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、電力系統(tǒng)以及部隊等國有機關有線數字傳輸網絡中的標準接口，應用十分廣泛。

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

為了保證傳輸的安全性，在實際業(yè)務通信時，傳輸雙方都會采用一定的安全防護設備，以保證數據傳輸的安全性。為了方便驗證信道傳輸信號的數據正確性和隨機性，本文設計了一套基于E1和V.35接口的數據采集系統(tǒng)，并將其串接在安全設備與信道機之間，在不影響正常業(yè)務通信的前提下，實時采集信道上的數據，配合數據采集控制軟件，分析處理信道數據。

1 系統(tǒng)應用及總體架構

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

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

采集設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，采集設備將此信號通過防護端接口發(fā)送至安全防護設備。防護端接口接收安全設備發(fā)送的E1或V.35信號，采集設備將此信號通過信道端接口發(fā)送至信道機，同時采集設備同步采集此信號并上報到采集軟件。

2 硬件設計

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

信道端信號（E1/V.35）和防護端信號（E1/V.35）通過相應的接口電路接入FPG A的管腳。經過FPGA的信號轉換和處理，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。以太網接口單元通過EMIF2接入DSP主處理芯片，通過DSP程序處理實現以太網單元的數據收發(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

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

主處理單元主要選用TI公司的TMS320C6000系列高性能數字信號處理器（Ditigal Sigal Processor，DSP）芯片和XILINX公司的FPGA芯片組合構建而成。該組合設計能較好地滿足整體的技術指標要求，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包括地址和數據總線、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波形的轉換接入信道端和防護端的同步數據口。

2.1.1 TMS320VC6713高速數字信號處理器

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)結構采用超長指令字（Very Long Instruction Word，VLIW）結構，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存儲器結構之間映射4 kB L1P程序緩存、4 kB L1D數據緩存和256 kB L2內存。

（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接口單元是實現串行E1信號接入方式的重要基礎，能配接E1接口的安全防護設備。E1數字傳輸系統(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據中出現連續(xù)“0”的情況對時鐘恢復的影響。E1接口單元設計選用調制解調芯片DS21348TN和變壓器組合而成。該芯片是DALLAS公司生產的E1接口驅動芯片，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絡完成對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。

設置DS21348芯片的ETS管腳為高，使其工作在E1工作模式。設置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、波形轉換等處理后，以串行數據和時鐘接入FPGA。

2.3 V.35接口單元

V.35接口單元實現信道端和防護端串行V.35信號接入，能配接V.35接口的安全防護設備。V.35接口單元設計選用電平轉換芯片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)數據，并將時鐘的差分信號轉換為CMOS電平信號，從而接入FPGA。

2.4 以太網接口單元

以太網接口單元用于上層控制軟件和DSP控制芯片之間的以太網數據包交互。本設計中選用SMSC公司的LAN9215作為以太網交互芯片。LAN9215是功能全面的嵌入式16位單芯片10/100M以太網控制器，內部集成了MAC和PHY控制器，全面支持IEEE 802.3標準，并可通過MII接口實現與外部PHY的連接，具有并行16路IO數據傳輸接口，在本設計中與DSP的EMIF總線連接。內置的PHY可配置為100BASE-TX或10BASE-T以太網模式。根據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右側為內部集成變壓器的RJ45插座。LAN9215的地址總線A1～A7、數據總線D0～D15與主處理單元的DSP的EMIF2總線的地址和數據總線連接。主處理單元通過EMIF總線讀寫寄存器的數據，LAN9215的讀（READ）、寫（WRITE）、片選（CS）、復位（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，實現內部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。其他設置均參考LAN9215的數據手冊進行設置。

3 軟件設計

3.1 軟件體系架構

數據采集設備的軟件包括數據采集設備控制軟件（安裝運行于Windows操作系統(tǒng)），還包括運行于數據采集設備內的底層軟件（加載運行于TMS320C6000芯片內）。

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

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

3.2 軟件設計組成

3.2.1 數據采集設備控制軟件

數據采集設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)設計，按功能劃分為設備管理模塊、數據采集模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊、網絡通信模塊以及進制轉換模塊等。具體的模塊劃分如圖8所示。

（1）設備管理模塊

設備管理模塊包括數據采集設備在線搜索、工作參數配置以及采集任務控制等操作。在線搜索是通過搜索命令對接入網絡并與數據采集設備控制軟件處于同一網段的數據采集設備實施搜尋。搜索結果在管理列表中顯示，如圖9所示。工作參數配置是對數據采集設備的MAC地址、IP地址、工作端口等參數進行設置，如圖10所示。

（2）數據采集模塊

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

（3）狀態(tài)監(jiān)控模塊

狀態(tài)監(jiān)控模塊能夠對在網運行的數據采集設備工作狀態(tài)進行自檢控制和工作狀態(tài)顯示。

（4）網絡通信模塊

網絡通信模塊能夠通過以太網口與數據采集設備建立通信鏈接。

（5）進制轉換模塊

進制轉換模塊對采集數據進行二進制和十六進制轉換。

3.2.2 數據采集設備底層軟件

數據采集設備底層軟件在設計上采用模塊化分層式架構，任務層與驅動層階間采用消息傳遞機制實現功能模塊管理和控制。數據采集設備底層軟件按功能特性分解為硬件接口驅動層和任務管理層。硬件接口驅動層主要完成與硬件相關的以太網接口驅動、V.35接口驅動以及E1接口驅動等功能；任務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設置管理等功能。具體說明如圖12所示。

（1）任務層

任務層作為數據采集設備的核心控制部分，通過消息層與驅動層完成數據交互。其中，每個任務程序對劃分的不同功能操作命令進行識別和管控，并能對當前工作參數或設備信息進行存儲查詢。采集系統(tǒng)的任務列表，如表1所示。

表1 采集系統(tǒng)任務

參數配置任務主要是完成以太網參數配置和設備數據采集接口類型選擇；以太網協(xié)議棧任務用于對以太網多層協(xié)議進行解析和封裝；命令解析任務能對控制軟件下發(fā)的控制命令實施解析判別；信道端/防護端收發(fā)任務是根據命令解析任務提取的命令，控制驅動層各驅動軟件的工作設置和流程控制。任務類型包括單次任務（OnceTask）和消息任務（MsgTask）。

以參數配置任務為例子，創(chuàng)建任務如下：

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

程序設計時，創(chuàng)建參數配置任務，并執(zhí)行相應的初始化函數（LevFactSet_Init）。

（2）消息層

消息層包括任務消息隊列管理和硬件驅動消息隊列管理。任務消息隊列管理是對驅動層獲取的數據信息進行封裝建鏈，并指向任務層內的相關任務處理。硬件驅動消息隊列管理是將任務處理數據進行封裝建鏈，并交指定的硬件驅動程序執(zhí)行。消息層程序設計利用如表2所示的函數完成。

表2 消息層管理函數

（3）驅動層

驅動層作為與硬件直接實施數據交互通道，分別以各自獨立的驅動程序對相關硬件接口進行參數設置、中斷操作和數據傳輸，以及向任務層上報數據和接收任務層數據輸出。

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

表3 以太網驅動函數

信道端和防護端列驅動函數，如表4所示。

表4 信道端和防護端驅動函數

可見，底層軟件設計細節(jié)，主程序完成硬件資源和變量的配置，并創(chuàng)建相應的任務，利用任務管理和監(jiān)控，接收上層軟件的采集或設置命令，驅動使能相應的需求任務，從而完成采集或配置任務。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，驗證數據采集設備的功能正確性。

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

檢查采集結果是否和誤碼測試產生的碼型一致，采集測試結果見表5。

表5 功能測試結果

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

5 結 語

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