以太網串口服務模塊的光端機監控系統設計

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(中國電子科技集團公司 第三十四研究所,桂林 541004)

引 言

圖1 系統架構圖

在雷達信號地面接收、車載綜合指揮系統等應用場合，大多采用了點對點或星型結構的光傳輸系統。在這些應用場合下，局端光端機處于監控中心，遠端光端機則位于較遠或較惡劣的環境。要實現對整個光傳輸系統的統一管理，一是要實現遠控，二是監控主機應接入方便，客戶端管理便捷，并且具有分布式管理的能力。

本文設計了以太網串口服務模塊(簡稱以太網模塊)，移植了TCP/IP協議，它具有多個套接字地址，每一臺被管理的終端設備分配了一個套接字地址，客戶端進程通過套接字地址來與終端設備建立通信連接，實現了進程對終端設備的一對一管理。該方案不僅適用于點對點的光傳輸系統，也適用于小型星形光傳輸網絡，具有低成本、高效益的特點。

1 系統方案設計

系統架構圖如圖1所示，以點對點光傳輸系統為例，整個系統主要由局端光端機、遠端光端機和監控主機組成。

在局端光端機中，以太網模塊實現了網絡數據包向2個異步串行接口(簡稱串口)的分發。串口0和局端ARM處理器的串口相連，用來對局端光端機進行狀態采集和控制；串口1與局端FPGA相連，通過FPGA進行復接，再經光電變換、光纖傳輸，最終與遠端光端機內的ARM處理器的串口相連，用作遠端光端機的監控接口。FPGA在此過程中實現了業務流和控制流的復接和分接。

2 以太網模塊的設計

2.1 硬件設計

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

LPC1768采用了新一代Cortex-M3架構，比傳統的ARM7架構減少了邏輯門數量，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個異步數據串行接口UART0～UART3。

圖2 以太網模塊硬件示意圖

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

根據OSI定義的7層TCP/IP參考模型，網際協議IP實現了主機到主機的通信，傳輸層協議(TCP/UDP)實現了進程到進程的通信。IP地址定義了主機，端口號(port number)定義了進程。進程是運行著的程序的最小單位，同一臺主機上可同時運行多個相互獨立的進程，它們具有相同的IP地址(本機的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地址將不同的進程區別開來。本質上，進程才是數據的生產者和消費者，當主機收到數據報時，通過檢查數據報的目的端口號尋找與之匹配的進程，并將數據交給它；當進程發送數據時，目的端口號和源端口號被插入數據報中，通過網絡傳輸。設備收到數據報后，根據目的端口號進行數據路由選擇。

進程對設備的一對一管理如圖3所示，監控主機上運行著2個進程，進程1發出的數據通過UART0(對應端口0)轉發出去，由局端光端機的ARM接收處理；進程2發出的數據通過UART1(對應端口1)轉發出去，由遠端光端機接收處理，反之亦然。這樣就實現了進程和設備的點對點通信，不同的進程管理著不同的設備，并且獨立運行。

圖3 進程對設備的一對一管理

綜上所述，每個端口號對應著一個物理的串口(UART)，每個串口聯系著一臺設備，等同于每臺設備都有一個Socket地址，通過設備的Socket地址實現了進程對設備的一對一管理。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，如進程界面為灰色表示設備掉線；紅色表示設備告警;綠色表示設備工作正常。

另一方面，進程可以運行在不同的主機上，同時以太網模塊支持多連接，這樣可以實現分布式管理。

2.2 軟件設計

2.2.1 以太網驅動

LPC1768的MAC和PHY芯片KSZ8041NL分別實現了數據鏈路層和物理層的功能。其中MAC含有一個分散/聚集以太網幀的DMA引擎，它實現了MAC和片上SRAM之間的數據傳輸。DMA引擎利用存儲器中“發送描述符數組”和“接收描述符數組”來管理收發數據。描述符數組的每一個元素對應著一個數據緩沖區，多個數據緩沖區形成環形結構，而每一個數據緩沖區可以保存一個完整的以太網幀(Frame)或其中的一個幀片段(Fragment)，即一個完整的以太網幀由一個或多個幀片段組成。

同時，使用生產索引(Produce Index)和消費索引(Consume Index)兩個索引寄存器,來記錄幀片段在環形緩沖結構中的位置，并隨著數據的生產和消費相應地循環移動。

接收數據時，DMA引擎將MAC收到的幀片段“分散”存放到多個接收緩沖區，并設置狀態標志位，供上層服務使用；發送數據時，DMA引擎將多個發送緩沖區的幀片段按順序“集中”起來發送出去，并設置狀態標志位，供上層服務使用。

完整的以太網驅動的初始化包含如下過程：

① LPC1768的以太網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/重發窗口等控制寄存器；

③ 初始化PHY芯片；

④ 初始化發送描述符數組和接收描述符數組；

⑤ 使能接收完成(Rx Done)和發送完成(Tx Done)中斷；

⑥ 啟動發送和接收功能。

2.2.2 TCP/IP協議棧移植

TCP/IP協議棧的實現必須基于嵌入式實時操作系統。本方案采用了RL-RTX實時操作系統，它由ARM公司開發，是一款功能強大的嵌入式實時操作系統，適用于ARM7、ARM9、以及Cortex-M架構的微處理器，具有如下特點：

① 支持時間片、搶占式和合作式調度；

② 低中斷延遲，對應Cortex-M3/M4內核可以實現零中斷延遲；

③ 具有254級任務優先級；

④ 支持庫移植方式，移植方便；

⑤ 基于對話框的配置向導，裁剪方便。

具體移植時，選擇庫移植方式，在“目標選項”標簽頁的操作系統下拉列表中選擇“RTX Kernel”；然后，添加RTX系統的配置文件RTX_Conf_CM.c到工程中，通過配置向導對任務數量、默認堆棧大小、主頻和tick值進行設置，完成操作系統的裁剪。

RL-RTX實時操作系統同時提供了眾多的中間件，其中TCP/IP協議的中間件為RL-TCPnet，它具有RAM空間,花費少，同時目標代碼緊湊，特別適合于資源有限的嵌入式操作系統，并針對ARM7、ARM9、以及Cortex-M架構的微處理器進行了優化。

移植RL-TCPnet時，需要對三個文件重點關注：TCP_CM3.lib是實現RL-TCPnet的庫文件，需要將其添加到工程中；Net_Config.c是配置文件，可通過配置向導完成對IP地址、MAC地址等參數的設置；rtl.h包含了RL-TCPnet的庫文件的函數原型，使用時必須引用它。

RL-TCPnet作為中間件，提供了與驅動層和應用層的數據傳輸接口。在系統初始化時，調用init_TcpNet()函數來初始化RL-TCPnet，該函數調用了以太網驅動層的相關函數，完成了對MAC和PHY的初始化；同時建立了RL-TCPnet的運行環境。

當OS啟動之后，需要2個優先級固定的系統任務支撐RL-TCPnet的運行。任務tick_timer()用來為RL-TCPnet提供節拍，以周期性地喚醒RL-TCPnet主線程main_TcpNet()；任務tcp_poll()調用RL-TCPnet主線程main_TcpNet()，它使用標準的Socket API向應用層提供數據收發服務。

本方案中使用UDP協議來進行應用開發，RL-TCPnet主線程main_TcpNet()監聽網絡上的UDP數據包，無論何時，只要收到UDP數據包，就會調用回調函數udp_callback()，通過消息郵箱的通信機制通知應用層任務接收數據包。

數據包中不僅含有凈荷，還含有源端口號和目的端口號，供應用層進行路由處理；發送UDP數據包時，應用層將待發送的數據正文準備好，調用UDP Socket Send API函數的同時將目標IP地址、目的端口號、源端口號等參數傳遞給它，main_TcpNet()將自動組成UDP數據包并交由驅動層發送出去。

2.2.3 數據包路由選擇

每一個串口的端口號存儲在存儲器中，當收到UDP數據包時，將數據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，則將凈荷向相應的串口轉發；若匹配不中，則將該UDP數據包丟棄。

同時，為每一個串口分配512字節的接收緩沖區，任務循環檢查各個緩沖區是否為空，一旦某個串口收到字節，在將其放入對應的緩沖區的同時啟動超時計時，超時時間一般為當前波特率下接收5個字符的時間，當下一個到來的字符沒有超時時，超時計數器被清零；當發生超時時，則表示完整地收到了一幀數據，為該幀數據插上源端口號，目的端口號等幀頭信息交由UDP Socket Send API函數進行轉發，完成串口到網口的數據傳輸。

3 測試與驗證

如圖4所示，使用TCP&DUP測試工具在監控主機上建立了2個UDP客戶端，目標IP均為10.35.217.168，客戶端1通過端口號23訪問局端光端機，客戶端2通過端口號26訪問遠端光端機，數據通信正常，2個客戶端獨立工作，分別實現對局端光端機和遠端光端機的監控。

圖4 UDP多進程測試

結 語

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

[2] Behrouz A.Forouzan.TCP/IP協議族 [M].3版.北京:清華大學出版社,2009.

郭文龍(工程師)，主要從事光通信研發工作。