通過以太網(wǎng)寬帶接入實現(xiàn)對光纖收發(fā)器的狀態(tài)進行遠程監(jiān)控

信息化建設的突飛猛進，人們對于數(shù)據(jù)、語音、圖像等多媒體通信的需求日益旺盛，以太網(wǎng)寬帶接入方式因此被提到了越來越重要的位置。但是傳統(tǒng)的5類線電纜只能將以太網(wǎng)電信號傳輸100米，在傳輸距離和覆蓋范圍方面已不能適應實際網(wǎng)絡環(huán)境的需要。光纖收發(fā)器，是一種將短距離的雙絞線電信號和長距離的光信號進行互換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉換單元，在很多地方也被稱之為光電轉換器（Fiber Converter）。產品一般應用在以太網(wǎng)電纜無法覆蓋、必須使用光纖來延長傳輸距離的實際網(wǎng)絡環(huán)境中，且通常定位于寬帶城域網(wǎng)的接入層應用；同時在幫助把光纖最后一公里線路連接到城域網(wǎng)和更外層的網(wǎng)絡上也發(fā)揮了巨大的作用但是也存在著很多問題，如需要安裝特定客戶端軟件，不能遠距離控制等。針對這些問題該系統(tǒng)采用基于Web技術的B/S模式和基于GUI的C/S模式的液晶顯示，使用通用的瀏覽器登錄系統(tǒng)，無需安裝應用軟件，就可以把采集到的數(shù)據(jù)以動態(tài)網(wǎng)頁的形式在瀏覽器上顯示并且在液晶顯示屏上顯示數(shù)據(jù)，做到本地和遠端都能有效地監(jiān)控。該系統(tǒng)還支持RFP功能，這樣在發(fā)生故障時數(shù)據(jù)包不會沿著已經(jīng)發(fā)生故障的線路繼續(xù)轉發(fā)數(shù)據(jù)，造成大量丟包。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)采用標準機架式結構，便于網(wǎng)管模塊對各個光電轉換模塊統(tǒng)一管理和供電。系統(tǒng)主要可分為光電轉換電路、網(wǎng)管控制電路、溫度檢測電路、液晶顯示電路和供電電源電路設計，系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。

光電轉換電路主要功能是將適合在電纜中傳輸?shù)碾娦盘栟D換成在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?；網(wǎng)管控制電路主要功能是PC機通過網(wǎng)絡遠程監(jiān)控和控制光電轉換部分，即一個網(wǎng)管模塊控制多個光電轉換模塊；液晶顯示電路主要功能是把數(shù)據(jù)實時在液晶屏上顯示，以便進行本地監(jiān)控；供電電源電路主要為所有的光電轉換電路和網(wǎng)絡控制電路提供必要的電源。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 光電轉換電路

光電轉換過程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運動從而形成電流。這一過程有兩種解決途徑，最常見的一種是使用以硅為主要材料的固體裝置，另一種則是使用光敏染料分子來捕獲光子的能量。染料分子吸收光子能量后將使半導體中的帶負電的電子和帶正電的空穴分離。

本方案采用IP113S光電介質轉換芯片為核心，硬件結構如圖2所示。IP113S是一款單芯片快速以太網(wǎng)媒體轉換器，包含3端口10/100 Mb /s物理層收發(fā)器、3個完整的MAC單元（帶有1個二層交換器）以及緩存的高性能以太網(wǎng)快速交換電路，支持10Base-TX、100Base-TX和100Base-FX，支持10 M/100 M和全雙工/半雙工自適應功能，16 KBx32的SRAM（靜態(tài)隨機存取存儲器）緩沖區(qū)，其帶寬可達1 Gb/s，具有低功耗、功能齊全和易于調試等特點。光電轉換部分所有狀態(tài)信息以及控制工作方式都是通過對IP113S內部的128個寄存器的讀寫操作完成的。本方案選用了CPUC/CPUIO方式，把光電轉換部分上的IP113S作為從設備，網(wǎng)管控制部分上的LPC2210作為主設備，使網(wǎng)管控制部分可以通過CPU接口監(jiān)控光電轉換部分。另外可以根據(jù)需要擴展多個光電轉換部分，與遠程的上位機進行通信。

2.2 網(wǎng)管控制電路

網(wǎng)管控制電路部分包括ARM最小系統(tǒng)，以太網(wǎng)接口電路，鍵盤、LCD接口電路和溫度檢測電路，其硬件結構圖如圖3所示。采用LPC2210處理器進行控制，該處理器是NXP公司16/32位144引腳ARM7TDMI-S微控制器，支持實時仿真和嵌入式跟蹤的處理器，資源豐富，應用廣泛。復位電路使用了帶I2C存儲器的監(jiān)控芯片CAT1025JI-30，復位門檻電壓3.0~3.15 V，提高了系統(tǒng)的可靠性。該處理器片內只有16 KB片內靜態(tài)RAM，需要擴展RAM，本系統(tǒng)擴展了8 MB的PSRAM（MT45W4MW16）作為程序的運行空間。該控制器沒有片內Flash，因此需要外部擴展存儲器，本系統(tǒng)所擴展的存儲器有2 MB的NOR Flash（SST39VFl60），用來存儲引導程序，系統(tǒng)啟動時引導內核和文件系統(tǒng)。16MB的NAND Flash（K9F2808-UOC），用來存儲μCLinux內核，文件系統(tǒng)和應用程序。采用了2.2英寸的TFT6758液晶模塊，其工作電壓為3.3 V，與整個系統(tǒng)的供電相同，便于供電。為了得到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，采用16位總線接口。溫度檢測電路以溫度傳感器LM75為核心，通過I2C接口和LPC2210連接。LM75可測量的溫度為-55~125℃，工作電壓為3.3~5.5 V，可以將溫度直接轉換為數(shù)字值，通過微控制器直接讀取，使用方便。

在電子裝置中，可靠的電源電路設計關系到整個系統(tǒng)的正常工作，所以為了保證本控制單元可靠工作，在設計中采用2組電源冗余工作方式，只要有一路電源能正常工作，整個系統(tǒng)就能正常工作。

3 系統(tǒng)軟件結構設計

3.1 構建嵌入式軟件平臺

本方案采用源代碼開放的μCLinux內核作為操作系統(tǒng)。μClinux是一個完全符合GNU/GPL公約的操作系統(tǒng)，完全開放源代碼，現(xiàn)在由Line公司支持維護。μClinux的發(fā)音是you-see-linux，它的名字來自于希臘字母μ和英文大寫字母C結合。μ代表“微小”之意，字母C代表“控制器”，所以從字面上就可以看出它的含義，即“微控制領域中的Linux系統(tǒng)”。傳承了Linux的優(yōu)點。Linux 操作系統(tǒng)最突出優(yōu)點是強大的網(wǎng)絡管理功能，基本上所有的網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡接口都可以在Linux上找到，Linux的內核比標準的UNIX處理網(wǎng)絡協(xié)議更加高效，系統(tǒng)的網(wǎng)絡吞吐性能更好，這也是Linux網(wǎng)絡服務器市場上占據(jù)較大的市場分額的重要原因。對于小型的SOHO路由器，Linux的網(wǎng)絡技術無疑是其開發(fā)運行的最佳選擇，Linux完全能對給其提供全方位的網(wǎng)絡技術支持。μClinux是基于Linux開發(fā)的，繼承了Linux的強大網(wǎng)絡管理功能，許多資料可以在Internet上方便下載。軟件的開發(fā)環(huán)境是標準的交叉開發(fā)環(huán)境，包括主機和目標機2部分，主機為一臺運行Redhat Linux9.0的PC機，目標機為網(wǎng)管控制部分。

3.2 主控程序設計

主控程序實現(xiàn)了網(wǎng)管部分對光電轉換部分上IP113S寄存器的可讀/寫功能，從而使網(wǎng)管可以實時監(jiān)控各光電轉換部分的工作。本方案把監(jiān)控程序寫入CGI程序中，更好地實現(xiàn)其功能。信息采集程序負責采集每塊光電卡的狀態(tài)信息，其主要任務是根據(jù)客戶的命令輪詢機架上的光電卡，通過光電卡上的光電介質轉換芯片IP113S來獲取各寄存器的信息?？刂瞥绦蛑饕δ苁强蛻舭芽刂茢?shù)據(jù)寫入IP113S的寄存器中，從而控制光電卡的一些狀態(tài)，比如用于設置光電轉換部分的工作模式，實現(xiàn)光纖收發(fā)的遠程管理，包括：遠端卡信息查詢、設置、通路檢測和流量限速等，其監(jiān)控系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

3.3 液晶顯示程序

當網(wǎng)絡控制模塊取得光纖收發(fā)模塊、機箱溫度等數(shù)據(jù)時，需要在本地實時地在液晶顯示屏上顯示，做到實時監(jiān)控。目前市場上成熟的GUI有很多，但它們均存在一些不足，嵌入式GUI要求小型化、占用資源少、反應快捷、可靠性高、成本低，這里在設計時GUI系統(tǒng)時充分考慮了這些要求，采用了線程消息機制。該GUI體系主要采用C/S多線程的體系結構，在系統(tǒng)中服務器線程主要實現(xiàn)對輸入設備（鍵盤和觸摸屏）事件的獲取，而客戶端線程主要完成對事件的響應，包括輸出設備的控制。在該微型可配置GUI體系結構中，主要分為輸入抽象層、圖形抽象層、消息相應層、圖形設備接口層、控件層等。該系統(tǒng)具有良好的層次性，并且開放了底層的圖形設備接口層，使用戶能根據(jù)自己需要簡單自由配置，在控件層定義了統(tǒng)一的控件結構體，使用戶對控件的管理更直觀便捷。

3.4 Web網(wǎng)絡管理

3.4.1 BOA服務器

BOA 服務器是一個小巧高效的web服務器，是一個運行于unix或linux下的，支持CGI的、適合于嵌入式系統(tǒng)的單任務的http服務器，源代碼開放、性能高。

本系統(tǒng)采用瘦服務器-胖客戶端的模式，使用C語言實現(xiàn)一個簡化的HTTP機制，設計高效精簡的Web服務器。嵌入式Web服務器不同于一般的服務器，考慮到系統(tǒng)的資源有限，因此設計具有很強的針對性。本文采用BOA+CGI技術，通過編寫CGI外部擴展程序，實現(xiàn)Web技術?？梢詫@取/設置系統(tǒng)的信息和光電轉換部分的狀態(tài)信息發(fā)給客戶端。BOA的執(zhí)行流程圖如圖5所示。

3.4.2 CGI程序設計

CGI（Common Gateway Interface）是外部應用擴展程序與WWW服務器交互的一個標準接口，其流程圖如圖6所示。CGI程序通過Web服務器的調用實現(xiàn)與Web瀏覽器的交互，Web服務器將Web瀏覽器發(fā)送來的信息傳送給CGI程序，由CGI程序進行處理，CGI程序在處理完后將響應結果再回送給Web服務器，然后再由Web服務器發(fā)送到Web瀏覽器。如果需要調用其他外部應用，如數(shù)據(jù)庫服務等，均由CGI程序去與外部應用進行交互。本方案模塊中涉及到的Web頁面通過Deamweaver8來設計完成，如：login.htm、relogin.htm、menu.htm等。

4 結論

針對目前網(wǎng)絡監(jiān)控中心不能實時，有效地對光纖收發(fā)器的狀態(tài)進行遠程監(jiān)控的問題，采用基于32位ARM7處理器的在線檢測系統(tǒng)，經(jīng)軟硬件聯(lián)調，實驗表明，該系統(tǒng)達到預期要求，具有界面友好、操作方便、多功能等特點，并充分結合了B/S模式與C/S模式的優(yōu)點，具有較大的社會價值，比較適用于電信級的應用。但是該系統(tǒng)還有很多的不足，需要在功能、效率以及穩(wěn)定性上改進，如增加對數(shù)據(jù)庫的支持、多進程的支持、實時性支持等。