熊正良,徐東明

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710061)

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同步數(shù)字體系網(wǎng)管信息提取與插入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

熊正良,徐東明

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710061)

現(xiàn)有的不同廠家的同步數(shù)字體系(synchronous digital hierarchy，SDH)設(shè)備網(wǎng)管信息不能實(shí)現(xiàn)互通，為了解決這一問(wèn)題，提出了一種SDH網(wǎng)管信息提取和插入系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，主要包括網(wǎng)管信息的提取和插入、HDLC數(shù)據(jù)的封裝和拆封、利用主控制器和USB模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管信息的高速上傳并在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示和保存功能；最后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)能分析不同的SDH設(shè)備網(wǎng)管信息，為網(wǎng)管信息互通提供了基礎(chǔ)信息。

SDH設(shè)備；網(wǎng)管信息；提取和插入系統(tǒng)；USB模塊

0 引言

隨著光電信息技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)急劇上漲，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)持續(xù)改進(jìn)，SDH網(wǎng)絡(luò)因其高速率大容量的標(biāo)準(zhǔn)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，良好的設(shè)備兼容性，強(qiáng)大的自愈能力和豐富的開(kāi)銷安排以及靈活的組網(wǎng)方式等優(yōu)越性，成為最常用的組網(wǎng)方案[1]。SDH網(wǎng)中嵌入的數(shù)據(jù)通信通道(data communication channels，DCC)傳送的幀同步和對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行維護(hù)性能監(jiān)視以及其他操作的管理控制信息，是構(gòu)成網(wǎng)元之間進(jìn)行交互的通信基礎(chǔ)。但傳統(tǒng)的DCC通道數(shù)據(jù)協(xié)議由設(shè)備生產(chǎn)商制定，不同的SDH設(shè)備網(wǎng)管信息不能互通，為不同SDH設(shè)備組建的光網(wǎng)絡(luò)交互造成不便。本文提出了一種SDH網(wǎng)管信息提取與插入系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)能夠提取不同光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備DCC通道傳輸?shù)木W(wǎng)管信息，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速上傳和存儲(chǔ)，為網(wǎng)管信息的互通提供了基礎(chǔ)信息。

1 設(shè)計(jì)概要

SDH傳輸網(wǎng)為了能夠?qū)崿F(xiàn)支路信號(hào)同步數(shù)字復(fù)用和交叉連接，形成支路信號(hào)在幀內(nèi)的均勻的、有規(guī)律的分布，以便于接入和取出，采用了一種以字節(jié)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的矩形塊狀幀結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。它由270xN列和9行8比特字節(jié)組成，其再生段開(kāi)銷(RSOH)和復(fù)用段開(kāi)銷(MSOH)以及管理單元指針(AU PTR)占用了前9xN列[2]。DCC 被分配在SDH 段開(kāi)銷字節(jié)中的D1～D12字節(jié)上，構(gòu)成SDH管理網(wǎng)(SMN)的傳送鏈路， 用來(lái)保存在網(wǎng)元間傳送的操作、管理和維護(hù)數(shù)據(jù)。其中 D1～D3 在RSOH 中，速率為 3×64 kb/s=192 kb/s，D4～D12 在MSOH 中，速率為 9×64 kb/s=576 kb/s。上述總共768 Kbit/s的數(shù)據(jù)通路為SDH網(wǎng)的管理和控制提供了強(qiáng)大的通信基礎(chǔ)[3]。

圖1 STM-N幀結(jié)構(gòu)

圖2為本系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)境，其中網(wǎng)元A1～A4組成的環(huán)網(wǎng)A和網(wǎng)元B1～B4組成的環(huán)網(wǎng)B使用不同SDH設(shè)備。在各自環(huán)網(wǎng)內(nèi)，網(wǎng)元之間通過(guò)DCC鏈路進(jìn)行網(wǎng)管信息的交互，每個(gè)網(wǎng)元更新存儲(chǔ)著網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀況。若環(huán)網(wǎng)A和環(huán)網(wǎng)B之間不接入適配系統(tǒng)而是直接用光纖相連，由于DCC協(xié)議的私有性[1]，A、B環(huán)網(wǎng)之間將不能進(jìn)行網(wǎng)管互通，不能實(shí)現(xiàn)有效通信。在接入適配系統(tǒng)和PC端后，為實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)之間的互通，適配系統(tǒng)首先提取線路上網(wǎng)元A4和網(wǎng)元B2發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中D1-D12字節(jié)信息，在知道各自DCC協(xié)議的情況下，人為解析并交叉上傳發(fā)送的網(wǎng)管信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管信息的透?jìng)?，達(dá)到不同SDH網(wǎng)絡(luò)互通的目的。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

一方面，由于適配系統(tǒng)對(duì)于光纖線路是透明傳輸?shù)?，要求在不改?dòng)相關(guān)SDH設(shè)備軟硬件配置地同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)的光傳輸網(wǎng)絡(luò)要有較好的兼容性，對(duì)所傳送的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能夠在進(jìn)行系統(tǒng)處理后正常傳輸；另一方面，DCC通道最高傳輸速率可達(dá)到768 Kbit/s而使用RSR232串行通訊接口，最高傳輸速率為230 400 bit/s，在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)上位機(jī)接收不及時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)或丟失現(xiàn)象，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用傳輸速率較高的USB接口來(lái)實(shí)現(xiàn)主控制器和上位機(jī)之間網(wǎng)管信息交互。

根據(jù)以上需求，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)模塊：SDH光口模塊、DCC提取插入模塊、USB通信接口模塊。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，其中：

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

1)光接口模塊完成信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，即發(fā)送端把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖傳送至遠(yuǎn)端，接收端將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再進(jìn)行相應(yīng)處理[4]；2)DCC提取插入模塊選用Xilinx公司的FPGA芯片,主要實(shí)現(xiàn)STM-1數(shù)據(jù)幀中D1-D12字節(jié)的提取與插入、HDLC數(shù)據(jù)的封裝和拆封等功能；3)USB接口模塊使用沁恒公司CH375芯片主要完成MCU和上位機(jī)的高速通信；4)電源模塊和時(shí)鐘模塊的作用是為系統(tǒng)電路提供各種所需的電壓和時(shí)鐘頻率。

DCC適配系統(tǒng)的工作原理是：插入發(fā)送時(shí)，將串行比特流封裝成HDLC幀，添加加16位CRC檢驗(yàn)，插入到SDH幀段開(kāi)銷中的D1-D12字節(jié)中[5]，通過(guò)光纖傳送至對(duì)端。接收提取時(shí)，提取SDH幀數(shù)據(jù)中的D1-D12字節(jié)數(shù)據(jù)，對(duì)HDLC網(wǎng)管信息解封裝后進(jìn)行CRC判別去校驗(yàn)位，將有效數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 DCC插入和提取模塊

由于系統(tǒng)中使用的SDH處理芯片只能處理2路STM-1幀數(shù)據(jù)，所以傳送接收的數(shù)據(jù)都為STM-1幀。DCC提取電路框圖如圖4所示。進(jìn)過(guò)光電轉(zhuǎn)化后并行輸入的STM-1信號(hào)，首先通過(guò)幀定位信息和同步時(shí)鐘完成幀同步，時(shí)鐘發(fā)生器1產(chǎn)生開(kāi)銷提取所需的時(shí)鐘頻率和解復(fù)用等時(shí)鐘信號(hào)，然后把D1-D12字節(jié)從數(shù)據(jù)幀段開(kāi)銷中相應(yīng)字節(jié)中提取出來(lái)，最后在時(shí)鐘發(fā)生器2產(chǎn)生的低速時(shí)鐘信號(hào)下將DCC字節(jié)信息輸出[6]。DCC插入模塊流程與提取過(guò)程相反，將在DCC協(xié)議下定義的網(wǎng)管信息串行輸入，通過(guò)幀定位信息和同步時(shí)鐘完成幀同步，然后在產(chǎn)生的相應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)下將網(wǎng)管信息插入到幀的相應(yīng)字節(jié)位置，復(fù)用器和擾碼器完成數(shù)據(jù)幀交叉復(fù)用和編碼處理，最后在產(chǎn)生的高速發(fā)送時(shí)鐘下將數(shù)據(jù)幀并行傳送。

圖4 DCC提取實(shí)現(xiàn)框圖

2.2.2 HDLC控制處理

為了保證網(wǎng)管信息傳送的安全可靠性，在將其射到STM-1幀中傳輸前，先要經(jīng)過(guò)HDLC封裝，然后通過(guò)DCC通道傳輸，而接收端則對(duì)提取的D1-D12字節(jié)信息進(jìn)行HDLC解封裝處理，獲取有效數(shù)據(jù)。

在HDLC控制模塊中,為了提高傳輸速率，在HDLC發(fā)送端添加兩個(gè)8 bitx1 024的SxFIFO緩存。發(fā)送HDLC幀數(shù)據(jù)時(shí)，兩個(gè)緩存可進(jìn)行頁(yè)式切換發(fā)送，提高傳輸效率。在HDLC接收端，設(shè)置一個(gè)9 bitx2 048的RxFIFO緩存，其位寬由前8個(gè)數(shù)據(jù)位和最后1個(gè)狀態(tài)位構(gòu)成，當(dāng)狀態(tài)位為1，表示前8個(gè)數(shù)據(jù)為HDLC幀的最后一個(gè)字節(jié),否則狀態(tài)位為0。插入發(fā)送時(shí)，HDLC發(fā)送模塊首先從SxFIFO取出待插入信息，經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后，將串行數(shù)據(jù)送入CRC校驗(yàn)?zāi)K生成16位的HDLC 幀檢驗(yàn)碼。當(dāng)發(fā)送的串行碼流中出現(xiàn)5個(gè)連續(xù)1時(shí)，則在最后一個(gè)1后插入一個(gè)0，當(dāng)所有數(shù)據(jù)發(fā)送完后，將CRC檢驗(yàn)碼添加到幀的最后進(jìn)行傳送。接收提取時(shí)，在同步時(shí)鐘下HDLC接收模塊對(duì)接收到的D1-D12字節(jié)碼流進(jìn)行幀同步識(shí)別，當(dāng)收到串行碼流為0x7e時(shí)，為通道填充或者幀同步字節(jié)，丟棄收到的數(shù)據(jù)；當(dāng)串行接收到字節(jié)不為0x7e時(shí)，表示接收到HDLC幀的第一個(gè)字節(jié)[7]，對(duì)后續(xù)接收數(shù)據(jù)做去0處理并輸入到CRC校驗(yàn)?zāi)K中。將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后存入RxFIFO中并添加標(biāo)志位直至出現(xiàn)結(jié)束標(biāo)志位0x7e后，將接收到最后2個(gè)有效字節(jié)數(shù)據(jù)丟棄，并在倒數(shù)第3個(gè)字節(jié)存入RxFIFO后添加幀結(jié)束標(biāo)志位。如果CRC檢驗(yàn)出錯(cuò)，則丟棄數(shù)據(jù)并發(fā)送報(bào)錯(cuò)報(bào)告。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)軟件分為三部分：USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，MCU主控制程序和上位機(jī)應(yīng)用程序[8]。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序和硬件接口之間的透明傳輸?shù)能浖M件，由芯片生產(chǎn)商提供，在沁恒電子有限公司官網(wǎng)可直接下載設(shè)備方式下的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)CH375WD.INF和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)：CH375.DLL。MCU主控制程序?yàn)槭褂肅51語(yǔ)言，在KEIL C51編輯器與其集成的開(kāi)發(fā)工具編寫和構(gòu)建，最終燒錄進(jìn)MCU的可執(zhí)行代碼，主要完成與FPGA的通信協(xié)議配置和CH375芯片的通訊功能控制，其中USB通信部分是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)。上位機(jī)程序采用C語(yǔ)言在VC++ 6編輯環(huán)境中編程實(shí)現(xiàn)，由CH375動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL和應(yīng)用主程序構(gòu)成。

3.2 USB固件程序設(shè)計(jì)

USB固件程序主要是通過(guò)對(duì)各個(gè)功能寄存器操作完成CH375 芯片的通訊配置，響應(yīng)并處理USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的通信請(qǐng)求，包含初始化模塊和通信控制模塊兩個(gè)部分[9]。USB上傳數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

圖5 USB上傳數(shù)據(jù)流程圖

硬件上電初始化過(guò)程中，MCU首先檢查CH375是否正常即向CH375發(fā)送測(cè)試工作狀態(tài)命令，如果不正常，MCU每間隔5 ms向CH375發(fā)送一次硬件復(fù)位指令。若正常，MCU向CH375芯片15 H寄存器中寫入02 H使其工作在內(nèi)置固件模式下。USB數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，由于通信只能由USB主機(jī)發(fā)起，MCU檢測(cè)是否有HDLC網(wǎng)管數(shù)據(jù)上傳。如果有則將數(shù)據(jù)以8個(gè)字節(jié)為一組發(fā)送至CH375緩存中，同時(shí)上位機(jī)程序調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)函數(shù)在線程中讀取CH375中緩存數(shù)據(jù)；當(dāng)PC應(yīng)用程序機(jī)取走數(shù)據(jù)后，CH375向MCU發(fā)送請(qǐng)求中斷，為了防止數(shù)據(jù)覆蓋或溢出，CH375鎖定當(dāng)前USB緩沖區(qū)；MCU等待中斷觸發(fā)后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行 GET_STATUS 命令獲取中斷狀態(tài)，在并 GET_STA TUS 命令完成后取消中斷請(qǐng)求，然后按照獲取的中斷狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)操作。若中斷狀態(tài)為“上傳成功”，則通過(guò)寫23 H寄存器清空緩存，并繼續(xù)檢測(cè)MCU是否還有數(shù)據(jù)發(fā)送，最后退出中斷服務(wù)程序。

3.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序主要功能包括對(duì)USB設(shè)備的檢測(cè)和簡(jiǎn)單控制、網(wǎng)管信息實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)以及提供良好的人機(jī)交互界面。

上位機(jī)程序主要由動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和應(yīng)用主程序兩部分組成，其中動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)與內(nèi)核態(tài)USB驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行信息交互，提供了CH375芯片與PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用層接口API，包括對(duì)USB設(shè)備的信息管理，數(shù)據(jù)傳輸控制以及中斷處理。應(yīng)用主程序則主要實(shí)現(xiàn)接口函數(shù)的調(diào)用和實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互界面。上位機(jī)設(shè)計(jì)中加載CH375驅(qū)動(dòng)程序后可直接調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)中相應(yīng)的功能函數(shù)，此時(shí)對(duì)應(yīng)用程序而言，USB設(shè)備被當(dāng)做文件一樣來(lái)操作，避免了USB協(xié)議的再開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，大大提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。上位機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 上位機(jī)設(shè)計(jì)流程

PC端首先下載CH375的Windows驅(qū)動(dòng)程序和DLL動(dòng)態(tài)庫(kù)的安裝包，當(dāng)設(shè)備第一次接入計(jì)算機(jī)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)提示加載驅(qū)動(dòng)即可。在上位機(jī)程序設(shè)計(jì)中，CH372DLL.DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)需要手工添加到建立的MFC工程指定路徑下。完成上位機(jī)用戶界面繪制編程后，使用編輯器提供的ClassWizard類向?qū)橄鄳?yīng)控件設(shè)置映射函數(shù)和添加控制變量[10]。程序初始化函數(shù)過(guò)程中，首先檢測(cè)是否有CH375設(shè)備插入并填充設(shè)備序列號(hào)，并調(diào)用CH375SetDeviceNotify()函數(shù)啟動(dòng)指定序號(hào)設(shè)備插拔監(jiān)視；若檢測(cè)到指定設(shè)備，則自動(dòng)調(diào)用OnOpenCH375Device()函數(shù)打開(kāi)設(shè)備，獲取并顯示設(shè)備信息，最后創(chuàng)建數(shù)據(jù)保存文檔。通過(guò)函數(shù)OnButton2Up()創(chuàng)建端點(diǎn)2上傳句柄并建立數(shù)據(jù)上傳線程，在線程函數(shù)mThreadUp2(LPVOID pParam)中調(diào)用CH375ReadData()實(shí)現(xiàn)光口傳輸?shù)木W(wǎng)管信息的讀取，最后通過(guò)特定標(biāo)志位進(jìn)行效數(shù)據(jù)的提取、分屏顯示和實(shí)時(shí)保存。

4 測(cè)試驗(yàn)證

在系統(tǒng)軟硬件調(diào)試成功后，搭建如圖7所示的回環(huán)和對(duì)通實(shí)測(cè)試環(huán)境。系統(tǒng)中主控制器STC11L60XE外接輸入11.0592 MHZ頻率時(shí)鐘，此時(shí)USB模塊上傳和下傳速度均能達(dá)到1 MBps左右，滿足實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)管信息的速度需求，同時(shí)具有較高準(zhǔn)確。

為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室板的性能，將系統(tǒng)板送入某研究所進(jìn)行了實(shí)際環(huán)境下的測(cè)試。相比單一數(shù)據(jù)、線路簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，實(shí)際環(huán)境下，獲取的數(shù)據(jù)雖然會(huì)出現(xiàn)少量丟包或者出錯(cuò)的情況，但在都在誤差允許范圍內(nèi)，解析數(shù)據(jù)需要的關(guān)鍵信息都能正常接收顯示保存，為不同SDH設(shè)備互通提供重要基礎(chǔ)信息。上位機(jī)獲取數(shù)據(jù)信息如圖8所示。

圖7 回環(huán)對(duì)通測(cè)試環(huán)境

圖8 上位機(jī)界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的SDH網(wǎng)管信息提取和插入系統(tǒng)，能夠透?jìng)鞴饴沸畔⒉⑻岢龌虿迦刖W(wǎng)管信息，在一定程度上可以緩解不同SDH設(shè)備不能互通的問(wèn)題。測(cè)試結(jié)果也表明，系統(tǒng)性能可靠，應(yīng)用簡(jiǎn)單，能夠?yàn)椴煌琒DH設(shè)備互通提供技術(shù)支持和信息基礎(chǔ)，具有良好的通用性和實(shí)用性。

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Software and Hardware Design of Extraction and Insertion System of SDH Network Management Information

Xiong Zhengliang, Xu Dongming

(School of Communication and Information Engineering, Xi′an University of Posts and Telecommunications, Xi′an 701061, China)

In order to solve the different optical network transmission equipment cannot achieve network communication problems,the method of software and hardware design of Synchronous Digital Hierarchy management information extraction and insertion system is proposed. Mainly including the extraction and insertion of network management information, packing and unpacking of HDLC data and using the master controller and the USB module for network management information transmission to achieve high speed upload and real-time display and save in the host computer. Finally the system is tested to verify, the results show that the system can analyze different Optical Network equipment network management information and provides the basis for network management information exchange.

SDH equipment；Network management information；system of extraction and insertion；USB module

2015-12-23；

2016-01-14。

熊正良(1989-)，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從事專用集成電路方向的研究。

徐東明(1963-)，男，湖北武漢人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事通信專用集成電路方向的研究。

1671-4598(2016)06-0223-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.061

TN919.5

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