一種可遠(yuǎn)程網(wǎng)管的光纖收發(fā)器的設(shè)計(jì)

摘要：針對目前網(wǎng)管光纖收發(fā)器網(wǎng)管模式比較單一，且網(wǎng)絡(luò)管理功能不完善，存在穩(wěn)定性較差、價格偏高等問題，提出了一種以LPC2210嵌入式處理器和IP113S光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片為核心，以嵌入式多任務(wù)探作系統(tǒng)μCLinux為操作平臺的新型可網(wǎng)管機(jī)架式光纖收發(fā)器。該系統(tǒng)硬件主要包括光電轉(zhuǎn)換、網(wǎng)管控制和電源等三大部分，而系統(tǒng)軟件支持多種網(wǎng)絡(luò)管理模式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到明顯地提高，管理功能能夠?qū)崟r監(jiān)控系統(tǒng)，適用于電信級業(yè)務(wù)應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：BOA；嵌入式；網(wǎng)絡(luò)管理；光纖收發(fā)器

    隨著信息化建設(shè)的突飛猛進(jìn)，人們對于數(shù)據(jù)、語音、圖像等多媒體通信的需求日益增加，以太網(wǎng)寬帶接入方式被提到重要位置。但是傳統(tǒng)的5類線電纜只能將以太網(wǎng)電信號傳輸100 m，在傳輸距離和覆蓋范圍方面已不能適應(yīng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的需要。與此同時，光纖通信以其信息容量大、保密性好、重量輕、體積小、無中繼、傳輸距離長等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，光纖收發(fā)器是利用了光纖這一高速傳播介質(zhì)很好地解決了以太網(wǎng)在傳輸方面的問題?，F(xiàn)在市場上廣泛應(yīng)用的光纖收發(fā)器其結(jié)構(gòu)一般分成獨(dú)立式和機(jī)架式，支持速率為10／100／1000 Mb／s。電信級業(yè)務(wù)中為了管理和布線方便多采用機(jī)架式光纖收發(fā)器，支持多塊業(yè)務(wù)卡同時工作，但是也存在著很多問題，如需要安裝特定客戶端軟件，不能遠(yuǎn)距離控制等。針對這些問題該系統(tǒng)采用基于Web技術(shù)的B／S模式和基于GUI的C／S模式的液晶顯示，使用通用的瀏覽器登錄系統(tǒng)，無需安裝應(yīng)用軟件，就可以把采集到的數(shù)據(jù)以動態(tài)網(wǎng)頁的形式在瀏覽器上顯示并且在液晶顯示屏上顯示數(shù)據(jù)，做到本地和遠(yuǎn)端都能有效地監(jiān)控。該系統(tǒng)還支持RFP功能，這樣在發(fā)生故障時數(shù)據(jù)包不會沿著已經(jīng)發(fā)生故障的線路繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，造成大量丟包。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式結(jié)構(gòu)，便于網(wǎng)管模塊對各個光電轉(zhuǎn)換模塊統(tǒng)一管理和供電。系統(tǒng)主要可分為光電轉(zhuǎn)換電路、網(wǎng)管控制電路、溫度檢測電路、液晶顯示電路和供電電源電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    光電轉(zhuǎn)換電路主要功能是將適合在電纜中傳輸?shù)碾娦盘栟D(zhuǎn)換成在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?；網(wǎng)管控制電路主要功能是PC機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制光電轉(zhuǎn)換部分，即一個網(wǎng)管模塊控制多個光電轉(zhuǎn)換模塊；液晶顯示電路主要功能是把數(shù)據(jù)實(shí)時在液晶屏上顯示，以便進(jìn)行本地監(jiān)控；供電電源電路主要為所有的光電轉(zhuǎn)換電路和網(wǎng)絡(luò)控制電路提供必要的電源。

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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 光電轉(zhuǎn)換電路
    本方案采用IP113S光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片為核心，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。IP113S是一款單芯片快速以太網(wǎng)媒體轉(zhuǎn)換器，包含3端口10／100 Mb ／s物理層收發(fā)器、3個完整的MAC單元(帶有1個二層交換器)以及緩存的高性能以太網(wǎng)快速交換電路，支持10Base-TX、100Base-TX和100Base-FX，支持10 M／100 M和全雙工／半雙工自適應(yīng)功能，16 KBx32的SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器)緩沖區(qū)，其帶寬可達(dá)1 Gb／s，具有低功耗、功能齊全和易于調(diào)試等特點(diǎn)。光電轉(zhuǎn)換部分所有狀態(tài)信息以及控制工作方式都是通過對IP113S內(nèi)部的128個寄存器的讀寫操作完成的。本方案選用了CPUC／CPUIO方式，把光電轉(zhuǎn)換部分上的IP113S作為從設(shè)備，網(wǎng)管控制部分上的LPC2210作為主設(shè)備，使網(wǎng)管控制部分可以通過CPU接口監(jiān)控光電轉(zhuǎn)換部分。另外可以根據(jù)需要擴(kuò)展多個光電轉(zhuǎn)換部分，與遠(yuǎn)程的上位機(jī)進(jìn)行通信。

2．2 網(wǎng)管控制電路
    網(wǎng)管控制電路部分包括ARM最小系統(tǒng)，以太網(wǎng)接口電路，鍵盤、LCD接口電路和溫度檢測電路，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。采用LPC2210處理器進(jìn)行控制，該處理器是NXP公司16／32位144引腳ARM7TDMI-S微控制器，支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的處理器，資源豐富，應(yīng)用廣泛。復(fù)位電路使用了帶I2C存儲器的監(jiān)控芯片CAT1025JI-30，復(fù)位門檻電壓3．0～3．15 V，提高了系統(tǒng)的可靠性。該處理器片內(nèi)只有16 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，需要擴(kuò)展RAM，本系統(tǒng)擴(kuò)展了8 MB的PSRAM(MT45W4MW16)作為程序的運(yùn)行空間。該控制器沒有片內(nèi)Flash，因此需要外部擴(kuò)展存儲器，本系統(tǒng)所擴(kuò)展的存儲器有2 MB的NOR Flash(SST39VFl60)，用來存儲引導(dǎo)程序，系統(tǒng)啟動時引導(dǎo)內(nèi)核和文件系統(tǒng)。16MB的NAND Flash(K9F2808-UOC)，用來存儲μCLinux內(nèi)核，文件系統(tǒng)和應(yīng)用程序。采用了2．2英寸的TFT6758液晶模塊，其工作電壓為3．3 V，與整個系統(tǒng)的供電相同，便于供電。為了得到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，采用16位總線接口。溫度檢測電路以溫度傳感器LM75為核心，通過I2C接口和LPC2210連接。LM75可測量的溫度為-55～125℃，工作電壓為3．3～5．5 V，可以將溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通過微控制器直接讀取，使用方便。

    在電子裝置中，可靠的電源電路設(shè)計(jì)關(guān)系到整個系統(tǒng)的正常工作，所以為了保證本控制單元可靠工作，在設(shè)計(jì)中采用2組電源冗余工作方式，只要有一路電源能正常工作，整個系統(tǒng)就能正常工作。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3．1 構(gòu)建嵌入式軟件平臺
    本方案采用源代碼開放的μCLinux內(nèi)核作為操作系統(tǒng)。μCLinux是一個GNU的項(xiàng)目，代碼完全開放，是專門應(yīng)用于沒有MMU的CPU。μCLinux內(nèi)核的二進(jìn)制代碼和源代碼都經(jīng)過了重新編寫，以緊縮和裁剪基本的代碼，這就使得μCLinux的內(nèi)核同標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核相比非常之小，但是它仍保持了Linux操作系統(tǒng)的主要的優(yōu)點(diǎn)，如穩(wěn)定性、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和出色的文件系統(tǒng)支持等。μClinux只包含Linux常用的API、小于512 KB的內(nèi)核和相關(guān)的工具，操作系統(tǒng)所有的代碼加起來小于900 KB，而且μCLinux有一個完整的TCP協(xié)議棧，同時對其他許多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都提供支持，這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都在μCLinux上得到了很好的實(shí)現(xiàn)。軟件的開發(fā)環(huán)境是標(biāo)準(zhǔn)的交叉開發(fā)環(huán)境，包括主機(jī)和目標(biāo)機(jī)2部分，主機(jī)為一臺運(yùn)行Redhat Linux9．0的PC機(jī)，目標(biāo)機(jī)為網(wǎng)管控制部分。
3．2 主控程序設(shè)計(jì)
    主控程序?qū)崿F(xiàn)了網(wǎng)管部分對光電轉(zhuǎn)換部分上IP113S寄存器的可讀／寫功能，從而使網(wǎng)管可以實(shí)時監(jiān)控各光電轉(zhuǎn)換部分的工作。本方案把監(jiān)控程序?qū)懭隒GI程序中，更好地實(shí)現(xiàn)其功能。信息采集程序負(fù)責(zé)采集每塊光電卡的狀態(tài)信息，其主要任務(wù)是根據(jù)客戶的命令輪詢機(jī)架上的光電卡，通過光電卡上的光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片IP113S來獲取各寄存器的信息?？刂瞥绦蛑饕δ苁强蛻舭芽刂茢?shù)據(jù)寫入IP113S的寄存器中，從而控制光電卡的一些狀態(tài)，比如用于設(shè)置光電轉(zhuǎn)換部分的工作模式，實(shí)現(xiàn)光纖收發(fā)的遠(yuǎn)程管理，包括：遠(yuǎn)端卡信息查詢、設(shè)置、通路檢測和流量限速等，其監(jiān)控系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

3．3 液晶顯示程序
    當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊取得光纖收發(fā)模塊、機(jī)箱溫度等數(shù)據(jù)時，需要在本地實(shí)時地在液晶顯示屏上顯示，做到實(shí)時監(jiān)控。目前市場上成熟的GUI有很多，但它們均存在一些不足，嵌入式GUI要求小型化、占用資源少、反應(yīng)快捷、可靠性高、成本低，這里在設(shè)計(jì)時GUI系統(tǒng)時充分考慮了這些要求，采用了線程消息機(jī)制。該GUI體系主要采用C／S多線程的體系結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中服務(wù)器線程主要實(shí)現(xiàn)對輸入設(shè)備(鍵盤和觸摸屏)事件的獲取，而客戶端線程主要完成對事件的響應(yīng)，包括輸出設(shè)備的控制。在該微型可配置GUI體系結(jié)構(gòu)中，主要分為輸入抽象層、圖形抽象層、消息相應(yīng)層、圖形設(shè)備接口層、控件層等。該系統(tǒng)具有良好的層次性，并且開放了底層的圖形設(shè)備接口層，使用戶能根據(jù)自己需要簡單自由配置，在控件層定義了統(tǒng)一的控件結(jié)構(gòu)體，使用戶對控件的管理更直觀便捷。

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3．4 Web網(wǎng)絡(luò)管理
3．4．1 BOA服務(wù)器
    本系統(tǒng)采用瘦服務(wù)器-胖客戶端的模式，使用C語言實(shí)現(xiàn)一個簡化的HTTP機(jī)制，設(shè)計(jì)高效精簡的Web服務(wù)器。嵌入式Web服務(wù)器不同于一般的服務(wù)器，考慮到系統(tǒng)的資源有限，因此設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的針對性。本文采用BOA+CGI技術(shù)，通過編寫CGI外部擴(kuò)展程序，實(shí)現(xiàn)Web技術(shù)?？梢詫@?。O(shè)置系統(tǒng)的信息和光電轉(zhuǎn)換部分的狀態(tài)信息發(fā)給客戶端。BOA的執(zhí)行流程圖如圖5所示。

3．4．2 CGI程序設(shè)計(jì)
    CGI(Common Gateway Interface)是外部應(yīng)用擴(kuò)展程序與WWW服務(wù)器交互的一個標(biāo)準(zhǔn)接口，其流程圖如圖6所示。CGI程序通過Web服務(wù)器的調(diào)用實(shí)現(xiàn)與Web瀏覽器的交互，Web服務(wù)器將Web瀏覽器發(fā)送來的信息傳送給CGI程序，由CGI程序進(jìn)行處理，CGI程序在處理完后將響應(yīng)結(jié)果再回送給Web服務(wù)器，然后再由Web服務(wù)器發(fā)送到Web瀏覽器。如果需要調(diào)用其他外部應(yīng)用，如數(shù)據(jù)庫服務(wù)等，均由CGI程序去與外部應(yīng)用進(jìn)行交互。本方案模塊中涉及到的Web頁面通過Deamweaver8來設(shè)計(jì)完成，如：login．htm、relogin．htm、menu．htm等。

4 結(jié)論
    針對目前網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心不能實(shí)時，有效地對光纖收發(fā)器的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題，采用基于32位ARM7處理器的在線檢測系統(tǒng)，經(jīng)軟硬件聯(lián)調(diào)，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期要求，具有界面友好、操作方便、多功能等特點(diǎn)，并充分結(jié)合了B／S模式與C／S模式的優(yōu)點(diǎn)，具有較大的社會價值，比較適用于電信級的應(yīng)用。但是該系統(tǒng)還有很多的不足，需要在功能、效率以及穩(wěn)定性上改進(jìn)，如增加對數(shù)據(jù)庫的支持、多進(jìn)程的支持、實(shí)時性支持等。