟硬件設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)STM-4速率(622 Mbps)的分叉復(fù)用器(ADM)網(wǎng)元，設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交叉和網(wǎng)絡(luò)管理功能的STM-4光接口盤(pán)。采用CPU+ASIC+FPGA這種典型的通信系統(tǒng)硬件架構(gòu)，具體論述了STM-4光接口盤(pán)的軟硬件聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，最后分析了該接口盤(pán)在多業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：分叉復(fù)用器；數(shù)據(jù)交叉；同步數(shù)字系列；多業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)

引言
目前在城域網(wǎng)的核心層和匯聚層，主要采用同步數(shù)字系列(SDH)和多業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)(MSAP)組成的環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)。STM-4光接口盤(pán)作為多業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)的重要網(wǎng)絡(luò)單元之一，是一種新型程控?cái)?shù)字交換技術(shù)，是兼有復(fù)用、配線(xiàn)、保護(hù)／恢復(fù)、監(jiān)控和網(wǎng)管的多功能傳輸設(shè)備，它對(duì)整個(gè)光纖系統(tǒng)的傳輸能力有著直接的影響，已經(jīng)成為評(píng)價(jià)多業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)整體傳輸能力的一個(gè)重要部分。

1 STM-4光接口盤(pán)的硬件設(shè)計(jì)
STM-4光接口盤(pán)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)、開(kāi)銷(xiāo)處理、指針調(diào)整以及時(shí)隙交叉等功能。其硬件原理框圖如圖1所示。

STM-4光接口盤(pán)主要包括6個(gè)模塊：電源模塊、光接口RC7894模塊、交叉連接RC7830模塊、ARM處理器模塊、網(wǎng)元管理模塊、FPGA模塊。
1．1 電源模塊
此單元由背板提供DC-48 V輸入，經(jīng)過(guò)電源模塊的緩啟動(dòng)電路后與電源模塊連接，輸出+5 V、GND給板卡供電。保證各電源充分去耦，紋波不超過(guò)額定電壓的5％。在模塊電源輸入處增加二極管防止反接，保護(hù)模塊電源。為了保證板卡支持熱插拔功能，背板與光接口盤(pán)的電源使用寬體電源連接器。-48 V電源接口將使用緩啟動(dòng)電路。緩啟動(dòng)電路如圖2所示。

1．2 光接口RC7894模塊
RC7894提供設(shè)備定時(shí)功能、線(xiàn)路數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)、串并轉(zhuǎn)換、段開(kāi)銷(xiāo)處理、高階開(kāi)銷(xiāo)處理、公務(wù)電路、開(kāi)銷(xiāo)接口等功能。RC7894可實(shí)現(xiàn)8組38．88 MHz電信總線(xiàn)至2路STM-4光接口的復(fù)用，內(nèi)置設(shè)備時(shí)鐘功能，處理段開(kāi)銷(xiāo)和高階開(kāi)銷(xiāo)，并提供2路E1映射器業(yè)務(wù)接口。光接口單元內(nèi)置時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)、串／并和并／串轉(zhuǎn)換模塊，并提供自動(dòng)激光關(guān)斷和掉電告警產(chǎn)生和檢測(cè)等功能。線(xiàn)路接口部分處理再生段、復(fù)用段和高階開(kāi)銷(xiāo)，具有指針處理、指針對(duì)齊等模塊；內(nèi)置同步設(shè)備時(shí)鐘、公務(wù)電話(huà)信令處理、開(kāi)銷(xiāo)接口單元、開(kāi)銷(xiāo)交叉連接單元，以及兩路E1解幀器，用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌網(wǎng)管。
1．3 交叉連接RC7830模塊
RC7830是為實(shí)現(xiàn)SDH中交叉連接功能而設(shè)計(jì)的超大規(guī)模集成電路。它具有16組STM-1輸入數(shù)據(jù)總線(xiàn)(Sdia)和16組STM-1輸出數(shù)據(jù)總線(xiàn)(Sdo)，單片可完成16個(gè)STM-1中所有的TU-12、TU-3或AU-4的無(wú)阻塞全交叉。RC7830的每組輸出STM-1數(shù)據(jù)總線(xiàn)都可以被設(shè)置成AU-4、TU-12、TU-3或TU-12和TU-3的混合類(lèi)型，進(jìn)入任何一組Sdia總線(xiàn)的TU-12、TU-3或AU-4都可以從任何一組Sdo總線(xiàn)的任何一個(gè)同種類(lèi)型的通道輸出。每個(gè)通道都可以編程控制插入人工碼或設(shè)置為通道三態(tài)。通過(guò)微處理器并行接口或串行控制總線(xiàn)接口可以完成對(duì)RC7830的配置和監(jiān)控。
1．4 ARM處理器模塊
ARM處理器模塊用于板卡芯片的管理和網(wǎng)管接口處理，通過(guò)84針連接器提供交換芯片以太網(wǎng)、串口等接口。ARM采用三星公司的S3C2410A 外接一片32 MB的Flash，用于存儲(chǔ)程序和系統(tǒng)配置信息，一片8 MB的SDRAM存儲(chǔ)器用于運(yùn)行程序。提供RS485管理接口負(fù)責(zé)傳輸本盤(pán)信息到網(wǎng)管盤(pán)，實(shí)現(xiàn)盤(pán)間通信。ARM處理器通過(guò)串口對(duì)兩片RC7222芯片進(jìn)行管理，通過(guò)以太網(wǎng)芯片接口管理IP178C芯片。ARM處理器模塊原理框圖如圖3所示。

1．5 網(wǎng)元管理模塊
利用2片RC7222分別把兩個(gè)光口的內(nèi)嵌數(shù)據(jù)(DCC或E1)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)IP178芯片交換后發(fā)送到網(wǎng)管盤(pán)的交換芯片。當(dāng)檢測(cè)到無(wú)網(wǎng)管盤(pán)時(shí)，根據(jù)原有的網(wǎng)管路徑配置IP178，使對(duì)應(yīng)的網(wǎng)管通道直接連接到另一個(gè)上聯(lián)盤(pán)的對(duì)應(yīng)光口，同時(shí)令I(lǐng)P178把匯聚后的網(wǎng)管數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個(gè)上聯(lián)盤(pán)。網(wǎng)元管理模塊的原理框圖如圖4所示。圖4中兩個(gè)交換芯片互連，如果網(wǎng)管盤(pán)拔掉的話(huà)，可以連接兩個(gè)交換芯片，保證在沒(méi)有網(wǎng)管盤(pán)的情況下不影響其他網(wǎng)元的通信。

1．6 FPGA模塊
在背板接口中有一塊FPGA，這里選用的芯片是EP2C5F256C8，該FPGA完成以下功能：
①串行網(wǎng)管總線(xiàn)選通。判斷本槽是否可以使用SPI網(wǎng)管總線(xiàn)，只有當(dāng)網(wǎng)管通過(guò)選擇地址線(xiàn)發(fā)送的地址和本槽槽位相同的時(shí)候才能使用。
②復(fù)位信號(hào)輸出。輸出RC7830芯片的復(fù)位信號(hào)。
③實(shí)現(xiàn)地址輸入／輸出、倒換控制。倒換控制是FPGA的核心工作，負(fù)責(zé)時(shí)鐘倒換工作。
④T2時(shí)鐘HDB3編碼。
⑤實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交叉選擇。上聯(lián)STM-4光接口盤(pán)在7槽位、9槽位各一塊，共3把STM-4、12組電信總線(xiàn)，交叉的目的是在12組電信總線(xiàn)中，選擇其中4組接到RC7830芯片進(jìn)行交叉。

2 STM-4光接口盤(pán)的軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)是由網(wǎng)管通信模塊、系統(tǒng)調(diào)用模塊和設(shè)備功能主函數(shù)組成。網(wǎng)管通信模塊主要完成了PC網(wǎng)管軟件和設(shè)備之間配置信息、告警性能信息以及網(wǎng)元屬性等信息的交換；系統(tǒng)調(diào)用模塊實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用，利用操作系統(tǒng)已有的文件管理系統(tǒng)和內(nèi)存管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備上各種資源的管理；設(shè)備功能主函數(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)控制、報(bào)文通信傳輸?shù)裙δ?。其軟件總體設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

應(yīng)用程序的初始化模塊的主要功能是對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，以及對(duì)驅(qū)動(dòng)程序所需要的內(nèi)存和全局變量進(jìn)行分配和初始化。實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備ADM應(yīng)用中的典型初始化配置，初始化內(nèi)容包括光口配置、交叉連接配置、時(shí)鐘配置、自動(dòng)保護(hù)倒換配置、性能監(jiān)控配置等內(nèi)容。
系統(tǒng)控制模塊包含了系統(tǒng)各種功能的初始化和配置，具體有系統(tǒng)配置及調(diào)度、時(shí)鐘處理(參考源和優(yōu)先級(jí)等)、開(kāi)銷(xiāo)處理(通道開(kāi)銷(xiāo)和段開(kāi)銷(xiāo))、電信總線(xiàn)擴(kuò)展處理、組網(wǎng)配置，以及各種支路(以太網(wǎng)、E1、V35)與光口的交叉配置。

3 STM-4光接口盤(pán)的應(yīng)用
STM-4光接口盤(pán)是數(shù)據(jù)交叉盤(pán)，提供兩個(gè)STM-4等級(jí)光接口，可做ADM或TM應(yīng)用，同時(shí)負(fù)責(zé)設(shè)備定時(shí)等。該盤(pán)為模塊化的插卡式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在MSAP系統(tǒng)中最多可以插兩塊光接口盤(pán)，分別為7槽位和9槽位，兩盤(pán)互為備份，可以實(shí)現(xiàn)1+1板卡保護(hù)。STM-4光接口盤(pán)支持同步定時(shí)功能，可選擇兩個(gè)光接口作為參考定時(shí)輸入，或從E1業(yè)務(wù)板卡的第一個(gè)E1業(yè)務(wù)流中提取定時(shí)，同時(shí)提供兩個(gè)外同步定時(shí)輸入接口T31、T32和兩個(gè)外同步定時(shí)輸出接口T41、T42。STM-4光接口盤(pán)最多可實(shí)現(xiàn)252個(gè)E1的接入能力，各項(xiàng)技術(shù)性能完全符合ITU-T和ETSI標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的STM-4光接口盤(pán)已經(jīng)應(yīng)用于多業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)(MSAP)中，時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)、開(kāi)銷(xiāo)處理、指針調(diào)整以及時(shí)隙交叉等功能均已測(cè)試通過(guò)。在使用過(guò)程中，配置、管理和監(jiān)督能方便地通過(guò)圖形用戶(hù)接口(GUI)實(shí)現(xiàn)。光接口盤(pán)作為一個(gè)軟硬件相結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法對(duì)SDH設(shè)備其他單板乃至其他嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)都有一定的借鑒意義。