基于RS-485總線的機(jī)架式網(wǎng)管光收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)

　　摘要： 基于RS-485總線的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了機(jī)架式網(wǎng)管型光收發(fā)器的級聯(lián)，從而大大提高了網(wǎng)管的可靠性并且減低了設(shè)計(jì)成本，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

　　關(guān)鍵詞： RS-485總線;網(wǎng)管光收發(fā)器;單片機(jī)

　　引言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)硬件的安全、可靠性日益顯得尤為重要。由于實(shí)際的需要，微機(jī)與微機(jī)，微機(jī)與單片機(jī)之間經(jīng)常需要進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，串行通信是主要的通信手段。與并行通信相比，盡管它通信速度較慢，但具有傳輸線少、傳輸距離長、連接簡單、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高等特點(diǎn)，因此在通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在帶網(wǎng)管的機(jī)架式光纖收發(fā)器系統(tǒng)中，在各機(jī)架間，采用RS-485串行總線，可通過機(jī)房的控制中心，與機(jī)架上的網(wǎng)管板進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)對所有的近/遠(yuǎn)端光纖收發(fā)器進(jìn)行監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)防和及時維護(hù)功能，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商對用戶的服務(wù)質(zhì)量。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　目前，有多種接口標(biāo)準(zhǔn)可用于串行通信，其中包括RS-232C，RS-422，RS-423和RS-485。RS-232C是最早的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在短距離、較低波特率串行通信中得到了廣泛應(yīng)用。其后發(fā)展起來的RS-422，RS-485是平衡傳送的電氣標(biāo)準(zhǔn)，比起RS-232C非平衡的傳送方式在電氣指標(biāo)上有了大幅度提高。RS-485串行接口的電氣標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是RS-422的變型，它屬于七層OSI(開放系統(tǒng)互連)模型物理層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。依賴其性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡單、容易組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

　　機(jī)架式網(wǎng)管光收發(fā)器系統(tǒng)

　　網(wǎng)管光收發(fā)器是指帶有網(wǎng)管功能的光纖收發(fā)器，其網(wǎng)管系統(tǒng)是專門對機(jī)箱內(nèi)的光纖收發(fā)器模塊、光纖鏈路遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理的系統(tǒng)，為用戶提供基于Windows XP/Windows 2000系統(tǒng)、管理站——代理模式的遠(yuǎn)程管理解決方案。適用于構(gòu)建寬帶城域網(wǎng)的地方，為用戶提供光纖IP網(wǎng)絡(luò)解決方案。一般來說，一個單一的機(jī)架式網(wǎng)管光收發(fā)器主要有2部分組成：網(wǎng)管板和收發(fā)板。在本系統(tǒng)中，對單個機(jī)架來說，網(wǎng)管板必須要包括一個嵌入式模塊和一個MCU。一塊網(wǎng)管板可以監(jiān)控和管理15個收發(fā)板。網(wǎng)管板通過CPU接口(CPUC和CPUIO)負(fù)責(zé)收集收發(fā)器的各種工作狀態(tài)信息并傳到PC機(jī)上的網(wǎng)管中心，這樣就完成整個網(wǎng)管收發(fā)器系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理。單個機(jī)架的網(wǎng)管收發(fā)器的總體框圖如圖1。

圖 1 單機(jī)架網(wǎng)管收發(fā)器系統(tǒng)框圖

　　網(wǎng)管中心與網(wǎng)管板是多對多的關(guān)系，對一個網(wǎng)管板來說網(wǎng)管中心最多為三個，網(wǎng)管板以組的方式管理收發(fā)板，分為4組，每組管理4片收發(fā)板。

　　RS-485總線在系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　當(dāng)在局端要管理多個機(jī)架時，為了節(jié)約成本(節(jié)省網(wǎng)管板中的嵌入式模塊)，我們可以用RS-485總線將各個機(jī)架中的網(wǎng)管板級聯(lián)起來，從而也將多個機(jī)架級聯(lián)起來。一般的RS-485網(wǎng)絡(luò)是一個主機(jī)(一個主機(jī)架)、多個從機(jī)(從機(jī)架)，每個從機(jī)分配唯一的地址，工作時采用命令/應(yīng)答的通信方式，每一個命令幀都對應(yīng)著一種應(yīng)答幀，其他從機(jī)對命令不予理睬。這種問答式的通信方式極大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但是相對于RS-232C等全雙工總線，效率低了許多。在本設(shè)計(jì)中，主網(wǎng)管板上的嵌入式模塊通過RS-485總線監(jiān)控和管理自己板卡上的單片機(jī)(MCU)和其它從網(wǎng)管板上的單片機(jī)。機(jī)架式網(wǎng)管光收發(fā)器級聯(lián)如圖2。

圖 2  機(jī)架式網(wǎng)管光收發(fā)器級聯(lián)

　　該機(jī)架式網(wǎng)管光收發(fā)器系統(tǒng)的核心部分是網(wǎng)管板部分，主機(jī)架的網(wǎng)管板主要有3個模塊構(gòu)成：

　　·嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊：是以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊為特色的嵌入式PC 模塊，配有Flash、串口、以太網(wǎng)接口、GPIO、精簡ISA 總線、實(shí)時時鐘、LCD 接口、矩陣鍵盤接口等板載資源;采用BC3.1 作為開發(fā)調(diào)試工具;支持RS-232/RS-485 數(shù)據(jù)通訊、常規(guī)TCP/IP 應(yīng)用、NAT 路由、無線網(wǎng)關(guān)、FTP 服務(wù)器、Web 服務(wù)器等多種應(yīng)用;可用于通訊管理、工業(yè)控制。本設(shè)計(jì)中，嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊遵循TCP協(xié)議與網(wǎng)管中心通信。通過RS-485接口與本板和其它網(wǎng)管板上的MCU通信。

　　·MCU模塊：MCU部分選用SM89516A。它是一種內(nèi)嵌64K字節(jié)內(nèi)存和1K字節(jié)片上RAM的8位單片微控制器。它是8052微控制器家族的派生產(chǎn)品。SM89516A的PLCC封裝具有多達(dá)36個I/O口，且片上多達(dá)64K字節(jié)的內(nèi)存既可以當(dāng)作程序空間，又可以當(dāng)作數(shù)據(jù)空間，或者數(shù)據(jù)和程序混合空間。由于這些硬件特性和強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，使得它成為一種性價(jià)比很高的控制器。本設(shè)計(jì)中SM89516A主要負(fù)責(zé)與嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊通信，并且和所在網(wǎng)管板下面的4組(即16個)收發(fā)板通信。每組只需一個CPUC(時鐘線)線和CPUIO(輸入輸出線)線即可實(shí)現(xiàn)通信。

　　·RS-485接口模塊：RS-485接口模塊是由SN75LBC184組成。它是美國TI公司生產(chǎn)的一種RS-485接口芯片，可在總線上連接64個收發(fā)器。RS-485接口芯片在使用、焊接或設(shè)備的運(yùn)輸途中都有可能受到靜電的沖擊而損壞，SN75LBC184不但能抗雷電的沖擊而且能承受高達(dá)8kV的靜電放電沖擊。其工作原理如圖3所示。發(fā)送使能端DE為高電平，SN75LBC184作為發(fā)送器，數(shù)據(jù)從第4引腳輸入，第6、7引腳輸出，其中7引腳輸出信號的非;接收使能RE為高電平，SN75LBC184作為接收器，信號從6引腳或7引腳輸入，1引腳輸出口。RS-485接口采用的是差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但當(dāng)共模電壓超過RS-485接收器的極限接收電壓，即大于+12V或小于-7V時，接收器就再也無法正常工作了，嚴(yán)重時甚至?xí)龤酒蛢x器設(shè)備。因此設(shè)計(jì)中電路使用了高速光電耦合器將信號隔離，徹底消除共模電壓的影響。

圖 3  SN75LBC184邏輯功能圖

　　從機(jī)架的網(wǎng)管板主要由后面2個模塊構(gòu)成，沒有嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊，其他部分和主網(wǎng)管板一樣。通過RS-485總線的級聯(lián)，達(dá)到了節(jié)約成本的目的。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分主要分為網(wǎng)管板和網(wǎng)管中心通信，網(wǎng)管板和光纖收發(fā)板通信，主網(wǎng)管板和從網(wǎng)管板之間通信三部分。網(wǎng)管中心提供基于TCP完成端口異步模式服務(wù)監(jiān)聽接口，網(wǎng)管板提供基于TCP非阻塞的客戶端接口。網(wǎng)管中心用數(shù)據(jù)庫記錄來自主網(wǎng)管板的信息，這個信息包括：網(wǎng)管板注冊信息、工作模式設(shè)置、速率設(shè)置、收發(fā)板注冊信息，軟件升級等。這部分可用VC++實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)管板里面的單片機(jī)通過CPU接口訪問光纖收發(fā)器板。CPU 接口與SMI接口(MDC、MDIO)類似。一對CPU接口(CPUC、CPUIO)線最多可以管理4片收發(fā)板芯片。CPUC 最大為2.5MHz。單片機(jī)固定輪詢收發(fā)板，實(shí)時更新收發(fā)板數(shù)據(jù)信息，在單任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境限制下最大的實(shí)現(xiàn)上報(bào)數(shù)據(jù)的實(shí)時性。這部分可以用單片機(jī)C語言實(shí)現(xiàn)。主網(wǎng)管板和從網(wǎng)管板之間的通信主要是嵌入式處理模塊和單片機(jī)SM89516A之間通過RS-485總線來通信。由于RS-485總線是異步半雙工的通信總線，在某一個時刻，總線只可能呈現(xiàn)一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機(jī)對分機(jī)的查詢方式通信，總線上必然有一臺始終處于主機(jī)地位的設(shè)備在巡檢其它的分機(jī)，所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來協(xié)調(diào)總線的分時共用。這里采用的是數(shù)據(jù)包通信方式，通信數(shù)據(jù)是成幀成包發(fā)送的，每包數(shù)據(jù)都有引導(dǎo)碼、長度碼、地址碼、命令碼、內(nèi)容、校驗(yàn)碼等部分組成。其中引導(dǎo)碼是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭;長度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長度;命令碼是主機(jī)對分機(jī)(或分機(jī)應(yīng)答主機(jī))的控制命令;地址碼是分機(jī)的本機(jī)地址號;“內(nèi)容”是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息;校驗(yàn)碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗(yàn)標(biāo)志，可以采用奇偶校驗(yàn)、和校驗(yàn)等不同的方式。單片機(jī)SM89516A主要記錄來自自己機(jī)架上的光纖收發(fā)板的各種信息，如工作模式、光口狀態(tài)、速率模式、故障管理等和管理與遠(yuǎn)端光纖收發(fā)器的通信。

　　結(jié)語

　　RS-485總線，具有高噪聲抑制、寬共模范圍、長傳輸距離、沖突保護(hù)且組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)，本文介紹了一種基于RS-485總線的機(jī)架式網(wǎng)管光收發(fā)器的設(shè)計(jì)，在該系統(tǒng)中，主網(wǎng)管板與各從網(wǎng)管板單片機(jī)之間采用了RS-485串行通信總線，大大節(jié)約了成本，同時使網(wǎng)管網(wǎng)絡(luò)的連線簡潔、傳輸距離長、信號傳輸穩(wěn)定可靠，取得了良好的控制效果。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. 李朝青，單片機(jī)原理及接口技術(shù)，航空航天大學(xué)出版社，2006

　　2. RS-485 - guide [ EB/ OL ]，廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司，2007