薛成名，黃麗艷，陳文

（武漢光迅科技有限公司，湖北 武漢 430205）

隨著大數(shù)據(jù)、短視頻、視頻通話業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，通信容量暴增?；诓ǚ謴?fù)用傳輸系統(tǒng)技術(shù)的不斷升級(jí)，光傳輸系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜。在傳輸過(guò)程中，光纖的損耗、色散、非線性效應(yīng)以及光器件的噪聲、碼間串?dāng)_等因素的累加，使得光通道的傳輸性能下降，進(jìn)而導(dǎo)致光信號(hào)劣化和誤碼增多，造成網(wǎng)絡(luò)故障[1-3]。為保證高速率多通道光傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需在傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵位置對(duì)各個(gè)信道的信號(hào)波長(zhǎng)、功率、光信噪比進(jìn)行監(jiān)測(cè)。若使用光譜儀對(duì)各信道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以很輕松完成，但是不適用于集成的通信系統(tǒng)中。集成的系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)不僅要實(shí)現(xiàn)信道參數(shù)監(jiān)測(cè)，還要實(shí)現(xiàn)根據(jù)信道設(shè)置的目標(biāo)參數(shù)調(diào)整信道參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)相近[4]。而文中設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于光傳輸系統(tǒng)中EDFA、OADM 等關(guān)鍵設(shè)備節(jié)點(diǎn)處，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)這些設(shè)備輸出的信道參數(shù)，并反饋給傳輸系統(tǒng)，傳輸系統(tǒng)會(huì)根據(jù)反饋的參數(shù)聯(lián)動(dòng)其他設(shè)備模塊實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)信道參數(shù)為最優(yōu)狀態(tài)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

光監(jiān)測(cè)模塊OPM、STM32F103VET6 單片機(jī)和S3C2440 核芯片等外圍電路共同組成了控制系統(tǒng)、主控管理系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要完成各個(gè)設(shè)備模塊和外圍電路的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模塊初始化、OPM 信道間隔和信道數(shù)的設(shè)置及模塊光功率采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；主控管理系統(tǒng)主要完成設(shè)備模塊信息的讀取、系統(tǒng)參數(shù)的管理和下達(dá)設(shè)置命令給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)響應(yīng)主控管理系統(tǒng)下達(dá)的命令配置；上位機(jī)系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)口或串口接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái)，用于監(jiān)測(cè)人員對(duì)傳輸系統(tǒng)信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[5-6]。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控信道間隔、信道數(shù)及工作模式的配置，并對(duì)掃描的信道進(jìn)行無(wú)光閾值，報(bào)警閾值等設(shè)計(jì)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常會(huì)上報(bào)給主控管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)系統(tǒng)顯示[7-8]?？刂葡到y(tǒng)主要由單片機(jī)、OPM、光開(kāi)關(guān)、供電單元等組成。文中選取的OPM 模塊采用靈活柵格，支持自定義通道間隔且可用于C 波段、L 波段、C+L 波段。采集信道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)小于1 ms，其測(cè)量數(shù)據(jù)用于光傳輸系統(tǒng)遠(yuǎn)程增益的均衡，其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)50 dB，支持網(wǎng)絡(luò)配置和傳輸協(xié)議及物理層監(jiān)控。其光學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模塊性能參數(shù)

OPM 主要將獲取的光信號(hào)通過(guò)內(nèi)部光學(xué)原理將不同頻率的波長(zhǎng)分離開(kāi)來(lái)，波長(zhǎng)分離后分時(shí)對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的光進(jìn)行探測(cè)，然后對(duì)波長(zhǎng)頻率依次進(jìn)行信號(hào)快速采集后送入信號(hào)處理器，信號(hào)處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)卷積計(jì)算出光信號(hào)的中心波長(zhǎng)、光功率等。將計(jì)算的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)測(cè)量的數(shù)據(jù)快速識(shí)別通道的配置、通道波長(zhǎng)的變化和多波長(zhǎng)通道的性能指標(biāo)[9]。將其測(cè)量的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)參數(shù)做差值，根據(jù)差值范圍聯(lián)動(dòng)其他設(shè)備模塊，控制系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備模塊實(shí)時(shí)調(diào)整信道數(shù)據(jù)，使監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)參數(shù)與設(shè)置目標(biāo)參數(shù)相近。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用1×2的光開(kāi)關(guān)，通過(guò)接收單片機(jī)的指令，自動(dòng)在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)切換，可以實(shí)現(xiàn)一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)設(shè)備重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)化傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜度。光開(kāi)關(guān)切換的同時(shí)，管理系統(tǒng)通過(guò)控制系統(tǒng)上報(bào)設(shè)備節(jié)點(diǎn)信息，可以識(shí)別出對(duì)應(yīng)的設(shè)備信息，將該設(shè)備節(jié)點(diǎn)的波長(zhǎng)信息、光功率及光信噪比傳送給網(wǎng)管，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)[10-12]。

控制系統(tǒng)中的單片機(jī)選用STM32F103VET6，該款芯片內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，擁有高20k 字節(jié)SRAM 和128 字節(jié)的閃存；具有80 個(gè)GPIO 和12 位的ADC 三路，共有16 個(gè)通道，其配置滿足對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求；具有先進(jìn)的RIS結(jié)構(gòu)；具有低功耗、性價(jià)比高的特點(diǎn)。

1.3 管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)基于芯片S3C2440，操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux 操作系統(tǒng)[13]。管理系統(tǒng)主要提供網(wǎng)絡(luò)管理，通過(guò)自定義的傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，并進(jìn)行固件程序升級(jí)的實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)CLI（命令行控制界面）的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的動(dòng)態(tài)配置。主要命令如表2 所示。

表2 模塊功能參數(shù)

管理系統(tǒng)會(huì)把來(lái)自控制系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的存放形式進(jìn)行封裝，把數(shù)據(jù)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的管理，使展現(xiàn)的數(shù)據(jù)更加清晰。通過(guò)清晰的數(shù)據(jù)管理，用戶人員可以更容易發(fā)現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)。管理系統(tǒng)還提供網(wǎng)絡(luò)管理、單片機(jī)告警采集、單片機(jī)命令設(shè)置、參數(shù)輪詢等功能[14]。

主控使用的S3C2440 是一款采用RISC 技術(shù)的ARM9芯片，ARM920T內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了MMU，適合多道程序運(yùn)行多任務(wù)處理，支持Linux 系統(tǒng)、AMBA 總線和哈佛結(jié)構(gòu)高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，使其具有獨(dú)立的16 kB指令高速緩存和16 kB 數(shù)據(jù)高速緩存。它還具有3通道的USART、10/100M 以太網(wǎng)接口、USB 端口、130個(gè)通用IO 等，擁有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)的接口，具有很高的性價(jià)比。

文中設(shè)計(jì)對(duì)Linux 操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪和修改。Linux 在嵌入式設(shè)備方面有很多特色，適應(yīng)于多種CPU 和多種硬件平臺(tái)，而且性能穩(wěn)定、裁剪性好，容易開(kāi)發(fā)和使用。另外，Linux 內(nèi)核的結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)通信方面是非常完善的，支持網(wǎng)絡(luò)中最常用的TCP/IP 協(xié)議。Linux 移植流程圖如圖2 所示。

圖2 Linux移植流程圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的信道監(jiān)測(cè)性能系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要采用分層設(shè)計(jì)的思想和同步響應(yīng)異步相響相結(jié)合的思想。分層設(shè)計(jì)思想將軟件設(shè)計(jì)分為底層、中層和上層的結(jié)構(gòu)層次，每個(gè)層次的分工各不相同。底層主要對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，包括OPM 模塊驅(qū)動(dòng)、串口通信和網(wǎng)絡(luò)通信的驅(qū)動(dòng)，并為中層程序設(shè)計(jì)提供相應(yīng)接口；中層調(diào)用底層的函數(shù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的功能，并為上層提供函數(shù)接口，主要包括一些設(shè)置和獲得模塊參數(shù)信息的函數(shù)。上層調(diào)用中層的函數(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的功能，比如命令行界面及網(wǎng)管等功能[15]。同步響應(yīng)異步相響應(yīng)相結(jié)合是指當(dāng)主控管理系統(tǒng)下發(fā)不同的配置命令時(shí)，設(shè)備模塊響應(yīng)的時(shí)間不同，對(duì)設(shè)備模塊可以及時(shí)響應(yīng)返回?cái)?shù)據(jù)的，采用同步響應(yīng)；對(duì)設(shè)備模塊響應(yīng)返回?cái)?shù)據(jù)需要時(shí)間等待的，采用異步響應(yīng)模式。在響應(yīng)等待時(shí)，可以響應(yīng)其他邏輯功能，之后在中斷中輪詢?cè)撆渲妹畹捻憫?yīng)標(biāo)志，輪詢到響應(yīng)標(biāo)志后處理相應(yīng)結(jié)果，保證了控制系統(tǒng)處理業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)軟件整體框圖如圖3 所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)框圖

管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用輪詢方式對(duì)其下設(shè)備模塊進(jìn)行通信，能夠讀取單片機(jī)存儲(chǔ)的各信道的功率、波長(zhǎng)、信道配置信息及模塊出現(xiàn)的告警信息，并將讀取到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)由用戶處理。上位機(jī)接收到由管理系統(tǒng)從控制系統(tǒng)中讀取到的信息，并將該數(shù)據(jù)信息用PC 終端顯示出來(lái)，便于用戶人員查看。此外，上位機(jī)系統(tǒng)和主控管理系統(tǒng)通信，間接可與控制系統(tǒng)通信，通過(guò)命令行控制界面（CLI）接口配置指令信息對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的配置和管理[16]。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能與評(píng)估

文中通過(guò)光譜儀和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試同一根、同一節(jié)點(diǎn)處的業(yè)務(wù)信號(hào)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)命令行界面讀出測(cè)試系統(tǒng)上報(bào)的數(shù)據(jù)，然后和光譜儀讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。數(shù)據(jù)對(duì)比如表3 所示。

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

從光譜儀讀出的數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在誤差允許范圍內(nèi)基本保持相同，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以較好地應(yīng)用于光傳輸系統(tǒng)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著大容量數(shù)據(jù)在光網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，對(duì)光網(wǎng)絡(luò)中信道數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)保證了光網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。文中設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)傳輸系統(tǒng)中的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的參數(shù)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳輸過(guò)程中遇到的異常。通過(guò)異常數(shù)據(jù)的反饋，系統(tǒng)可以及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)而保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。用戶人員也可以根據(jù)參數(shù)及時(shí)定位故障，減少排除故障的時(shí)間。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以提升光網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性，使傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。