嵌入式同步時(shí)鐘系統的設計與實(shí)現

摘    要：本文介紹了一種基于嵌入式微控制器MSP430構建的嵌入式同步時(shí)鐘系統的設計與實(shí)現方案，在實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘同步的基礎上又提供了方便易用的網(wǎng)絡(luò )管理接口。
關(guān)鍵詞：同步時(shí)鐘；MSP430單片機；數字鎖相環(huán)；CPLD

同步時(shí)鐘系統是同步設備中實(shí)現同步通信的核心，因此，要實(shí)現數字同步網(wǎng)的設備同步就要求同步時(shí)鐘系統一方面要能提供精確的定時(shí)同步，另一方面還要能方便實(shí)現網(wǎng)絡(luò )管理中心對同步時(shí)鐘的管理。本文詳細介紹了利用嵌入式微控制器MSP430單片機和數字鎖相環(huán)(DPLL)來(lái)實(shí)現嵌入式同步時(shí)鐘系統的方案和設計實(shí)例。

圖1  嵌入式同步時(shí)鐘系統結構圖

圖2  I/O接口模塊設計原理圖

圖3  時(shí)鐘定時(shí)模塊的邏輯連接圖

圖4  MSP430單片機與以太網(wǎng)控制器RTL8019AS的連接示意圖

圖5  同步時(shí)鐘運行過(guò)程圖

系統總體結構
同步設備的同步時(shí)鐘系統要求能達到3級時(shí)鐘標準，可使用從SDH網(wǎng)絡(luò )上提取的時(shí)鐘或外部時(shí)鐘源來(lái)作為同步的基準時(shí)鐘信號，同時(shí)也可以通過(guò)時(shí)鐘模塊自振來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號。產(chǎn)生的這些同步時(shí)鐘信號為同步設備進(jìn)行SDH傳輸和為設備各單板提供同步時(shí)鐘源，同時(shí)同步時(shí)鐘系統還要能夠通過(guò)以太網(wǎng)口和網(wǎng)管通信，從而實(shí)現對同步時(shí)鐘系統的網(wǎng)絡(luò )管理。為了使時(shí)鐘系統能穩定可靠地工作，通常還要求有兩塊時(shí)鐘板同時(shí)在線(xiàn)，一塊處于正常工作狀態(tài)，另一塊則處于熱備份工作狀態(tài)。隨時(shí)可以進(jìn)行時(shí)鐘的無(wú)縫切換。
在功能上，本系統可以分為I/O接口模塊、時(shí)鐘定時(shí)模塊和控制通信模塊三部分。系統結構如圖1所示。
I/O接口模塊
本模塊由時(shí)標選擇和分頻控制驅動(dòng)兩部分組成。時(shí)標選擇部分主要完成對外部輸入時(shí)鐘信號的緩沖、解碼，通過(guò)單片機選擇其中的一路輸入產(chǎn)生DPLL的參考時(shí)標。該系統可支持2路SDH上傳輸的19440KHz信號輸入和2路G.703標準的2048KHz或2048Kbps的信號(支持75W和120W兩種阻抗比配方式)。
分頻控制驅動(dòng)部分對DPLL給出的信號進(jìn)行分頻，形成19.44MHz和6.48MHz信號，根據主/備用信號控制輸出。最后由驅動(dòng)電路形成8路19.44MHz和10路6.48MHz的輸出信號送交同步設備各單板。
時(shí)鐘定時(shí)模塊
DPLL完成時(shí)鐘定時(shí)模塊的核心功能。DPLL利用外來(lái)的時(shí)標信號，使其處于跟蹤方式工作；同時(shí)也可利用單片機將控制信號送到其內部，使其運行在保持或自由振蕩方式。DPLL在工作的同時(shí)又給出自身的工作狀態(tài)，如跟蹤、保持、自由振蕩、失鎖、失效、丟失外標信號等情況報告，通過(guò)將這些信息送交單片機再上報給網(wǎng)管系統來(lái)實(shí)現對時(shí)鐘系統的監控。
控制通信模塊
此模塊包括單片機和以太網(wǎng)接口模塊兩部分，主要完成主備時(shí)鐘板間的通信、監控并上報時(shí)鐘工作狀態(tài)、接收并執行網(wǎng)管下發(fā)的指令。通過(guò)以太網(wǎng)接口和網(wǎng)管通信，將網(wǎng)管下發(fā)的指令處理后分發(fā)給各時(shí)鐘模塊，同時(shí)再把從時(shí)鐘模塊收集來(lái)的信息上報給網(wǎng)管。

系統的設計實(shí)現
I/O接口模塊
首先，外部輸入時(shí)鐘信號經(jīng)過(guò)輸入緩沖/解碼器進(jìn)行緩沖和解碼后變成標準TTL/CMOS電平再送交CPLD處理。當CPLD收到時(shí)鐘輸入信號時(shí)通過(guò)單片機送來(lái)的選擇信號使能一路時(shí)標輸入信號，并通過(guò)分頻處理輸出到DPLL。最后，DPLL產(chǎn)生的同步時(shí)鐘信號通過(guò)輸出驅動(dòng)器生成多路需要的輸出信號送到同步設備各單板。其設計原理圖如圖2所示。
輸入解碼器通過(guò)專(zhuān)用的商用芯片來(lái)實(shí)現對符合ITU-T  G.703接口的2Mbps時(shí)鐘信號源進(jìn)行解碼和對符合ITU-T  G.703接口的2MHz時(shí)鐘源信號和19.44MHz時(shí)鐘源信號進(jìn)行緩沖，給下一級輸出標準TTL/CMOS兼容的信號。輸出驅動(dòng)器也采用專(zhuān)用的商用時(shí)鐘驅動(dòng)芯片將同步時(shí)鐘產(chǎn)生的G.813標準的時(shí)鐘信號輸出給同步設備的各單板使用。
對于兩路2.048M和兩路19.44M信號的輸入，在CPLD內部構建三個(gè)二選一的多路選擇器來(lái)選擇其中一路信號使能輸入。這三個(gè)多路選擇器的選擇使能信號存儲在一個(gè)寄存器中，通過(guò)向其中寫(xiě)入不同的值來(lái)使能選擇相應的一路輸入信號。再構建分頻電路對選出的信號進(jìn)行分頻，從而產(chǎn)生時(shí)標信號輸出到DPLL的時(shí)標信號輸入端。
時(shí)鐘定時(shí)模塊
考慮到設計的精度與復雜性，此模塊利用現有的時(shí)鐘定時(shí)單元來(lái)構建DPLL，使設計的周期大大縮短，穩定性得到保證。
該模塊采用JWF02時(shí)鐘模塊，它是一獨立元件，使用方便。它能自適應8K、2048K/1544K、10M、19.44MHz四種參考時(shí)標輸入；同時(shí)可支持以1KHz的步長(cháng)從1KHz到20MHz的用戶(hù)編程輸入參考時(shí)標；用戶(hù)可以選擇8K/2048KHz或38.88MHz/19.44MHz輸出。JWF02時(shí)鐘模塊串口和單片機的串口相連，接收傳送來(lái)的時(shí)鐘調節指令；時(shí)鐘輸入腳接由I/O接口模塊選擇的時(shí)標信號；時(shí)鐘輸出端口將產(chǎn)生的同步時(shí)鐘傳送到輸出驅動(dòng)器驅動(dòng)輸出到同步設備各單板；其時(shí)鐘工作狀態(tài)也可由輸出部分送單片機供監控。其邏輯連接圖如圖3所示。
控制通信模塊
該模塊是整個(gè)嵌入式同步時(shí)鐘系統的控制中心。它接收到網(wǎng)管下達的指令，并將這些指令實(shí)施到時(shí)鐘定時(shí)模塊，再將時(shí)鐘的工作狀態(tài)通過(guò)以太網(wǎng)接口上報給網(wǎng)管，從而實(shí)現對同步時(shí)鐘系統的網(wǎng)絡(luò )管理。
該模塊中的單片機采用TI公司的FLASH型16位MSP430F149嵌入式微控制器。采用C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用IAR公司提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境：IAR Embedded Workbench嵌入式工作臺以及調試器C-SPY，大大提高了開(kāi)發(fā)的進(jìn)度。
以太網(wǎng)接口模塊采用RealTek公司的RTL8019AS全雙工以太網(wǎng)控制器，處理以太網(wǎng)協(xié)議并實(shí)現以太網(wǎng)數據的收發(fā)。要接收和發(fā)送數據包都必須通過(guò)DMA讀寫(xiě)RTL8019AS內部自帶的16K的RAM來(lái)實(shí)現。RTL8019AS內部支持local DMA和remote DMA兩種操作方式，外部通過(guò)RJ45接口與以太網(wǎng)進(jìn)行連接通信。該模塊的連接圖如圖4所示。
通信控制模塊主要由軟件來(lái)實(shí)現。首先需要對RTL8019AS以太網(wǎng)控制器的內部寄存器進(jìn)行配置，使其能完成以太網(wǎng)數據幀的順利收發(fā)。這部分由三個(gè)函數組成：初始化，接收分組和發(fā)送分組。初始化函數完成以太網(wǎng)控制器的上電復位、MAC地址的配置、收發(fā)緩沖環(huán)首尾地址的配置以及DMA的初始化和收發(fā)數據格式的定義等。接收時(shí)，通過(guò)讀取RTL8019AS的當前寄存器CURR和邊界寄存器BNRY的值來(lái)確定接收環(huán)中是否有分組存在，當兩者的值相等時(shí)(有分組)，啟動(dòng)remote DMA將接收環(huán)中的以太網(wǎng)幀送交給單片機處理。發(fā)送數據時(shí)，單片機將封裝好的以太網(wǎng)幀通過(guò)remote DMA送到RTL8019AS的發(fā)送緩沖環(huán)，同時(shí)再啟動(dòng)local DMA將數據幀送到以太網(wǎng)線(xiàn)路上傳輸。
要實(shí)現同網(wǎng)管的順利通信，系統還要實(shí)現對以太網(wǎng)數據幀的封裝與拆封，以及對IP分組的處理等，這些都可以通過(guò)在單片機內部構造諸如TCP/IP等相應的協(xié)議棧來(lái)處理。單片機收到網(wǎng)管傳輸來(lái)的以太網(wǎng)數據幀后，先去除封裝的頭部，提取出網(wǎng)管下發(fā)的指令，再由單片機執行相應操作，實(shí)現網(wǎng)管對時(shí)鐘的配置管理。同時(shí)，單片機通過(guò)查詢(xún)時(shí)鐘系統的工作狀態(tài)，將它們進(jìn)行編碼后封裝到標準的以太網(wǎng)幀中通過(guò)以太網(wǎng)送到網(wǎng)管中心，作為監控同步時(shí)鐘系統的信息使用。
另外，通過(guò)使用MSP430F149內的另一個(gè)串口同另一塊時(shí)鐘板上的單片機串口相連接，實(shí)現兩塊板之間的通信，保證在主用時(shí)鐘發(fā)生錯誤時(shí)能及時(shí)啟動(dòng)切換，做到始終有一個(gè)正常的時(shí)鐘處于工作狀態(tài)，提高系統的可靠性。

系統運行過(guò)程
嵌入式同步時(shí)鐘系統的運行過(guò)程如圖5所示。

結語(yǔ)
本文給出了嵌入式同步時(shí)鐘系統的設計方案和具體實(shí)現。在設計中采用嵌入式設計的方法把同步定時(shí)時(shí)鐘部分和網(wǎng)絡(luò )通信部分嵌入到同一塊電路板上，使系統既降低了成本又方便了在線(xiàn)維護，可用作諸如路由器、交換機等同步網(wǎng)絡(luò )設備中的時(shí)鐘模塊?！?/p>

參考文獻
1 魏小龍. MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統設計實(shí)例. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2002.11
2 JWF02 TIMING UNIT Data Sheet. Hutchison Optel Telecom Technology Corporation ,2002