多路接口與E1協(xié)議轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)通信帶寬越來(lái)越高，低速設(shè)備無(wú)法連接到高速的E1線路的問(wèn)題，提出了一種基于可編程邏輯器件FPGA、嵌入式微處理器MPC875的多路接口與E1協(xié)議轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，給出了硬件原理框圖及主要元器件的選型，并對(duì)多路接口數(shù)據(jù)調(diào)度方法、空時(shí)隙處理策略、FPGA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。通過(guò)實(shí)現(xiàn)RS 232，RS 449，V．35三路接口與E1的協(xié)議轉(zhuǎn)換，證明該方案是可行的。
關(guān)鍵詞：多路接口；E1；協(xié)議轉(zhuǎn)換；FPGA

0 引言
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，人們對(duì)高帶寬需求不斷增加，接入DDN(Digital Data Network)網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)等高速通信網(wǎng)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。E1是我國(guó)電信傳輸網(wǎng)一次群使用的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，速率是2．048 Mb／s。實(shí)現(xiàn)多路接口與E1協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，將可以把多種設(shè)備同時(shí)連接至高速的E1線路。本文基于FPGA(Field Programmable Gate Array)、嵌入式微處理器設(shè)計(jì)了一個(gè)多路接口與E1的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)RS 232，RS 449，V．35等接口數(shù)據(jù)在E1線路上的高速傳輸。

1 系統(tǒng)原理
1．1 系統(tǒng)描述
    多路接口與E1協(xié)議轉(zhuǎn)換示意圖如圖1所示。在發(fā)送端，將多路接口數(shù)據(jù)按照一定順序合并成一路符合E1協(xié)議的數(shù)據(jù)在E1信道上進(jìn)行傳輸，在接收端，將接收到的E1信號(hào)再按發(fā)送端順序分成多路接口數(shù)據(jù)。

1．2 多路接口數(shù)據(jù)映射到E1幀的方法
    E1是一種典型的時(shí)分復(fù)用結(jié)構(gòu)，一個(gè)E1時(shí)分復(fù)用幀劃分為32個(gè)相等的時(shí)隙，編號(hào)為CH0～CH31，其中時(shí)隙CH0用作幀同步用，時(shí)隙CH16用來(lái)傳送信令。其余的時(shí)隙用來(lái)傳送有效數(shù)據(jù)。
    通過(guò)將不同的接口數(shù)據(jù)插入不同的數(shù)據(jù)時(shí)隙，把多路接口數(shù)據(jù)編成一個(gè)E1數(shù)據(jù)幀，實(shí)現(xiàn)多路接口與E1的協(xié)議轉(zhuǎn)換。
    將多路接口數(shù)據(jù)映射到E1時(shí)隙中，需要根據(jù)每路接口的速率進(jìn)行時(shí)隙分配，也就是將E1的一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙分配給一路接口使用，分配的時(shí)隙速率不小于接口速率(每個(gè)時(shí)隙的速率相當(dāng)于64 Kb／s)，DTE(Data Terminal Equipment)與DCE(Data Communications Equipment)設(shè)備端時(shí)隙分配設(shè)置必須一致。由于協(xié)議轉(zhuǎn)換器沒(méi)有自適應(yīng)接口速率的功能，因此時(shí)隙的分配通過(guò)一個(gè)軟件界面由使用者完成。
    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)隙的分配，設(shè)置30個(gè)4位的時(shí)隙分配寄存器。CPU根據(jù)使用者的時(shí)隙分配設(shè)置，生成30個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙地址并寫入對(duì)應(yīng)時(shí)隙分配寄存器。數(shù)據(jù)時(shí)隙地址表示的是該數(shù)據(jù)時(shí)隙傳送的是哪個(gè)接口的數(shù)據(jù)。在發(fā)送端，根據(jù)該地址從相應(yīng)接口讀取數(shù)據(jù)插入對(duì)應(yīng)時(shí)隙；在接收端，根據(jù)該地址將相應(yīng)時(shí)隙數(shù)據(jù)送往對(duì)應(yīng)接口。表1為數(shù)據(jù)時(shí)隙地址與接口對(duì)應(yīng)關(guān)系表，空閑表示該時(shí)隙空置沒(méi)有使用。

    系統(tǒng)將E1時(shí)隙分配給多路接口使用，當(dāng)有時(shí)隙沒(méi)有被分配時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生空時(shí)隙。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)可支配的最小單位是E1時(shí)隙，也就是說(shuō)，系統(tǒng)可以將一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙分配給一路接口使用，也可以將多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙分配給一路接口使用，當(dāng)一路接口數(shù)據(jù)不能完全填滿一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生半空時(shí)隙。比如一個(gè)100 Kb／s的接口，占用兩個(gè)時(shí)隙，將會(huì)產(chǎn)生28 Kb／s的空時(shí)隙。
    對(duì)于沒(méi)有使用的空閑時(shí)隙，系統(tǒng)可以根據(jù)時(shí)隙分配寄存器的值識(shí)別空閑時(shí)隙。在發(fā)送端，默認(rèn)發(fā)送全“1”數(shù)據(jù)，在接收端，拋棄該無(wú)用數(shù)據(jù)；對(duì)于一路接口數(shù)據(jù)不能完全填滿一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙產(chǎn)生的半空時(shí)隙，采取循環(huán)發(fā)空包的方法來(lái)填充半空時(shí)隙，空包格式固定為“000 01111”。在接收端，檢測(cè)到這樣的空包數(shù)據(jù)，丟棄不用。
    下面主要實(shí)現(xiàn)V．35，RS 449，RS 232三路接口與E1協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)。通過(guò)三路接口與E1協(xié)議轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證多路接口同時(shí)與E1協(xié)議轉(zhuǎn)換的可行性。

1．3 系統(tǒng)硬件原理框圖與模塊功能描述
    系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示，主要由接口芯片、FPGA、CPLD、微處理器構(gòu)成。

    LTC1546／LTC1544：多功能接口芯片LTC1546，LTC1544，二者結(jié)合，構(gòu)成全功能的多協(xié)議接口界面，支持RS232，RS449，EIA530，EIA-530-A，V．35，V．36，X．21協(xié)議，協(xié)議的選擇可完全由軟件進(jìn)行。
    MPC875：飛思卡爾MPC875嵌入式CPU，基于POWERPC架構(gòu)，主頻高達(dá)133 MHz，8 KB指令cache，8 KB數(shù)據(jù)cache，總線頻率最高可達(dá)80 MHz。
    EP3C25F324C8：Altera公司的CycloneⅢ系列FPGA，性價(jià)比高，資源豐富。
    EPM7256 AETCl44-7：A1tera公司MAX7000AE系列CPLD，支持多種接口電平。由于LTC1546，LTC1544接口電平為5 V，F(xiàn)PGA不支持這樣的接口電壓，這里使用CPLD作接口電路。
    XRT82D20：RXAR公司的E1線路接口芯片，支持單路E1，具有HDB3編碼、時(shí)鐘恢復(fù)、線路驅(qū)動(dòng)等功能，75 Ω或者120 Ω阻抗匹配。
    keyboard：4×4鍵盤，用來(lái)接收時(shí)隙分配設(shè)置輸入。
    LED：LED指示燈，共30個(gè)，用來(lái)指示30個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙的使用情況：當(dāng)LED燈點(diǎn)亮?xí)r，表示該時(shí)隙已經(jīng)使用；LED燈不亮，表示該時(shí)隙為空閑。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)
2．1 與CPU通信FPGA端硬件電路設(shè)計(jì)
    當(dāng)FPGA與CPU通信時(shí)，由于CPU總線特殊的時(shí)序關(guān)系，F(xiàn)PGA端須做相應(yīng)的處理才能保證讀寫數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。圖3為MPC875讀數(shù)據(jù)總線時(shí)序圖。其中：為片選信號(hào)，為讀信號(hào)，A[0：31]為地址信號(hào)，D[0：31]為數(shù)據(jù)信號(hào)。圖4為MPC875寫數(shù)據(jù)總線時(shí)序圖，為寫信號(hào)，其余信號(hào)與讀總線相同。

    當(dāng)CPU讀取FPGA中數(shù)據(jù)時(shí)，先給出地址信號(hào)，然后使能片選、讀信號(hào)，這時(shí)如果數(shù)據(jù)總線上有數(shù)據(jù)，CPU讀入數(shù)據(jù)。但MPC875總線頻率高達(dá)80 MHz，為了CPU能穩(wěn)定的讀取到數(shù)據(jù)，這里將片選信號(hào)與讀信號(hào)相“與”，然后擴(kuò)寬3倍得到總線可用信號(hào)，在總線可用信號(hào)有效期間，數(shù)據(jù)總線上總有數(shù)據(jù)，這樣，可以保證CPU能穩(wěn)定的讀到數(shù)據(jù)。
    當(dāng)CPU寫入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU先給出地址信號(hào)，然后給出片選及寫信號(hào)，在寫信號(hào)有效期間，CPU穩(wěn)定的給出數(shù)據(jù)。因此，在片選及寫信號(hào)有效時(shí)，鎖存數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)即可。
2．2 CPLD硬件接口電路設(shè)計(jì)
    CPLD主要完成V．35，RS 449，RS 232數(shù)據(jù)收發(fā)；keyboard，LED控制；FIFO讀寫等功能。功能框圖如圖5所示。

    CPU通過(guò)CPLD對(duì)接口芯片進(jìn)行模式選擇。V．35，RS 449為同步平衡接口，常用接口速率為N×64 Kb／s(N=1～32)。時(shí)鐘、數(shù)據(jù)信號(hào)為兩線平衡傳輸，控制信號(hào)為不平衡傳輸。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將與之對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘一并輸出。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，用接口時(shí)鐘采樣數(shù)據(jù)。
     RS 232為不平衡傳輸。幀格式固定為：1位開始位、8位數(shù)據(jù)位、結(jié)束位。結(jié)束位有三種：1位、1．5位、2位。開始位固定為“0”，停止位固定為“1”。通信雙方在開始通信前必須約定好串行傳輸?shù)膮?shù)(傳輸速度、幀格式)。在發(fā)送端，首先通過(guò)分頻產(chǎn)生需要的串行波特率，然后按照幀格式以約定好的速率發(fā)送。在接收端，使用8倍于波特率的時(shí)鐘對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，經(jīng)過(guò)濾波后如果為低電平信號(hào)，即認(rèn)為是開始位，然后按照約定好的速率接收數(shù)據(jù)。
    在接收數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)IFO讀寫模塊將串行接收數(shù)據(jù)變成8位并行，同時(shí)，將與接收數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘8分頻，用此時(shí)鐘將8位并行數(shù)據(jù)寫入與該接口對(duì)應(yīng)的FIFO；在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將發(fā)送時(shí)鐘8分頻，用此時(shí)鐘從與該接口對(duì)應(yīng)的FIFO讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)將8位并行數(shù)據(jù)串行輸出。
    keyboard為4×4掃描式矩陣鍵盤，具有16個(gè)鍵。由硬件程序自動(dòng)掃描鍵盤，輸入數(shù)據(jù)觸發(fā)中斷，CPU讀取數(shù)據(jù)。LED輸出由CPU寫入相應(yīng)的顯示寄存器，然后硬件程序?qū)⑾嚓P(guān)信號(hào)輸出點(diǎn)亮LED。

2．3 FPGA硬件電路設(shè)計(jì)
    FPGA主要根據(jù)時(shí)隙的分配設(shè)置，在時(shí)鐘系統(tǒng)的管理控制下，完成E1的編解幀功能。功能框圖如圖6所示。

    CPU根據(jù)設(shè)置向時(shí)隙分配寄存器寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，E1編解幀模塊根據(jù)時(shí)隙分配設(shè)置，從相應(yīng)的FIFO讀取數(shù)據(jù)，寫入該時(shí)隙。對(duì)于沒(méi)有使用的空時(shí)隙，按照空時(shí)隙處理辦法填入無(wú)效數(shù)據(jù)。發(fā)送時(shí)鐘為FPGA外接的2．048 MHz時(shí)鐘。由于XRT82D20為數(shù)據(jù)差分輸入，因此將編解幀模塊輸出的數(shù)據(jù)TPOS進(jìn)行反向得到TNEG，平衡輸出。TCLK為發(fā)送時(shí)鐘。
    在接收時(shí)，XRT82D20數(shù)據(jù)差分輸入RPOS，RNEG，將兩個(gè)信號(hào)相減得到輸入數(shù)據(jù)信號(hào)，RCLK為時(shí)鐘輸入。在輸入時(shí)鐘的控制下，E1編解幀模塊將數(shù)據(jù)解幀。同時(shí)，根據(jù)時(shí)隙分配設(shè)置，將各個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)送入不同的接口FIFO。

3 軟件主程序流程圖
    MPC875主要完成接口芯片初始化設(shè)置、時(shí)隙分配設(shè)置輸入、狀態(tài)顯示等功能。軟件主程序流程圖如圖7所示。

    上電以后，CPU進(jìn)行初始化設(shè)置。延遲1 ms進(jìn)行內(nèi)存地址分配：每個(gè)自定義寄存器及I／O均分配一個(gè)內(nèi)存地址，CPU操作時(shí)讀寫相應(yīng)地址即可；接著進(jìn)行LTC1546／LTC1544模式選擇，將三組接口分別配置為V．35，RS 449，RS 232；然后查詢時(shí)隙分配設(shè)置輸入，如果已經(jīng)輸入時(shí)隙分配設(shè)置，則讀取時(shí)隙設(shè)置數(shù)據(jù)，否則，等待時(shí)隙設(shè)置輸入；協(xié)議轉(zhuǎn)換器初始化設(shè)置完畢，每隔100 ms進(jìn)行一次線路運(yùn)行狀態(tài)告警顯示。

4 協(xié)議轉(zhuǎn)換器測(cè)試
4．1 測(cè)試平臺(tái)搭建
    測(cè)試平臺(tái)由JDSU ANT-5 SDH接入測(cè)試儀，協(xié)議轉(zhuǎn)換器，示意圖如圖8所示。JDSU ANT-5手持型SDH／PDH傳輸分析儀，內(nèi)置所有必要的接口：從T1Bantam、E1平衡與E1非平衡，到STM-16／OC48光接口；測(cè)試速率從1．544 Mb／s～2．5 Gb／s；大屏幕、簡(jiǎn)單圖形化界面、中文菜單，易于使用。

    首先進(jìn)行時(shí)隙分配設(shè)置，將1到15時(shí)隙分配給V．35接口，17到30時(shí)隙分配給RS 449接口，31時(shí)隙分配給RS 232接口。由JDSU ANT-5 SDH接入測(cè)試儀發(fā)出的2 MHz信號(hào)，進(jìn)入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換器，然后分別將V．35，RS 449，RS 232接口環(huán)回，再將輸出的E1信號(hào)接入測(cè)試儀，在測(cè)試儀中測(cè)試環(huán)回信號(hào)的各種特性。
4．2 測(cè)試結(jié)果
    依照上述測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換器功能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，誤碼率為0，說(shuō)明協(xié)議轉(zhuǎn)換器功能正常。JDSU ANT-5 SDH接入測(cè)試儀測(cè)試截圖如圖9所示。其中BER為誤碼率。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文提出了一種多路接口與E1的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方法，并具體介紹了時(shí)隙分配及調(diào)度、空時(shí)隙處理等技術(shù)難點(diǎn)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)V.35，RS449，RS 232三路接口與E1的協(xié)議轉(zhuǎn)換，證明該方案是可行的。另外，本設(shè)計(jì)具有良好的擴(kuò)展性，可以方便的根據(jù)具體應(yīng)用添加或去除接口，也可以在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，完成更多的功能。