基于RS-485总线的机架式网管光收发器的实现

　　摘要： 基于RS-485总线的特点实现了机架式网管型光收发器的级联，从而大大提高了网管的可靠性并且减低了设计成本，实际应用效果良好。

　　关键词： RS-485总线;网管光收发器;单片机

　　引言

　　随着网络通信的发展，网络硬件的安全、可靠性日益显得尤为重要。由于实际的需要，微机与微机，微机与单片机之间经常需要进行远程数据通信，串行通信是主要的通信手段。与并行通信相比，尽管它通信速度较慢，但具有传输线少、传输距离长、连接简单、数据传输可靠性高等特点，因此在通信系统中得到了广泛的应用。在带网管的机架式光纤收发器系统中，在各机架间，采用RS-485串行总线，可通过机房的控制中心，与机架上的网管板进行通信，从而实现对所有的近/远端光纤收发器进行监控和管理，实现了系统网络预防和及时维护功能，提高网络运营商对用户的服务质量。

　　系统硬件设计

　　目前，有多种接口标准可用于串行通信，其中包括RS-232C，RS-422，RS-423和RS-485。RS-232C是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。其后发展起来的RS-422，RS-485是平衡传送的电气标准，比起RS-232C非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度提高。RS-485串行接口的电气标准实际上是RS-422的变型，它属于七层OSI(开放系统互连)模型物理层的协议标准。依赖其性能优异、结构简单、容易组网的优点，RS-485总线标准得到了越来越广泛的应用。

　　机架式网管光收发器系统

　　网管光收发器是指带有网管功能的光纤收发器，其网管系统是专门对机箱内的光纤收发器模块、光纤链路远程监控和管理的系统，为用户提供基于Windows XP/Windows 2000系统、管理站——代理模式的远程管理解决方案。适用于构建宽带城域网的地方，为用户提供光纤IP网络解决方案。一般来说，一个单一的机架式网管光收发器主要有2部分组成：网管板和收发板。在本系统中，对单个机架来说，网管板必须要包括一个嵌入式模块和一个MCU。一块网管板可以监控和管理15个收发板。网管板通过CPU接口(CPUC和CPUIO)负责收集收发器的各种工作状态信息并传到PC机上的网管中心，这样就完成整个网管收发器系统进行监控和管理。单个机架的网管收发器的总体框图如图1。

图 1 单机架网管收发器系统框图

　　网管中心与网管板是多对多的关系，对一个网管板来说网管中心最多为三个，网管板以组的方式管理收发板，分为4组，每组管理4片收发板。

　　RS-485总线在系统中的应用

　　当在局端要管理多个机架时，为了节约成本(节省网管板中的嵌入式模块)，我们可以用RS-485总线将各个机架中的网管板级联起来，从而也将多个机架级联起来。一般的RS-485网络是一个主机(一个主机架)、多个从机(从机架)，每个从机分配唯一的地址，工作时采用命令/应答的通信方式，每一个命令帧都对应着一种应答帧，其他从机对命令不予理睬。这种问答式的通信方式极大提高了数据传输的可靠性，但是相对于RS-232C等全双工总线，效率低了许多。在本设计中，主网管板上的嵌入式模块通过RS-485总线监控和管理自己板卡上的单片机(MCU)和其它从网管板上的单片机。机架式网管光收发器级联如图2。

图 2  机架式网管光收发器级联

　　该机架式网管光收发器系统的核心部分是网管板部分，主机架的网管板主要有3个模块构成：

　　·嵌入式网络模块：是以网络数据通讯为特色的嵌入式PC 模块，配有Flash、串口、以太网接口、GPIO、精简ISA 总线、实时时钟、LCD 接口、矩阵键盘接口等板载资源;采用BC3.1 作为开发调试工具;支持RS-232/RS-485 数据通讯、常规TCP/IP 应用、NAT 路由、无线网关、FTP 服务器、Web 服务器等多种应用;可用于通讯管理、工业控制。本设计中，嵌入式网络模块遵循TCP协议与网管中心通信。通过RS-485接口与本板和其它网管板上的MCU通信。

　　·MCU模块：MCU部分选用SM89516A。它是一种内嵌64K字节内存和1K字节片上RAM的8位单片微控制器。它是8052微控制器家族的派生产品。SM89516A的PLCC封装具有多达36个I/O口，且片上多达64K字节的内存既可以当作程序空间，又可以当作数据空间，或者数据和程序混合空间。由于这些硬件特性和强大的指令系统，使得它成为一种性价比很高的控制器。本设计中SM89516A主要负责与嵌入式网络模块通信，并且和所在网管板下面的4组(即16个)收发板通信。每组只需一个CPUC(时钟线)线和CPUIO(输入输出线)线即可实现通信。

　　·RS-485接口模块：RS-485接口模块是由SN75LBC184组成。它是美国TI公司生产的一种RS-485接口芯片，可在总线上连接64个收发器。RS-485接口芯片在使用、焊接或设备的运输途中都有可能受到静电的冲击而损坏，SN75LBC184不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击。其工作原理如图3所示。发送使能端DE为高电平，SN75LBC184作为发送器，数据从第4引脚输入，第6、7引脚输出，其中7引脚输出信号的非;接收使能RE为高电平，SN75LBC184作为接收器，信号从6引脚或7引脚输入，1引脚输出口。RS-485接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过RS-485接收器的极限接收电压，即大于+12V或小于-7V时，接收器就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。因此设计中电路使用了高速光电耦合器将信号隔离，彻底消除共模电压的影响。

图 3  SN75LBC184逻辑功能图

　　从机架的网管板主要由后面2个模块构成，没有嵌入式网络模块，其他部分和主网管板一样。通过RS-485总线的级联，达到了节约成本的目的。

　　软件设计

　　软件部分主要分为网管板和网管中心通信，网管板和光纤收发板通信，主网管板和从网管板之间通信三部分。网管中心提供基于TCP完成端口异步模式服务监听接口，网管板提供基于TCP非阻塞的客户端接口。网管中心用数据库记录来自主网管板的信息，这个信息包括：网管板注册信息、工作模式设置、速率设置、收发板注册信息，软件升级等。这部分可用VC++实现。网管板里面的单片机通过CPU接口访问光纤收发器板。CPU 接口与SMI接口(MDC、MDIO)类似。一对CPU接口(CPUC、CPUIO)线最多可以管理4片收发板芯片。CPUC 最大为2.5MHz。单片机固定轮询收发板，实时更新收发板数据信息，在单任务操作系统环境限制下最大的实现上报数据的实时性。这部分可以用单片机C语言实现。主网管板和从网管板之间的通信主要是嵌入式处理模块和单片机SM89516A之间通过RS-485总线来通信。由于RS-485总线是异步半双工的通信总线，在某一个时刻，总线只可能呈现一种状态，所以这种方式一般适用于主机对分机的查询方式通信，总线上必然有一台始终处于主机地位的设备在巡检其它的分机，所以需要制定一套合理的通信协议来协调总线的分时共用。这里采用的是数据包通信方式，通信数据是成帧成包发送的，每包数据都有引导码、长度码、地址码、命令码、内容、校验码等部分组成。其中引导码是用于同步每一包数据的引导头;长度码是这一包数据的总长度;命令码是主机对分机(或分机应答主机)的控制命令;地址码是分机的本机地址号;“内容”是这一包数据里的各种信息;校验码是这一包数据的校验标志，可以采用奇偶校验、和校验等不同的方式。单片机SM89516A主要记录来自自己机架上的光纤收发板的各种信息，如工作模式、光口状态、速率模式、故障管理等和管理与远端光纤收发器的通信。

　　结语

　　RS-485总线，具有高噪声抑制、宽共模范围、长传输距离、冲突保护且组网方便等优点，本文介绍了一种基于RS-485总线的机架式网管光收发器的设计，在该系统中，主网管板与各从网管板单片机之间采用了RS-485串行通信总线，大大节约了成本，同时使网管网络的连线简洁、传输距离长、信号传输稳定可靠，取得了良好的控制效果。

　　参考文献：

　　1. 李朝青，单片机原理及接口技术，航空航天大学出版社，2006

　　2. RS-485 - guide [ EB/ OL ]，广州周立功单片机发展有限公司，2007