以太網(wǎng)串口服務(wù)模塊的光端機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(中國電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所,桂林 541004)

引 言

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

在雷達(dá)信號地面接收、車載綜合指揮系統(tǒng)等應(yīng)用場合，大多采用了點(diǎn)對點(diǎn)或星型結(jié)構(gòu)的光傳輸系統(tǒng)。在這些應(yīng)用場合下，局端光端機(jī)處于監(jiān)控中心，遠(yuǎn)端光端機(jī)則位于較遠(yuǎn)或較惡劣的環(huán)境。要實(shí)現(xiàn)對整個光傳輸系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，一是要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控，二是監(jiān)控主機(jī)應(yīng)接入方便，客戶端管理便捷，并且具有分布式管理的能力。

本文設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)串口服務(wù)模塊(簡稱以太網(wǎng)模塊)，移植了TCP/IP協(xié)議，它具有多個套接字地址，每一臺被管理的終端設(shè)備分配了一個套接字地址，客戶端進(jìn)程通過套接字地址來與終端設(shè)備建立通信連接，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程對終端設(shè)備的一對一管理。該方案不僅適用于點(diǎn)對點(diǎn)的光傳輸系統(tǒng)，也適用于小型星形光傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、高效益的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，以點(diǎn)對點(diǎn)光傳輸系統(tǒng)為例，整個系統(tǒng)主要由局端光端機(jī)、遠(yuǎn)端光端機(jī)和監(jiān)控主機(jī)組成。

在局端光端機(jī)中，以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包向2個異步串行接口(簡稱串口)的分發(fā)。串口0和局端ARM處理器的串口相連，用來對局端光端機(jī)進(jìn)行狀態(tài)采集和控制；串口1與局端FPGA相連，通過FPGA進(jìn)行復(fù)接，再經(jīng)光電變換、光纖傳輸，最終與遠(yuǎn)端光端機(jī)內(nèi)的ARM處理器的串口相連，用作遠(yuǎn)端光端機(jī)的監(jiān)控接口。FPGA在此過程中實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)流和控制流的復(fù)接和分接。

2 以太網(wǎng)模塊的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)模塊要選用的ARM處理器需要移植TCP/IP協(xié)議棧，必須具有較高的工作頻率，同時內(nèi)部集成10/100M MAC控制器，及容量可觀的RAM和FLASH存儲器。同時，為了方便端口數(shù)量的擴(kuò)展，ARM處理器集成的串口(UART)數(shù)量盡可能多，為了降額設(shè)計(jì)，還需滿足低功耗、高性能的特點(diǎn)。基于以上需求，處理器選用了NXP公司的Cortex-M3架構(gòu)的LPC1768。

LPC1768采用了新一代Cortex-M3架構(gòu)，比傳統(tǒng)的ARM7架構(gòu)減少了邏輯門數(shù)量，提高了工作頻率，降低了功耗。最高工作頻率為100 MHz，集成了512 KB FLASH和64 KB RAM存儲器，以及RMII接口的MAC，且具有4個異步數(shù)據(jù)串行接口UART0～UART3。

圖2 以太網(wǎng)模塊硬件示意圖

以太網(wǎng)PHY選用了MICREL公司的KSZ8041NL，它是單芯片10/100M以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，支持線序自適應(yīng)和10/100M自協(xié)商功能，和LPC1768之間通過RMII接口相連，連接圖如圖2所示。

根據(jù)OSI定義的7層TCP/IP參考模型，網(wǎng)際協(xié)議IP實(shí)現(xiàn)了主機(jī)到主機(jī)的通信，傳輸層協(xié)議(TCP/UDP)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程到進(jìn)程的通信。IP地址定義了主機(jī)，端口號(port number)定義了進(jìn)程。進(jìn)程是運(yùn)行著的程序的最小單位，同一臺主機(jī)上可同時運(yùn)行多個相互獨(dú)立的進(jìn)程，它們具有相同的IP地址(本機(jī)的IP地址)，擁有不同的端口號。因此，IP地址和端口號的組合稱為套接字地址(Socket地址)，通過Socket地址將不同的進(jìn)程區(qū)別開來。本質(zhì)上，進(jìn)程才是數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者和消費(fèi)者，當(dāng)主機(jī)收到數(shù)據(jù)報(bào)時，通過檢查數(shù)據(jù)報(bào)的目的端口號尋找與之匹配的進(jìn)程，并將數(shù)據(jù)交給它；當(dāng)進(jìn)程發(fā)送數(shù)據(jù)時，目的端口號和源端口號被插入數(shù)據(jù)報(bào)中，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。設(shè)備收到數(shù)據(jù)報(bào)后，根據(jù)目的端口號進(jìn)行數(shù)據(jù)路由選擇。

進(jìn)程對設(shè)備的一對一管理如圖3所示，監(jiān)控主機(jī)上運(yùn)行著2個進(jìn)程，進(jìn)程1發(fā)出的數(shù)據(jù)通過UART0(對應(yīng)端口0)轉(zhuǎn)發(fā)出去，由局端光端機(jī)的ARM接收處理；進(jìn)程2發(fā)出的數(shù)據(jù)通過UART1(對應(yīng)端口1)轉(zhuǎn)發(fā)出去，由遠(yuǎn)端光端機(jī)接收處理，反之亦然。這樣就實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程和設(shè)備的點(diǎn)對點(diǎn)通信，不同的進(jìn)程管理著不同的設(shè)備，并且獨(dú)立運(yùn)行。

圖3 進(jìn)程對設(shè)備的一對一管理

綜上所述，每個端口號對應(yīng)著一個物理的串口(UART)，每個串口聯(lián)系著一臺設(shè)備，等同于每臺設(shè)備都有一個Socket地址，通過設(shè)備的Socket地址實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程對設(shè)備的一對一管理。在客戶端界面上可通過不同的顯示顏色表示不同的告警事件，如進(jìn)程界面為灰色表示設(shè)備掉線；紅色表示設(shè)備告警;綠色表示設(shè)備工作正常。

另一方面，進(jìn)程可以運(yùn)行在不同的主機(jī)上，同時以太網(wǎng)模塊支持多連接，這樣可以實(shí)現(xiàn)分布式管理。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 以太網(wǎng)驅(qū)動

LPC1768的MAC和PHY芯片KSZ8041NL分別實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能。其中MAC含有一個分散/聚集以太網(wǎng)幀的DMA引擎，它實(shí)現(xiàn)了MAC和片上SRAM之間的數(shù)據(jù)傳輸。DMA引擎利用存儲器中“發(fā)送描述符數(shù)組”和“接收描述符數(shù)組”來管理收發(fā)數(shù)據(jù)。描述符數(shù)組的每一個元素對應(yīng)著一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，多個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，而每一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)可以保存一個完整的以太網(wǎng)幀(Frame)或其中的一個幀片段(Fragment)，即一個完整的以太網(wǎng)幀由一個或多個幀片段組成。

同時，使用生產(chǎn)索引(Produce Index)和消費(fèi)索引(Consume Index)兩個索引寄存器,來記錄幀片段在環(huán)形緩沖結(jié)構(gòu)中的位置，并隨著數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和消費(fèi)相應(yīng)地循環(huán)移動。

接收數(shù)據(jù)時，DMA引擎將MAC收到的幀片段“分散”存放到多個接收緩沖區(qū)，并設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志位，供上層服務(wù)使用；發(fā)送數(shù)據(jù)時，DMA引擎將多個發(fā)送緩沖區(qū)的幀片段按順序“集中”起來發(fā)送出去，并設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志位，供上層服務(wù)使用。

完整的以太網(wǎng)驅(qū)動的初始化包含如下過程：

① LPC1768的以太網(wǎng)模塊時鐘和引腳使能；

② 初始化MAC地址、背對背、包間隙、最大幀長、沖突/重發(fā)窗口等控制寄存器；

③ 初始化PHY芯片；

④ 初始化發(fā)送描述符數(shù)組和接收描述符數(shù)組；

⑤ 使能接收完成(Rx Done)和發(fā)送完成(Tx Done)中斷；

⑥ 啟動發(fā)送和接收功能。

2.2.2 TCP/IP協(xié)議棧移植

TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)必須基于嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。本方案采用了RL-RTX實(shí)時操作系統(tǒng)，它由ARM公司開發(fā)，是一款功能強(qiáng)大的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，適用于ARM7、ARM9、以及Cortex-M架構(gòu)的微處理器，具有如下特點(diǎn)：

① 支持時間片、搶占式和合作式調(diào)度；

② 低中斷延遲，對應(yīng)Cortex-M3/M4內(nèi)核可以實(shí)現(xiàn)零中斷延遲；

③ 具有254級任務(wù)優(yōu)先級；

④ 支持庫移植方式，移植方便；

⑤ 基于對話框的配置向?qū)В眉舴奖恪?/p>

具體移植時，選擇庫移植方式，在“目標(biāo)選項(xiàng)”標(biāo)簽頁的操作系統(tǒng)下拉列表中選擇“RTX Kernel”；然后，添加RTX系統(tǒng)的配置文件RTX_Conf_CM.c到工程中，通過配置向?qū)θ蝿?wù)數(shù)量、默認(rèn)堆棧大小、主頻和tick值進(jìn)行設(shè)置，完成操作系統(tǒng)的裁剪。

RL-RTX實(shí)時操作系統(tǒng)同時提供了眾多的中間件，其中TCP/IP協(xié)議的中間件為RL-TCPnet，它具有RAM空間,花費(fèi)少，同時目標(biāo)代碼緊湊，特別適合于資源有限的嵌入式操作系統(tǒng)，并針對ARM7、ARM9、以及Cortex-M架構(gòu)的微處理器進(jìn)行了優(yōu)化。

移植RL-TCPnet時，需要對三個文件重點(diǎn)關(guān)注：TCP_CM3.lib是實(shí)現(xiàn)RL-TCPnet的庫文件，需要將其添加到工程中；Net_Config.c是配置文件，可通過配置向?qū)瓿蓪P地址、MAC地址等參數(shù)的設(shè)置；rtl.h包含了RL-TCPnet的庫文件的函數(shù)原型，使用時必須引用它。

RL-TCPnet作為中間件，提供了與驅(qū)動層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)傳輸接口。在系統(tǒng)初始化時，調(diào)用init_TcpNet()函數(shù)來初始化RL-TCPnet，該函數(shù)調(diào)用了以太網(wǎng)驅(qū)動層的相關(guān)函數(shù)，完成了對MAC和PHY的初始化；同時建立了RL-TCPnet的運(yùn)行環(huán)境。

當(dāng)OS啟動之后，需要2個優(yōu)先級固定的系統(tǒng)任務(wù)支撐RL-TCPnet的運(yùn)行。任務(wù)tick_timer()用來為RL-TCPnet提供節(jié)拍，以周期性地喚醒RL-TCPnet主線程main_TcpNet()；任務(wù)tcp_poll()調(diào)用RL-TCPnet主線程main_TcpNet()，它使用標(biāo)準(zhǔn)的Socket API向應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)。

本方案中使用UDP協(xié)議來進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，RL-TCPnet主線程main_TcpNet()監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上的UDP數(shù)據(jù)包，無論何時，只要收到UDP數(shù)據(jù)包，就會調(diào)用回調(diào)函數(shù)udp_callback()，通過消息郵箱的通信機(jī)制通知應(yīng)用層任務(wù)接收數(shù)據(jù)包。

數(shù)據(jù)包中不僅含有凈荷，還含有源端口號和目的端口號，供應(yīng)用層進(jìn)行路由處理；發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包時，應(yīng)用層將待發(fā)送的數(shù)據(jù)正文準(zhǔn)備好，調(diào)用UDP Socket Send API函數(shù)的同時將目標(biāo)IP地址、目的端口號、源端口號等參數(shù)傳遞給它，main_TcpNet()將自動組成UDP數(shù)據(jù)包并交由驅(qū)動層發(fā)送出去。

2.2.3 數(shù)據(jù)包路由選擇

每一個串口的端口號存儲在存儲器中，當(dāng)收到UDP數(shù)據(jù)包時，將數(shù)據(jù)包中的目的端口號與各個串口的端口號逐一比對，若有匹配的，則將凈荷向相應(yīng)的串口轉(zhuǎn)發(fā)；若匹配不中，則將該UDP數(shù)據(jù)包丟棄。

同時，為每一個串口分配512字節(jié)的接收緩沖區(qū)，任務(wù)循環(huán)檢查各個緩沖區(qū)是否為空，一旦某個串口收到字節(jié)，在將其放入對應(yīng)的緩沖區(qū)的同時啟動超時計(jì)時，超時時間一般為當(dāng)前波特率下接收5個字符的時間，當(dāng)下一個到來的字符沒有超時時，超時計(jì)數(shù)器被清零；當(dāng)發(fā)生超時時，則表示完整地收到了一幀數(shù)據(jù)，為該幀數(shù)據(jù)插上源端口號，目的端口號等幀頭信息交由UDP Socket Send API函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，完成串口到網(wǎng)口的數(shù)據(jù)傳輸。

3 測試與驗(yàn)證

如圖4所示，使用TCP&DUP測試工具在監(jiān)控主機(jī)上建立了2個UDP客戶端，目標(biāo)IP均為10.35.217.168，客戶端1通過端口號23訪問局端光端機(jī)，客戶端2通過端口號26訪問遠(yuǎn)端光端機(jī)，數(shù)據(jù)通信正常，2個客戶端獨(dú)立工作，分別實(shí)現(xiàn)對局端光端機(jī)和遠(yuǎn)端光端機(jī)的監(jiān)控。

圖4 UDP多進(jìn)程測試

結(jié) 語

[1] 王國法,劉薇,段明瑋.基于嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)通信開發(fā)[J].光通信技術(shù),2012,36(4):36-38.

[2] Behrouz A.Forouzan.TCP/IP協(xié)議族 [M].3版.北京:清華大學(xué)出版社,2009.

郭文龍(工程師)，主要從事光通信研發(fā)工作。