基于E1和V.35接口有線網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

付文彬，楊文兵，楊 光，侯云江

（1.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.陸裝駐成都地區(qū)第三軍事代表室，四川 成都 610041）

0 引 言

E1和V.35接口為是黨政機關(guān)、電力系統(tǒng)以及部隊等國有機關(guān)有線數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)中的標準接口，應(yīng)用十分廣泛。

在我國電信傳輸網(wǎng)中，E1接口和V.35接口傳輸線路是多路復(fù)用的一次群傳輸標準。比如，準同步數(shù)字系統(tǒng)（Plesiochronous Digital Hierachy，PDH）和同步數(shù)字系統(tǒng)（Synchronous Digital Hierachy，SDH）都采用E1接口和V.35接口的傳輸標準，屬于電信網(wǎng)中最基本的接入和傳輸線路[1]。

為了保證傳輸?shù)陌踩?，在實際業(yè)務(wù)通信時，傳輸雙方都會采用一定的安全防護設(shè)備，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴榱朔奖泸炞C信道傳輸信號的數(shù)據(jù)正確性和隨機性，本文設(shè)計了一套基于E1和V.35接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并將其串接在安全設(shè)備與信道機之間，在不影響正常業(yè)務(wù)通信的前提下，實時采集信道上的數(shù)據(jù)，配合數(shù)據(jù)采集控制軟件，分析處理信道數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)應(yīng)用及總體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集設(shè)備在應(yīng)用模式上串接于安全防護設(shè)備與信道機之間，能在不影響兩者當前通信狀態(tài)的情況下實現(xiàn)對E1和V.35接口類型安全防護設(shè)備的傳輸數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)用配置圖，如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備主機采用串行接入方式接入有線信道。數(shù)據(jù)采集時，數(shù)據(jù)采集設(shè)備主機與數(shù)據(jù)采集控制中心軟件協(xié)同完成對安全防護設(shè)備的線路數(shù)據(jù)采集。采集控制中心軟件安裝于主控計算機，主要用于數(shù)據(jù)采集文件和工作日志的存儲管理、采集文件內(nèi)特定需求數(shù)據(jù)的提取以及對數(shù)據(jù)采集設(shè)備主機的工作參數(shù)的設(shè)置和操作流程的控制。

采集設(shè)備對外的接口分為信道端接口和防護端接口。信道端接口接收信道機發(fā)送的E1或V.35信號，采集設(shè)備將此信號通過防護端接口發(fā)送至安全防護設(shè)備。防護端接口接收安全設(shè)備發(fā)送的E1或V.35信號，采集設(shè)備將此信號通過信道端接口發(fā)送至信道機，同時采集設(shè)備同步采集此信號并上報到采集軟件。

2 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于DSP+FPGA為主處理單元，完成對E1信號和V.35信號的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由主處理單元、E1接口單元、V.35接口單元和以太網(wǎng)接口單元組成。它的硬件架構(gòu)圖如圖2所示。

信道端信號（E1/V.35）和防護端信號（E1/V.35）通過相應(yīng)的接口電路接入FPG A的管腳。經(jīng)過FPGA的信號轉(zhuǎn)換和處理，信道端的收發(fā)信號接入DSP的MCBSP1，防護端信號收發(fā)信號接入DSP的MCBSP0。以太網(wǎng)接口單元通過EMIF2接入DSP主處理芯片，通過DSP程序處理實現(xiàn)以太網(wǎng)單元的數(shù)據(jù)收發(fā)。主處理單元通過DSP芯片的EMIF1接口連接DSP的程序FLASH芯片，實現(xiàn)DSP程序的加載和存儲，通過EMIF0連接SDRAM擴展處理器的緩存運算能力。

2.1 主處理單元

主處理器單元是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的核心部分，擔負著對信道線路傳輸數(shù)據(jù)的交換、采集和上報，還能對數(shù)據(jù)采集設(shè)備與數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制軟件之間的通信協(xié)議進行解析封裝，以及對整個設(shè)備的工作流程實施管控、對工作參數(shù)進行配置管理。

主處理單元主要選用TI公司的TMS320C6000系列高性能數(shù)字信號處理器（Ditigal Sigal Processor，DSP）芯片和XILINX公司的FPGA芯片組合構(gòu)建而成。該組合設(shè)計能較好地滿足整體的技術(shù)指標要求，并具備較強的升級擴展性。

DSP的EMIF3總線、MCBSP接口、DSP外部中斷接口（DSP_INTS）都接入FPGA管腳，如圖3所示。其中，EMIF3包括地址和數(shù)據(jù)總線、通用FPGA的總線控制和地址譯碼，完成對系統(tǒng)的控制處理。MCBSP接口通過FPGA波形的轉(zhuǎn)換接入信道端和防護端的同步數(shù)據(jù)口。

2.1.1 TMS320VC6713高速數(shù)字信號處理器

TMS320VC6713 DSP是TI公司C6000系列DSP芯片，具有高性能、低價位以及低功耗等特點。它是32位高速浮點型DSP[2]，時鐘最高頻率為300 MHz，具有如下特點。

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用超長指令字（Very Long Instruction Word，VLIW）結(jié)構(gòu)，多個功能單元并行工作，所有功能單元共享共用的大型寄存器。

（2）L1/L2存儲器結(jié)構(gòu)之間映射4 kB L1P程序緩存、4 kB L1D數(shù)據(jù)緩存和256 kB L2內(nèi)存。

（3）16個獨立通道的增強型直接存儲器訪問控制器（Enhanced Direct Memory Access，EDMA）。

（4）32 bit的外部存儲器接口（External Memory Interface，EMIF），可實現(xiàn)與異步存儲器的無縫連接，可尋址512 MB外部存儲空間。

（5）2個多通道緩存串口（McBSP）。

2.1.2 XC3S1200E邏輯器件

XC3S1200E為Xilinx公司Spartan 3E系列芯片，擁有豐富的資源，包含120萬個邏輯門、136 kB的分布式RAM、504 kB的塊RAM、28個乘法器、8個DCM以及304用戶IO口，最大工作頻率為300 MHz。

2.2 E1接口單元

E1接口單元是實現(xiàn)串行E1信號接入方式的重要基礎(chǔ)，能配接E1接口的安全防護設(shè)備。E1數(shù)字傳輸系統(tǒng)采用碼型為HDB3雙極性歸零碼型。該碼型直流分量少，自帶位同步信息，且編碼規(guī)則能夠有效降低傳輸數(shù)據(jù)中出現(xiàn)連續(xù)“0”的情況對時鐘恢復(fù)的影響。E1接口單元設(shè)計選用調(diào)制解調(diào)芯片DS21348TN和變壓器組合而成。該芯片是DALLAS公司生產(chǎn)的E1接口驅(qū)動芯片，符合G.703標準規(guī)范，支持HDB3/AMI編碼。輸入輸出阻抗具有75 Ω和120 Ω兩種模式[3]。

在本文設(shè)計中，E1接口單元分為E1接口保護電路、DS21348芯片及其外圍電路。圖4為E1接口芯片保護電路，通過變壓器、二極管和電阻的處理網(wǎng)絡(luò)完成對E1信號的整形和保護，從而減少過壓和過流干擾[4]。

圖5為E1接口芯片DS21348對外連接示意圖。

設(shè)置DS21348芯片的ETS管腳為高，使其工作在E1工作模式。設(shè)置BS0/BS1均為高，選擇芯片工作在串行工作模式。信道端或防護端的E1信號通過接口芯片的接口匹配、波形轉(zhuǎn)換等處理后，以串行數(shù)據(jù)和時鐘接入FPGA。

2.3 V.35接口單元

V.35接口單元實現(xiàn)信道端和防護端串行V.35信號接入，能配接V.35接口的安全防護設(shè)備。V.35接口單元設(shè)計選用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3094EESE和MAX3032EESE組合而成。V.35接口單元連接，如圖6所示。

其中，MAX3094和MAX3032芯片支持V.35、V.28和V.11等通信協(xié)議，完成V.35接口收發(fā)數(shù)據(jù)，并將時鐘的差分信號轉(zhuǎn)換為CMOS電平信號，從而接入FPGA。

2.4 以太網(wǎng)接口單元

以太網(wǎng)接口單元用于上層控制軟件和DSP控制芯片之間的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包交互。本設(shè)計中選用SMSC公司的LAN9215作為以太網(wǎng)交互芯片。LAN9215是功能全面的嵌入式16位單芯片10/100M以太網(wǎng)控制器，內(nèi)部集成了MAC和PHY控制器，全面支持IEEE 802.3標準，并可通過MII接口實現(xiàn)與外部PHY的連接，具有并行16路IO數(shù)據(jù)傳輸接口，在本設(shè)計中與DSP的EMIF總線連接。內(nèi)置的PHY可配置為100BASE-TX或10BASE-T以太網(wǎng)模式。根據(jù)需要選擇全雙工或者半雙工運行。圖7為LAN9215的接口電路[5]。

PHY芯片LAN9215右側(cè)為內(nèi)部集成變壓器的RJ45插座。LAN9215的地址總線A1～A7、數(shù)據(jù)總線D0～D15與主處理單元的DSP的EMIF2總線的地址和數(shù)據(jù)總線連接。主處理單元通過EMIF總線讀寫寄存器的數(shù)據(jù)，LAN9215的讀（READ）、寫（WRITE）、片選（CS）、復(fù)位（RESET）信號均連接至主控單元的DSP和FPGA中。引腳79～87連接RJ45插座，實現(xiàn)內(nèi)部PHY與主控計算機的通信。XTAL1為芯片的時鐘接口，采用25 MHz的有源晶振。其他設(shè)置均參考LAN9215的數(shù)據(jù)手冊進行設(shè)置。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件體系架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的軟件包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制軟件（安裝運行于Windows操作系統(tǒng)），還包括運行于數(shù)據(jù)采集設(shè)備內(nèi)的底層軟件（加載運行于TMS320C6000芯片內(nèi)）。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制軟件作為系統(tǒng)的核心控制軟件，主要用于對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工作參數(shù)配置、采集流程控制、采集數(shù)據(jù)存儲管理、用戶操作日志管理查詢和人機交互處理等功能需求。數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制軟件采用以太網(wǎng)服務(wù)器端工作模式。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備底層軟件主要包括采集對象工作接口適配、數(shù)據(jù)收發(fā)、以太網(wǎng)通信以及工作參數(shù)配置等功能。數(shù)據(jù)采集設(shè)備上電后，由TMS320C6000芯片完成數(shù)據(jù)采集設(shè)備底層軟件的加載和運行。

3.2 軟件設(shè)計組成

3.2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制軟件

數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制軟件采用模塊化分層的框架體系。各層階間耦合性較小，便于獨立開發(fā)和驗證測試。采集控制中心軟件基于C++Builder平臺進行開發(fā)設(shè)計，按功能劃分為設(shè)備管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及進制轉(zhuǎn)換模塊等。具體的模塊劃分如圖8所示。

（1）設(shè)備管理模塊

設(shè)備管理模塊包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備在線搜索、工作參數(shù)配置以及采集任務(wù)控制等操作。在線搜索是通過搜索命令對接入網(wǎng)絡(luò)并與數(shù)據(jù)采集設(shè)備控制軟件處于同一網(wǎng)段的數(shù)據(jù)采集設(shè)備實施搜尋。搜索結(jié)果在管理列表中顯示，如圖9所示。工作參數(shù)配置是對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的MAC地址、IP地址、工作端口等參數(shù)進行設(shè)置，如圖10所示。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊

按照用戶的線路數(shù)據(jù)采集要求，下發(fā)數(shù)據(jù)采集命令，通知數(shù)據(jù)采集設(shè)備啟動采集操作，并在過程中實時接收已采集數(shù)據(jù)，如圖11所示。

（3）狀態(tài)監(jiān)控模塊

狀態(tài)監(jiān)控模塊能夠?qū)υ诰W(wǎng)運行的數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作狀態(tài)進行自檢控制和工作狀態(tài)顯示。

（4）網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)通信模塊能夠通過以太網(wǎng)口與數(shù)據(jù)采集設(shè)備建立通信鏈接。

（5）進制轉(zhuǎn)換模塊

進制轉(zhuǎn)換模塊對采集數(shù)據(jù)進行二進制和十六進制轉(zhuǎn)換。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備底層軟件

數(shù)據(jù)采集設(shè)備底層軟件在設(shè)計上采用模塊化分層式架構(gòu)，任務(wù)層與驅(qū)動層階間采用消息傳遞機制實現(xiàn)功能模塊管理和控制。數(shù)據(jù)采集設(shè)備底層軟件按功能特性分解為硬件接口驅(qū)動層和任務(wù)管理層。硬件接口驅(qū)動層主要完成與硬件相關(guān)的以太網(wǎng)接口驅(qū)動、V.35接口驅(qū)動以及E1接口驅(qū)動等功能；任務(wù)管理層主要包括命令解析、操作控制、同步頭判別和硬件參數(shù)設(shè)置管理等功能。具體說明如圖12所示。

（1）任務(wù)層

任務(wù)層作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備的核心控制部分，通過消息層與驅(qū)動層完成數(shù)據(jù)交互。其中，每個任務(wù)程序?qū)澐值牟煌δ懿僮髅钸M行識別和管控，并能對當前工作參數(shù)或設(shè)備信息進行存儲查詢。采集系統(tǒng)的任務(wù)列表，如表1所示。

表1 采集系統(tǒng)任務(wù)

參數(shù)配置任務(wù)主要是完成以太網(wǎng)參數(shù)配置和設(shè)備數(shù)據(jù)采集接口類型選擇；以太網(wǎng)協(xié)議棧任務(wù)用于對以太網(wǎng)多層協(xié)議進行解析和封裝；命令解析任務(wù)能對控制軟件下發(fā)的控制命令實施解析判別；信道端/防護端收發(fā)任務(wù)是根據(jù)命令解析任務(wù)提取的命令，控制驅(qū)動層各驅(qū)動軟件的工作設(shè)置和流程控制。任務(wù)類型包括單次任務(wù)（OnceTask）和消息任務(wù)（MsgTask）。

以參數(shù)配置任務(wù)為例子，創(chuàng)建任務(wù)如下：

LevFactSet_DriTskID=OS_TskCreate(OnceTask,ts kLow,LevFactSet_Monitor,LevFactSet_Init);

程序設(shè)計時，創(chuàng)建參數(shù)配置任務(wù)，并執(zhí)行相應(yīng)的初始化函數(shù)（LevFactSet_Init）。

（2）消息層

消息層包括任務(wù)消息隊列管理和硬件驅(qū)動消息隊列管理。任務(wù)消息隊列管理是對驅(qū)動層獲取的數(shù)據(jù)信息進行封裝建鏈，并指向任務(wù)層內(nèi)的相關(guān)任務(wù)處理。硬件驅(qū)動消息隊列管理是將任務(wù)處理數(shù)據(jù)進行封裝建鏈，并交指定的硬件驅(qū)動程序執(zhí)行。消息層程序設(shè)計利用如表2所示的函數(shù)完成。

表2 消息層管理函數(shù)

（3）驅(qū)動層

驅(qū)動層作為與硬件直接實施數(shù)據(jù)交互通道，分別以各自獨立的驅(qū)動程序?qū)ο嚓P(guān)硬件接口進行參數(shù)設(shè)置、中斷操作和數(shù)據(jù)傳輸，以及向任務(wù)層上報數(shù)據(jù)和接收任務(wù)層數(shù)據(jù)輸出。

在本設(shè)計中，包括以太網(wǎng)驅(qū)動接口驅(qū)動、信道端驅(qū)動和防護端驅(qū)動。由采集設(shè)備需要對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行實時采集，且不影響信號的正常傳輸。對DSP的快速處理有一定的要求，本設(shè)計利用DSP的EDMA資源與相關(guān)的硬件接口（EMIF、MCBSP0、MCBSP1）進行控制管理。在硬件接口收發(fā)的數(shù)據(jù)直接進行EDMA的數(shù)據(jù)緩存區(qū)進行通信，無需DSP程序進行處理，其中以太網(wǎng)驅(qū)動函數(shù)如表3所示。

表3 以太網(wǎng)驅(qū)動函數(shù)

信道端和防護端列驅(qū)動函數(shù)，如表4所示。

表4 信道端和防護端驅(qū)動函數(shù)

可見，底層軟件設(shè)計細節(jié)，主程序完成硬件資源和變量的配置，并創(chuàng)建相應(yīng)的任務(wù)，利用任務(wù)管理和監(jiān)控，接收上層軟件的采集或設(shè)置命令，驅(qū)動使能相應(yīng)的需求任務(wù)，從而完成采集或配置任務(wù)。主程序啟動流程如圖13所示。

4 測試驗證

搭建如圖14所示的測試環(huán)境，驗證數(shù)據(jù)采集設(shè)備的功能正確性。

利用誤碼測試儀產(chǎn)生標準的、不同數(shù)據(jù)類型的E1信號和V.35信號。操作數(shù)據(jù)采集中心控制軟件進行數(shù)據(jù)采集。觀察誤碼測試儀統(tǒng)計的誤碼數(shù)量是否為零，如圖15所示。

檢查采集結(jié)果是否和誤碼測試產(chǎn)生的碼型一致，采集測試結(jié)果見表5。

表5 功能測試結(jié)果

針對誤碼測試儀產(chǎn)生兩種接口的標準數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集，誤碼率均為0表明采集設(shè)備未影響信道中信號的傳輸。采集結(jié)果的內(nèi)容判別特別是63碼型和511碼型的循環(huán)碼判斷，表明采集結(jié)果具有正確性。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于DSP和FPGA平臺的E1/V.35接口的有線網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并介紹了各功能單元的作用和部分軟硬件設(shè)計。依托系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計完成有線網(wǎng)中E1/V.35信號的采集、處理和傳輸，同時不影響有線網(wǎng)業(yè)務(wù)的正常進行。通過測試驗證，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)達到了所需的功能性能要求。系統(tǒng)具有處理能力強、應(yīng)用方式靈活和可靠性高等優(yōu)點，在工程應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用價值。目前，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某型號安全設(shè)備的安全測評中，并取得了良好的應(yīng)用效果。