ЦСРС_1 / Grebeshkov_Tehnika_mikroproz_sistem_v_kommutazii_uchebnik_dlya_vuzov_2011

Техника микропроцессорных систем в коммутации

терфейс применятся в т.н. «периферийном» сканировании для тестирования и проверки печатных плат с установленными микропроцессорами, ПЛИС, микросхемами памяти «flash» на наличие в электроцепях коротких замыканий, непропаек, обрывов дорожек. Следует отметить, что микросхема с возможностью периферийного сканирования может, при необходимости, протестировать соединенные с ней микросхемы.

Еще одним примером реализации узла цифровой связи может являться построение программируемого моста между оптическим трансивером пассивной сети PON и портами MAC-уровня Gigabit Ethernet согласно стандарту IEEE 802.3ah–2004 и IEEE 802.1d для построения пассивных оптических сетей по технологии Ethernet (EPON) [31]. Сеть PON (см. Рек. МСЭ–Т G.983.1) охватывает участок между устройством оптического терминала OLT и оптическими сетевыми устройствами, ONU к которым и подключается пользователь или разветвитель на несколько пользователей. Сеть используется для предоставления услуг Triple-Play: телефонная связь, передача данных и телевидение. Эта сеть доступа переносит данные пользователя, инкапсулированные в Ethernet-кадры (стандарт IEEE 802.3) с использованием кодирования 8B/10B.

При передаче кадров Ethernet через сеть PON фрагментации кадров не происходит, хотя при передаче по EPON происходит модификация преамбулы и заголовка кадра. Мост входит в состав ONU

иможет быть построен на базе СБИС класса «системы–на– кристалле», например типа Mustang 3000 производства компании TranSwitch, чья функциональная блок-схема приведена на рис. 4.9.

Вданном случае мост выполняет функции трансляции кадров управления доступом к среде передачи из оптической сети в проводную сеть с необходимыми преобразованиями кадров. Также мост обеспечивает соединение сети PON и проводной сети Gigabit Ethernet. Через такой мост пройдут только транзитные пакеты между PON

иGigabit Ethernet. Анализ блок-схемы на рис. 4.9 показывает, что рассматриваемый процессор можно рассматривать как сетевой (коммуникационный) процессор. Об этом свидетельствует наличие выделенных машин обработки различных подуровней протоколов

IEEE 802.3.

301

Рис. 4.9 – Мост сети EPON на основе специализированной микросхемы

Мост IEEE 802.1d позволяет процессору обрабатывать как физические MAC-адреса, так и IP-адреса, а также предотвращает зацикливание пакетов согласно протоколу STP. Фильтры групповой передачи позволяет направлять копии пакетов/кадров определенному подмножеству адресатов. Процессор IEEE 802.1Q позволяет поддерживать технологии виртуальных подсетей VLAN для ограничения распространения широковещательных пакетов. Здесь же имеется возможность преобразования поля «Тип обслуживания», TOS согласно RFC 1349 или того же поля «Различимость обслуживания»

302

Техника микропроцессорных систем в коммутации

DS (длина 1 байт) согласно RFC 2474, 2481 в заголовке дейтаграммы протокола IP версии 4 и версии 6. Это необходимо для маркировки и учета объема различных видов IP-трафика, для маршрутизации трафика, для поддержки приоритетов при обработке дейтаграмм и создания VLAN. Возможности VLAN позволяют разделять трафик ЛВС по классам обслуживания COS согласно стандарту IEEE 802.1p.Согласно стандарту IEEE 802.1q процессор приоретизации поддерживает до восьми очередей приоритетов в исходящем и входящем каналах Ethernet, 64 МАС адреса, до 256 вещательных групп. Для хранения пакетов и кадров используется внутренняя память буферизации пакетов.

Для функционирования микросхемы в режиме моста существенное значение имеет машина обработки по стандарту IEEE 802.3– 2008, выполняющая функции протокольного процессора Gigabit Ethernet. Модуль обработки подтипа протокола для OAM выполняет обработку протокольных блоков данных PDU PON для администрирования и управления, OAM PDU, в том числе управление обменом запросами, откликами, событиями и командами управления. Модуль протокола управления многоточечным обменом MPCP используется для определения наличия и назначения MAC-адресов новым устройства ONU в сети. Этот же модуль позволяет рассматривать соединение «точка–много точек» как совокупность нескольких соединений «точка–точка». В результате ONU выделяет во входящем (downstream) потоке сообщений кадры, предназначенные данному ONU. Управление подуровнем MAC осуществляет управление доступом к общей среде передачи информации в комбинации с возможностью схемы «точка-точка». В направлении нисходящего потока (downstream) от OLT к ONU идет широковещательная передача. В направлении восходящего потока (upstream) от ONU к OLT кадры передаются точно к OLT из за свойств направленности пассивного оптического разветвителя.

Разветвитель в данном случае – пассивный оптический многополюсник с n входами и m выходами (в простейшем случае 2x2 или 1x2), в котором энергия оптического излучения, поступающего на входы, делится на выходах симметрично (равномерно) или несимметрично (направленно) между всеми портами согласно рекоменда-

303

Техника микропроцессорных систем в коммутации

циям IEC 60875-1, IEC 61753-2-3, ITU-T G.671 и других. Модуль шиф-

рования обеспечивает, например AES-шифрование как для восходящего так и для нисходящего потока кадров. Наконец, физическое кодирование PCS осуществляется для передачи по волоконнооптической линии связи преобразует код 8B/10B в код двоичный код NRZ и наоборот. Микропроцессор управления осуществляет общий контроль всех компонентов схемы и поддержку программного управления обработки пакетов и кадров. Итак, современные узлы цифровой связи могут быть реализованы как с использованием специализированных микрохсем, так и на базе микросхемных комплектов или наборов микросхем. Далее рассмотрим реализацию устройств цифровой связи.

4.3.2 Реализация устройств цифровой связи

Устройство цифровой связи – аппаратура или прибор циф-

ровой связи, являющийся функционально законченным изделием, которое может применяться как самостоятельно, так и в составе узла связи. Рассмотрим реализацию устройства цифровой связи с использованием специализированной интегральной микросхемы типа Motorola MC34010 [14] для создания цифрового телефонного аппарата с многочастотным набором номера. Данная специализированная микросхема выполняет следующие функции:

многочастотный набор номера, обработка зуммера «Ответ станции» (приѐм вызывного тока), регулирование напряжения в линии и в разговорных цепях;

генерация многочастотных импульсов набора номера DTMF с помощью керамического резонатора;

двух-четырех проводное преобразование в цепях разговорного тока в зависимости от условий подключения;

интерфейс (порт) к микропроцессору для обеспечения функций автоматического набора номера и других сервисов.

Следует отметить, что интегральная микросхема МС34010 не позволяет производить набор номера декадными импульсами, что, безусловно, снижает еѐ функциональность в применении к условиям российских телефонных сетей.

304

Техника микропроцессорных систем в коммутации

Порт к микропроцессору позволяет осуществлять не только дистанционное выполнение команд микропроцессора по набору номера, но также будет обеспечивать микропроцессору возможность интерпретировать входные команды, поступающие с кнопочного номеронабирателя. Использование этого метода позволяет с помощью микропроцессора осуществлять взаимодействие непосредственно по телефонным линиям с персональными компьютерами либо автоматизированными системами управления.

Элементы и часть принципиальной схемы рассматриваемого устройства цифровой связи [14] приведены на рис. 4.9.

Для реализации заявленных функций специализированная микросхема имеет на корпусе специфические внешние выводы (контакты) со следующей функциональностью:

выводы для приѐма информации после нажатия клавиатуры (строка и столбец);

отключение клавиатуры;

последовательный ввод/вывод данных микропроцессора;

направление передачи данных (вывод на схему двухчастотного набора или передача данных в микропроцессор);

выводы генератора тактовой частоты и керамического резонатора;

выводы обратной связи со схемой многочастотного набора номера;

вывод выключения микрофона;

выводы усилителя приѐма и передачи речевого сигнала;

выводы тонального звонка.

Стабилизатор напряжения абонентской линии связи, включая интерфейс абонентского шлейфа, обеспечивает все внутренние электронные цепи телефонного аппарата неизменными по уровню напряжением и током. Стабилизация тока по величине обычно выполняется с использованием проходного транзистора. Проходной транзистор также задает входное сопротивление по постоянному

Техника микропроцессорных систем в коммутации

чтобы подавить громкие звуки, возникающие при двухтональном многочастотном наборе, а также любые раздражающие слух щелчки, вызванные переключением контактов телефонной трубки или кнопок клавиатуры.

Полная схема обработки сигналов тонального номеронабирателя входит в состав интегральной микросхемы МС34010. Она полностью совместима как с 12-ти кнопочной, так и 16-ти кнопочной клавиатурами, применяемыми для набора номера. При нажатии кнопки наборного поля клавиатуры. схема компаратора (сравнения) клавиатуры в составе блока «Схема двухтонального многочастотного набора номер» определяет 3-х разрядные адреса строки и колонки для нажатой кнопки. Эти трехразрядные адреса используются в схемах счетчика/кодирующего устройства, необходимых для формирования тональных сигналов со строго определенными частотами. Меняющаяся 8-ми разрядная цифровая группа (кодовая группа) генерируется кодирующими устройствами строки и колонки матрицы на заданной частоте. Индивидуальные цифро–аналоговые преобразователи строк и колонок матрицы наборного поля преобразуют 8-ми разрядные группы (слова) в соответствующие уровни напряжений аналогового сигнала. Эти синтезированные тональные сигналы смешиваются на операционном усилителе, чтобы сформировать необходимый двухтональный выходной сигнал. Для генерации сигналов с частотами, соответствующими строкам и колонкам матрицы наборного поля, используется решение, обеспечивающее точность воспроизведения частоты тонального сигнала в пределах ±0,16%. В результате в схеме применяется сравнительно дешевый керамический резонатор с рабочей частотой 500 кГц вместо дорого кварцевого стабилизатора для опорной частоты в схеме двухтонального многочастотного набора. Генератор с точностью поддержания частоты ±0,3% в данной интегральной телефонной микросхеме будет обеспечивать точность тонального сигнала в системе многочастотного набора ±0,8%.

При обработке сигналы вызова поступают на вход мостовой схемы по проводам a и b, далее сигнал претерпевает двухполупериодное выпрямление, а его величина ограничивается стабилитронами. Когда напряжение сигнала вызова превышает уровень порогово-

307

Техника микропроцессорных систем в коммутации

го значения, задаваемого резистором, запускается делитель частоты, обеспечивающий отношение частот 8/10. Он будет обеспечивать попеременный двухтональный либо мелодичный (в виде трелей) сигнал, поступающий на выходной усилитель с несимметричным выходом, возбуждающий пьезоэлектрический акустический элемент. Когда напряжение вызывного сигнала снижается ниже порогового уровня, делитель частоты с отношением 8/10 отключается и выходной сигнал вызова перестает звучать. Частота сигнала вызова может подстраиваться с использованием внешних элементов схемы.

Введение в схему микропроцессора расширяет дополнительные возможности аналогового телефона, например:

увеличение объема памяти для телефонных номеров и повторного вызова;

использование цифрового дисплея на жидкокристаллических элементах, либо на светоизлучающих диодах;

возможность визуального отображения на дисплее календаря и часов;

индикация длительности разговора и обратного вызова;

автоматический повторный вызов;

автоответчик.

При выборе микропроцессора наиболее важным фактором является энергопотребление в связи с тем, что питание схемы процессора может осуществляться как от аккумулятора так и от абонентской телефонной линии. Микропроцессор должен сохранять свою работоспособность при очень низких уровнях питающего напряжения, сравнимых с уровнем питания остальных интегральных микросхем. Здесь могут применяться микросхемы, построенные с использованием комплементарных структур на полевых транзисторах со структурой кремний–металл–окисел–полупроводник К–МОП, и схемы интегральной инжекционной логики И2Л. Вторым важным фактором является универсальность и стандартизация параметров микропроцессора, включая его программирование.

Интегральная микросхема компании Motorola МС34010 имеет специальный «Периферийный интерфейсный адаптер», предназначенный для подключения внешнего микропроцессора управления.

308

Техника микропроцессорных систем в коммутации

Схема интерфейса включена в схему номеронабирателя для двухтонального многочастотного набора и подключается к адаптеру с использованием шести линий. Каждый раз при нажатии кнопки номеронабирателя коды строки и колонки матрицы наборного поля преобразуются в 4-х разрядный код схемы декодера клавиатуры. Каждая кнопка наборного поля имеет свой собственный уникальный код, эти коды используются для того, чтобы генерировать требуемые комбинации тональных сигналов. Схема периферийного интерфейса записывает код кнопок клавиатуры в двунаправленный 4-х разрядный регистр сдвига для передачи кода кнопки в микропроцессор. Данные регистра сдвига передаются последовательно в микропроцессор или обратно с использованием шины данных (схема ввода/вывода). Скорость передачи и синхронизация передачи определяются тактовыми (или синхронизирующими) импульсами, посылаемыми микропроцессором по линии синхронизации. МПр также управляет направлением перемещения данных, используя для этого шину управления. Если МПр считывает информацию с номеронабирателя чтобы, например, запрограммировать телефонный номер, на линии направления перемещения данных шины управления присутствует сигнал, соответствующий низкому уровню. При нажатии кнопки номеронабирателя, еѐ код поступает на схему двухтонального многочастотного набора. Этот код также загружается в регистр сдвига интерфейсного адаптера. Каждый последующий отрицательный фронт тактового (синхронизирующего) импульса, поступающий по линии синхронизации, будет сдвигать без сохранения сдвигаемых разрядов один бит за один раз через шину данных, начиная со старшего разряда.

При записи микропроцессором информации, предназначенной для номеронабирателя и необходимой для автоматического набора последнего набранного номера, на линии направления перемещения данных будет логический сигнал высокого уровня. Четыре бита записываются в регистр сдвига через шину данных (схему ввода-вывода), причем первым загружается бит старшего разряда. Для предотвращения введения ошибочных данных запрещается генерирование тонального сигнала до тех пор, пока не будут записаны все 4 бита. После завершения записи микропроцессор возвращает шину управления в исходное состояние, после чего становится возможным гене-

309

Техника микропроцессорных систем в коммутации

рирование тонального сигнала.

В рассматриваемой интегральной микросхеме генерируется два сигнала обратной связи для микропроцессора. Сигнал набора номера приобретает высокий логический уровень, как только будет нажата любая из требуемых кнопок номеронабирателя. После того как кнопка отпускается, логический сигнал возвращается к состоянию с низким уровнем. Вторым сигналом, характеризующим состояние системы, является сигнал «отключения звука». Этот сигнал имеет высокий логический уровень, когда генерируется тональный сигнал и включается режим отключения звука в телефонной трубке. Логический сигнал «Отключение звука»возвращается к состоянию с низким уровнем после того, как закончится генерация тонального сигнала.

За исключением телефонного капсюля, в рассматриваемом телефоне не используется более никаких индуктивных элементов. Полное комплексное сопротивление, коэффициенты усиления, подавление скачков напряжения переходных процессов, а также фильтрация сигналов — все эти параметры настраиваются с использованием готовых к применению (навесных или дискретных) резисторов и конденсаторов. Когда телефонная трубка лежит на рычагах, контакты S1 и S2 находятся в положении, указанном на рис. 4.9. В этом случае телефонный аппарат должен обладать бесконечно большим сопротивлением. Полупроводниковый стабилитрон имеет нелинейную характеристику, которая обеспечивает согласование схемы при изменении уровня напряжения в телефонной линии. Мостовая схема защиты при изменении полярности напряжения собирается с использованием стандартных выпрямительных диодов. Когда телефонная трубка поднята с рычагов, контакты S2 замыкают резистор и конденсатор, чтобы уменьшить входное комплексное сопротивление. По абонентской линии от АТС поступает ток питания микрофона и далее следует зуммер «Ответ станции». Как пороговое значение, определяющее начало прохождения вызывного сигнала, так и значения частоты выходного сигнала могут настраиваться в определенных пределах с использованием внешних элементов интегральной микросхемы. Амплитуда и коэффициент усиления передаваемого сигнала могут изменяться в рассматриваемой интегральной микросхеме независимо.

310