信息化建設(shè)的突飛猛進(jìn)，人們對(duì)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(hào)傳輸100米，在傳輸距離和覆蓋范圍方面已不能適應(yīng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)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(hào)和長(zhǎng)距離的光信號(hào)進(jìn)行互換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元，在很多地方也被稱之為光電轉(zhuǎn)換器（Fiber Converter）。產(chǎn)品一般應(yīng)用在以太網(wǎng)電纜無法覆蓋、必須使用光纖來延長(zhǎng)傳輸距離的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，且通常定位于寬帶城域網(wǎng)的接入層應(yīng)用；同時(shí)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(luò)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(yuǎn)距離控制等。針對(duì)這些問題該系統(tǒng)采用基于Web技術(shù)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(yīng)用軟件，就可以把采集到的數(shù)據(jù)以動(dòng)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(yuǎn)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(shí)數(shù)據(jù)包不會(huì)沿著已經(jīng)發(fā)生故障的線路繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，造成大量丟包。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架式結(jié)構(gòu)，便于網(wǎng)管模塊對(duì)各個(gè)光電轉(zhuǎn)換模塊統(tǒng)一管理和供電。系統(tǒng)主要可分為光電轉(zhuǎn)換電路、網(wǎng)管控制電路、溫度檢測(cè)電路、液晶顯示電路和供電電源電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

光電轉(zhuǎn)換電路主要功能是將適合在電纜中傳輸?shù)碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)；網(wǎng)管控制電路主要功能是PC機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制光電轉(zhuǎn)換部分，即一個(gè)網(wǎng)管模塊控制多個(gè)光電轉(zhuǎn)換模塊；液晶顯示電路主要功能是把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在液晶屏上顯示，以便進(jìn)行本地監(jiān)控；供電電源電路主要為所有的光電轉(zhuǎn)換電路和網(wǎng)絡(luò)控制電路提供必要的電源。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 光電轉(zhuǎn)換電路

光電轉(zhuǎn)換過程的原理是光子將能量傳遞給電子使其運(yùn)動(dòng)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(dǎo)體中的帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴分離。

本方案采用IP113S光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片為核心，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。IP113S是一款單芯片快速以太網(wǎng)媒體轉(zhuǎn)換器，包含3端口10/100 Mb /s物理層收發(fā)器、3個(gè)完整的MAC單元（帶有1個(gè)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(yīng)功能，16 KBx32的SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）緩沖區(qū)，其帶寬可達(dá)1 Gb/s，具有低功耗、功能齊全和易于調(diào)試等特點(diǎn)。光電轉(zhuǎn)換部分所有狀態(tài)信息以及控制工作方式都是通過對(duì)IP113S內(nèi)部的128個(gè)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(zhuǎn)換部分上的IP113S作為從設(shè)備，網(wǎng)管控制部分上的LPC2210作為主設(shè)備，使網(wǎng)管控制部分可以通過CPU接口監(jiān)控光電轉(zhuǎn)換部分。另外可以根據(jù)需要擴(kuò)展多個(gè)光電轉(zhuǎn)換部分，與遠(yuǎn)程的上位機(jī)進(jìn)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(cè)電路，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。采用LPC2210處理器進(jìn)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(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的處理器，資源豐富，應(yīng)用廣泛。復(fù)位電路使用了帶I2C存儲(chǔ)器的監(jiān)控芯片CAT1025JI-30，復(fù)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(nèi)只有16 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，需要擴(kuò)展RAM，本系統(tǒng)擴(kuò)展了8 MB的PSRAM（MT45W4MW16）作為程序的運(yùn)行空間。該控制器沒有片內(nèi)Flash，因此需要外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，本系統(tǒng)所擴(kuò)展的存儲(chǔ)器有2 MB的NOR Flash（SST39VFl60），用來存儲(chǔ)引導(dǎo)程序，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)引導(dǎo)內(nèi)核和文件系統(tǒng)。16MB的NAND Flash（K9F2808-UOC），用來存儲(chǔ)μCLinux內(nèi)核，文件系統(tǒng)和應(yīng)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(gè)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(cè)電路以溫度傳感器LM75為核心，通過I2C接口和LPC2210連接。LM75可測(cè)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)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(shè)計(jì)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(gè)系統(tǒng)就能正常工作。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 構(gòu)建嵌入式軟件平臺(tái)

本方案采用源代碼開放的μCLinux內(nèi)核作為操作系統(tǒng)。μClinux是一個(gè)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(hù)。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(jié)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(lǐng)域中的Linux系統(tǒng)”。傳承了Linux的優(yōu)點(diǎn)。Linux 操作系統(tǒng)最突出優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理功能，基本上所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)接口都可以在Linux上找到，Linux的內(nèi)核比標(biāo)準(zhǔn)的UNIX處理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更加高效，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)吞吐性能更好，這也是Linux網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器市場(chǎng)上占據(jù)較大的市場(chǎng)分額的重要原因。對(duì)于小型的SOHO路由器，Linux的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無疑是其開發(fā)運(yùn)行的最佳選擇，Linux完全能對(duì)給其提供全方位的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持。μClinux是基于Linux開發(fā)的，繼承了Linux的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)的交叉開發(fā)環(huán)境，包括主機(jī)和目標(biāo)機(jī)2部分，主機(jī)為一臺(tái)運(yùn)行Redhat Linux9.0的PC機(jī)，目標(biāo)機(jī)為網(wǎng)管控制部分。

3.2 主控程序設(shè)計(jì)

主控程序?qū)崿F(xiàn)了網(wǎng)管部分對(duì)光電轉(zhuǎn)換部分上IP113S寄存器的可讀/寫功能，從而使網(wǎng)管可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各光電轉(zhuǎn)換部分的工作。本方案把監(jiān)控程序?qū)懭隒GI程序中，更好地實(shí)現(xiàn)其功能。信息采集程序負(fù)責(zé)采集每塊光電卡的狀態(tài)信息，其主要任務(wù)是根據(jù)客戶的命令輪詢機(jī)架上的光電卡，通過光電卡上的光電介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片IP113S來獲取各寄存器的信息。控制程序主要功能是客戶把控制數(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(shè)置光電轉(zhuǎn)換部分的工作模式，實(shí)現(xiàn)光纖收發(fā)的遠(yuǎn)程管理，包括：遠(yuǎn)端卡信息查詢、設(shè)置、通路檢測(cè)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊取得光纖收發(fā)模塊、機(jī)箱溫度等數(shù)據(jù)時(shí)，需要在本地實(shí)時(shí)地在液晶顯示屏上顯示，做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前市場(chǎng)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(yīng)快捷、可靠性高、成本低，這里在設(shè)計(jì)時(shí)GUI系統(tǒng)時(shí)充分考慮了這些要求，采用了線程消息機(jī)制。該GUI體系主要采用C/S多線程的體系結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中服務(wù)器線程主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入設(shè)備（鍵盤和觸摸屏）事件的獲取，而客戶端線程主要完成對(duì)事件的響應(yīng)，包括輸出設(shè)備的控制。在該微型可配置GUI體系結(jié)構(gòu)中，主要分為輸入抽象層、圖形抽象層、消息相應(yīng)層、圖形設(shè)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(shè)備接口層，使用戶能根據(jù)自己需要簡(jiǎn)單自由配置，在控件層定義了統(tǒng)一的控件結(jié)構(gòu)體，使用戶對(duì)控件的管理更直觀便捷。

3.4 Web網(wǎng)絡(luò)管理

3.4.1 BOA服務(wù)器

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

本系統(tǒng)采用瘦服務(wù)器-胖客戶端的模式，使用C語言實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)化的HTTP機(jī)制，設(shè)計(jì)高效精簡(jiǎn)的Web服務(wù)器。嵌入式Web服務(wù)器不同于一般的服務(wù)器，考慮到系統(tǒng)的資源有限，因此設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的針對(duì)性。本文采用BOA+CGI技術(shù)，通過編寫CGI外部擴(kuò)展程序，實(shí)現(xiàn)Web技術(shù)。可以將獲取/設(shè)置系統(tǒng)的信息和光電轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

CGI（Common Gateway Interface）是外部應(yīng)用擴(kuò)展程序與WWW服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，其流程圖如圖6所示。CGI程序通過Web服務(wù)器的調(diào)用實(shí)現(xiàn)與Web瀏覽器的交互，Web服務(wù)器將Web瀏覽器發(fā)送來的信息傳送給CGI程序，由CGI程序進(jìn)行處理，CGI程序在處理完后將響應(yīng)結(jié)果再回送給Web服務(wù)器，然后再由Web服務(wù)器發(fā)送到Web瀏覽器。如果需要調(diào)用其他外部應(yīng)用，如數(shù)據(jù)庫服務(wù)等，均由CGI程序去與外部應(yīng)用進(jìn)行交互。本方案模塊中涉及到的Web頁面通過Deamweaver8來設(shè)計(jì)完成，如：login.htm、relogin.htm、menu.htm等。

4 結(jié)論

針對(duì)目前網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心不能實(shí)時(shí)，有效地對(duì)光纖收發(fā)器的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題，采用基于32位ARM7處理器的在線檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)軟硬件聯(lián)調(diào)，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期要求，具有界面友好、操作方便、多功能等特點(diǎn)，并充分結(jié)合了B/S模式與C/S模式的優(yōu)點(diǎn)，具有較大的社會(huì)價(jià)值，比較適用于電信級(jí)的應(yīng)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(jìn)，如增加對(duì)數(shù)據(jù)庫的支持、多進(jìn)程的支持、實(shí)時(shí)性支持等。