基于SDH的STM-4光接口盤的軟硬件設計

摘要：針對STM-4速率(622 Mbps)的分叉復用器(ADM)網元，設計了可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交叉和網絡管理功能的STM-4光接口盤。采用CPU+ASIC+FPGA這種典型的通信系統(tǒng)硬件架構，具體論述了STM-4光接口盤的軟硬件聯(lián)合實現(xiàn)，最后分析了該接口盤在多業(yè)務接入系統(tǒng)中的應用。
關鍵詞：分叉復用器；數(shù)據(jù)交叉；同步數(shù)字系列；多業(yè)務接入系統(tǒng)

引言
目前在城域網的核心層和匯聚層，主要采用同步數(shù)字系列(SDH)和多業(yè)務接入系統(tǒng)(MSAP)組成的環(huán)形網結構。STM-4光接口盤作為多業(yè)務接入系統(tǒng)的重要網絡單元之一，是一種新型程控數(shù)字交換技術，是兼有復用、配線、保護／恢復、監(jiān)控和網管的多功能傳輸設備，它對整個光纖系統(tǒng)的傳輸能力有著直接的影響，已經成為評價多業(yè)務接入系統(tǒng)整體傳輸能力的一個重要部分。

1 STM-4光接口盤的硬件設計
STM-4光接口盤實現(xiàn)時鐘與數(shù)據(jù)恢復、開銷處理、指針調整以及時隙交叉等功能。其硬件原理框圖如圖1所示。

STM-4光接口盤主要包括6個模塊：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，經過電源模塊的緩啟動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，保護模塊電源。為了保證板卡支持熱插拔功能，背板與光接口盤的電源使用寬體電源連接器。-48 V電源接口將使用緩啟動電路。緩啟動電路如圖2所示。

1．2 光接口RC7894模塊
RC7894提供設備定時功能、線路數(shù)據(jù)時鐘恢復、串并轉換、段開銷處理、高階開銷處理、公務電路、開銷接口等功能。RC7894可實現(xiàn)8組38．88 MHz電信總線至2路STM-4光接口的復用，內置設備時鐘功能，處理段開銷和高階開銷，并提供2路E1映射器業(yè)務接口。光接口單元內置時鐘數(shù)據(jù)恢復、串／并和并／串轉換模塊，并提供自動激光關斷和掉電告警產生和檢測等功能。線路接口部分處理再生段、復用段和高階開銷，具有指針處理、指針對齊等模塊；內置同步設備時鐘、公務電話信令處理、開銷接口單元、開銷交叉連接單元，以及兩路E1解幀器，用于實現(xiàn)內嵌網管。
1．3 交叉連接RC7830模塊
RC7830是為實現(xiàn)SDH中交叉連接功能而設計的超大規(guī)模集成電路。它具有16組STM-1輸入數(shù)據(jù)總線(Sdia)和16組STM-1輸出數(shù)據(jù)總線(Sdo)，單片可完成16個STM-1中所有的TU-12、TU-3或AU-4的無阻塞全交叉。RC7830的每組輸出STM-1數(shù)據(jù)總線都可以被設置成AU-4、TU-12、TU-3或TU-12和TU-3的混合類型，進入任何一組Sdia總線的TU-12、TU-3或AU-4都可以從任何一組Sdo總線的任何一個同種類型的通道輸出。每個通道都可以編程控制插入人工碼或設置為通道三態(tài)。通過微處理器并行接口或串行控制總線接口可以完成對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管接口處理，通過84針連接器提供交換芯片以太網、串口等接口。ARM采用三星公司的S3C2410A 外接一片32 MB的Flash，用于存儲程序和系統(tǒng)配置信息，一片8 MB的SDRAM存儲器用于運行程序。提供RS485管理接口負責傳輸本盤信息到網管盤，實現(xiàn)盤間通信。ARM處理器通過串口對兩片RC7222芯片進行管理，通過以太網芯片接口管理IP178C芯片。ARM處理器模塊原理框圖如圖3所示。

1．5 網元管理模塊
利用2片RC7222分別把兩個光口的內嵌數(shù)據(jù)(DCC或E1)轉換為以太網數(shù)據(jù)，通過IP178芯片交換后發(fā)送到網管盤的交換芯片。當檢測到無網管盤時，根據(jù)原有的網管路徑配置IP178，使對應的網管通道直接連接到另一個上聯(lián)盤的對應光口，同時令IP178把匯聚后的網管數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個上聯(lián)盤。網元管理模塊的原理框圖如圖4所示。圖4中兩個交換芯片互連，如果網管盤拔掉的話，可以連接兩個交換芯片，保證在沒有網管盤的情況下不影響其他網元的通信。

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串行網管總線選通。判斷本槽是否可以使用SPI網管總線，只有當網管通過選擇地址線發(fā)送的地址和本槽槽位相同的時候才能使用。
②復位信號輸出。輸出RC7830芯片的復位信號。
③實現(xiàn)地址輸入／輸出、倒換控制。倒換控制是FPGA的核心工作，負責時鐘倒換工作。
④T2時鐘HDB3編碼。
⑤實現(xiàn)數(shù)據(jù)交叉選擇。上聯(lián)STM-4光接口盤在7槽位、9槽位各一塊，共3把STM-4、12組電信總線，交叉的目的是在12組電信總線中，選擇其中4組接到RC7830芯片進行交叉。

2 STM-4光接口盤的軟件設計
軟件設計是由網管通信模塊、系統(tǒng)調用模塊和設備功能主函數(shù)組成。網管通信模塊主要完成了PC網管軟件和設備之間配置信息、告警性能信息以及網元屬性等信息的交換；系統(tǒng)調用模塊實現(xiàn)了驅動程序的調用，利用操作系統(tǒng)已有的文件管理系統(tǒng)和內存管理系統(tǒng)實現(xiàn)設備上各種資源的管理；設備功能主函數(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)控制、報文通信傳輸?shù)裙δ堋Ｆ滠浖傮w設計框圖如圖5所示。

應用程序的初始化模塊的主要功能是對設備進行初始化，以及對驅動程序所需要的內存和全局變量進行分配和初始化。實現(xiàn)了對設備ADM應用中的典型初始化配置，初始化內容包括光口配置、交叉連接配置、時鐘配置、自動保護倒換配置、性能監(jiān)控配置等內容。
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)配置及調度、時鐘處理(參考源和優(yōu)先級等)、開銷處理(通道開銷和段開銷)、電信總線擴展處理、組網配置，以及各種支路(以太網、E1、V35)與光口的交叉配置。

3 STM-4光接口盤的應用
STM-4光接口盤是數(shù)據(jù)交叉盤，提供兩個STM-4等級光接口，可做ADM或TM應用，同時負責設備定時等。該盤為模塊化的插卡式結構設計，在MSAP系統(tǒng)中最多可以插兩塊光接口盤，分別為7槽位和9槽位，兩盤互為備份，可以實現(xiàn)1+1板卡保護。STM-4光接口盤支持同步定時功能，可選擇兩個光接口作為參考定時輸入，或從E1業(yè)務板卡的第一個E1業(yè)務流中提取定時，同時提供兩個外同步定時輸入接口T31、T32和兩個外同步定時輸出接口T41、T42。STM-4光接口盤最多可實現(xiàn)252個E1的接入能力，各項技術性能完全符合ITU-T和ETSI標準。

結語
本文設計的STM-4光接口盤已經應用于多業(yè)務接入系統(tǒng)(MSAP)中，時鐘與數(shù)據(jù)恢復、開銷處理、指針調整以及時隙交叉等功能均已測試通過。在使用過程中，配置、管理和監(jiān)督能方便地通過圖形用戶接口(GUI)實現(xiàn)。光接口盤作為一個軟硬件相結合的嵌入式系統(tǒng)，其設計和實現(xiàn)方法對SDH設備其他單板乃至其他嵌入式系統(tǒng)的設計與開發(fā)都有一定的借鑒意義。