基于SDH的STM-4光接口盘的软硬件设计

摘要：针对STM-4速率(622 Mbps)的分叉复用器(ADM)网元，设计了可以实现数据交叉和网络管理功能的STM-4光接口盘。采用CPU+ASIC+FPGA这种典型的通信系统硬件架构，具体论述了STM-4光接口盘的软硬件联合实现，最后分析了该接口盘在多业务接入系统中的应用。
关键词：分叉复用器；数据交叉；同步数字系列；多业务接入系统

引言
    目前在城域网的核心层和汇聚层，主要采用同步数字系列(SDH)和多业务接入系统(MSAP)组成的环形网结构。STM-4光接口盘作为多业务接入系统的重要网络单元之一，是一种新型程控数字交换技术，是兼有复用、配线、保护／恢复、监控和网管的多功能传输设备，它对整个光纤系统的传输能力有着直接的影响，已经成为评价多业务接入系统整体传输能力的一个重要部分。

1 STM-4光接口盘的硬件设计
    STM-4光接口盘实现时钟与数据恢复、开销处理、指针调整以及时隙交叉等功能。其硬件原理框图如图1所示。

    STM-4光接口盘主要包括6个模块：电源模块、光接口RC7894模块、交叉连接RC7830模块、ARM处理器模块、网元管理模块、FPGA模块。
1．1 电源模块
    此单元由背板提供DC-48 V输入，经过电源模块的缓启动电路后与电源模块连接，输出+5 V、GND给板卡供电。保证各电源充分去耦，纹波不超过额定电压的5％。在模块电源输入处增加二极管防止反接，保护模块电源。为了保证板卡支持热插拔功能，背板与光接口盘的电源使用宽体电源连接器。-48 V电源接口将使用缓启动电路。缓启动电路如图2所示。

1．2 光接口RC7894模块
    RC7894提供设备定时功能、线路数据时钟恢复、串并转换、段开销处理、高阶开销处理、公务电路、开销接口等功能。RC7894可实现8组38．88 MHz电信总线至2路STM-4光接口的复用，内置设备时钟功能，处理段开销和高阶开销，并提供2路E1映射器业务接口。光接口单元内置时钟数据恢复、串／并和并／串转换模块，并提供自动激光关断和掉电告警产生和检测等功能。线路接口部分处理再生段、复用段和高阶开销，具有指针处理、指针对齐等模块；内置同步设备时钟、公务电话信令处理、开销接口单元、开销交叉连接单元，以及两路E1解帧器，用于实现内嵌网管。
1．3 交叉连接RC7830模块
    RC7830是为实现SDH中交叉连接功能而设计的超大规模集成电路。它具有16组STM-1输入数据总线(Sdia)和16组STM-1输出数据总线(Sdo)，单片可完成16个STM-1中所有的TU-12、TU-3或AU-4的无阻塞全交叉。RC7830的每组输出STM-1数据总线都可以被设置成AU-4、TU-12、TU-3或TU-12和TU-3的混合类型，进入任何一组Sdia总线的TU-12、TU-3或AU-4都可以从任何一组Sdo总线的任何一个同种类型的通道输出。每个通道都可以编程控制插入人工码或设置为通道三态。通过微处理器并行接口或串行控制总线接口可以完成对RC7830的配置和监控。
1．4 ARM处理器模块
    ARM处理器模块用于板卡芯片的管理和网管接口处理，通过84针连接器提供交换芯片以太网、串口等接口。ARM采用三星公司的S3C2410A 外接一片32 MB的Flash，用于存储程序和系统配置信息，一片8 MB的SDRAM存储器用于运行程序。提供RS485管理接口负责传输本盘信息到网管盘，实现盘间通信。ARM处理器通过串口对两片RC7222芯片进行管理，通过以太网芯片接口管理IP178C芯片。ARM处理器模块原理框图如图3所示。

1．5 网元管理模块
    利用2片RC7222分别把两个光口的内嵌数据(DCC或E1)转换为以太网数据，通过IP178芯片交换后发送到网管盘的交换芯片。当检测到无网管盘时，根据原有的网管路径配置IP178，使对应的网管通道直接连接到另一个上联盘的对应光口，同时令IP178把汇聚后的网管数据发送到另一个上联盘。网元管理模块的原理框图如图4所示。图4中两个交换芯片互连，如果网管盘拔掉的话，可以连接两个交换芯片，保证在没有网管盘的情况下不影响其他网元的通信。

1．6 FPGA模块
    在背板接口中有一块FPGA，这里选用的芯片是EP2C5F256C8，该FPGA完成以下功能：
    ①串行网管总线选通。判断本槽是否可以使用SPI网管总线，只有当网管通过选择地址线发送的地址和本槽槽位相同的时候才能使用。
    ②复位信号输出。输出RC7830芯片的复位信号。
    ③实现地址输入／输出、倒换控制。倒换控制是FPGA的核心工作，负责时钟倒换工作。
    ④T2时钟HDB3编码。
    ⑤实现数据交叉选择。上联STM-4光接口盘在7槽位、9槽位各一块，共3把STM-4、12组电信总线，交叉的目的是在12组电信总线中，选择其中4组接到RC7830芯片进行交叉。

2 STM-4光接口盘的软件设计
    软件设计是由网管通信模块、系统调用模块和设备功能主函数组成。网管通信模块主要完成了PC网管软件和设备之间配置信息、告警性能信息以及网元属性等信息的交换；系统调用模块实现了驱动程序的调用，利用操作系统已有的文件管理系统和内存管理系统实现设备上各种资源的管理；设备功能主函数实现了系统初始化、系统控制、报文通信传输等功能。其软件总体设计框图如图5所示。

    应用程序的初始化模块的主要功能是对设备进行初始化，以及对驱动程序所需要的内存和全局变量进行分配和初始化。实现了对设备ADM应用中的典型初始化配置，初始化内容包括光口配置、交叉连接配置、时钟配置、自动保护倒换配置、性能监控配置等内容。
    系统控制模块包含了系统各种功能的初始化和配置，具体有系统配置及调度、时钟处理(参考源和优先级等)、开销处理(通道开销和段开销)、电信总线扩展处理、组网配置，以及各种支路(以太网、E1、V35)与光口的交叉配置。

3 STM-4光接口盘的应用
    STM-4光接口盘是数据交叉盘，提供两个STM-4等级光接口，可做ADM或TM应用，同时负责设备定时等。该盘为模块化的插卡式结构设计，在MSAP系统中最多可以插两块光接口盘，分别为7槽位和9槽位，两盘互为备份，可以实现1+1板卡保护。STM-4光接口盘支持同步定时功能，可选择两个光接口作为参考定时输入，或从E1业务板卡的第一个E1业务流中提取定时，同时提供两个外同步定时输入接口T31、T32和两个外同步定时输出接口T41、T42。STM-4光接口盘最多可实现252个E1的接入能力，各项技术性能完全符合ITU-T和ETSI标准。

结语
    本文设计的STM-4光接口盘已经应用于多业务接入系统(MSAP)中，时钟与数据恢复、开销处理、指针调整以及时隙交叉等功能均已测试通过。在使用过程中，配置、管理和监督能方便地通过图形用户接口(GUI)实现。光接口盘作为一个软硬件相结合的嵌入式系统，其设计和实现方法对SDH设备其他单板乃至其他嵌入式系统的设计与开发都有一定的借鉴意义。