2.2. Проектирование функциональной схемы платы кросс – коммутатора.

2.2.1. Выбор функциональных узлов.

1. Линейный интерфейс Е1.

Многие известные мировые фирмы, такие как, LevelOne,MitelSemiconductor,PMC–Sierraзанимаются выпуском данного типа продукции. Произведя обзор выпускаемой продукции данных компаний, я остановился на линейном интерфейсе фирмыPMC–SierraPM4314.PM4314 является счетверенным линейным интерфейсом Е1/T1, то есть обеспечивает прием и передачу 4-х потоков Е1 в полнодуплексном режиме работы.

Функциональные возможности PM4314:

• Преобразование линейного кода HDB– 3/AMIвNRZкод;

• Определение сигнала LOS– отсутствие электрического сигнала стыка на входе;

• Определение сигнала AIS–сигнал индикации аварийного состояния;

• Подсчет ошибок линейного кода – LCV;

• Выделение тактовой частоты 2048 Кбит/с из каждого потока Е1;

• Встроенный микропроцессорный интерфейс;

• Встроенный Jitter Attenuator;

• Питание – 5В;

Так как нам необходимо обслуживать шесть потоков Е1, то придется использовать два линейных интерфейса PM4314, хотя второй будет задействован не на 100%. Необходимым условием работы интерфейса является наличие внешнего генератора прямоугольных импульсов. Он должен вырабатывать импульсы частотой 49.152 МГц и уровнямиTTLлогики.

2. Узел коммутации.

В качестве узла коммутации данного устройства выберем DSPпроцессор фирмыTexasInstrumentsTMS320VC5421. Данный выбор обусловлен функциональными возможностями процессора.

Функциональные возможности TMS320VC5421:

• 200 MIPS(миллионов операций в секунду);

• Двух ядерная внутренняя архитектура;

• В каждом ядре по 3 шины данных по одной шине программ;

• 40 – битовое АЛУ и два 40 – битовых аккумулятора на каждое ядро процессора;

• Умножитель 17*17 разрядов;

• 16 – разрядная внешняя шина данных;

• Возможность расширения памяти до 512 КСлов;

• Полный объем ОЗУ, размещаемой на кристалле, 256 КСлов;

• Быстрый возврат из прерывания;

• Специальные инструкции по уменьшению энергопотребления;

• Напряжение питания ядер процессора 1.8В;

• Напряжение питания периферийных устройств 3.3В;

• Двенадцать каналов прямого доступа в память (по 6 в каждом ядре);

• Шесть многоканальных буферизированных последовательных портов (МКБСП);

• Встроенные возможности программной подстройки частоты от внешнего источника;

• Два программируемых таймера;

• Программируемый генератор задержек;

• 144 – выводной TQFPкорпус процессора.

Нельзя не сказать, что в основном данный тип процессора был выбран исходя из наличия 6 МКБСП.

Многоканальный буферизированный последовательный порт (МКБСП). Это последовательный скоростной порт. Он имеет возможность читать/записывать данные в память без участия процессора через контроллер ПДП. Кроме того у него существуют многоканальные расширения, совместимые со стандартами Е1, Т1, SCASAиMVIP.

Как и стандартный порт, МКБСП имеет следующие возможности:

• Полнодуплексная работа;

• Двойная буферизация данных – позволяет поддерживать непрерывность потока;

• Независимые тактовые частоты и схемы синхронизации для приема и передачи;

• Прямое подключение стандартных промышленных кодеков, микросхем аналоговых интерфейсов и микросхем ЦАП/АЦП с последовательным интерфейсом.

В дополнении к уже перечисленным МКБСП имеет следующие дополнительные возможности:

• Прямое подключение к шинам:

  • Е1/Т1

  • ST – BUS

  • IOM – 2

  • AC97

  • IIS

  • SPI

• Многоканальный обмен при количестве каналов до 128;

• Переменный размер данных 8, 12, 16, 20, 24 и 32 бита;

• Встроенное u–LawиA-Lawкомпандирование;

• Возможность передачи первым старшего или младшего разряда данных;

• Программируемая полярность сигналов синхронизации и тактовых сигналов данных;

• Гибкое программирование внутренних тактовых импульсов и синхронизации;

МКБСП состоит из канала приема и канала передачи, которые работают полностью независимо. При работе в многоканальном режиме используется временное разделение каналов. При этом возможно указание каналов для которых осуществляется прием и передача данных.

Максимальная тактовая частота МКБСП равна половине тактовой частоты процессора.

Наше внимание привлекает тот факт, что порт имеет прямое подключение к шине Е1, но в данном случае прямое подключение означает не что иное как прямое подключение к фреймеру Е1. То есть если бы мы воспользовались функциями фреймера, который выделял бы нам сигналы цикловой и сверхцикловой синхронизации, то алгоритм коммутации резко бы упростился. Дело в том, что для того чтобы определить номер канального интервала в цикле Е1, необходимо выделить интервал цикловой синхронизации, после которого каждые восемь бит идут 30 канальных интервалов ОЦК каналов (смотри главу 4). Мы же просто будем принимать нужное количество бит от интерфейса Е1 совместно с тактовой частотой. Затем поместим их во внутреннюю память процессора, где с помощью алгоритма выделения синхросигнала, описанного в рекомендации G.706 МККТТ, произведем фазовое выравнивание потоков. Подробнее данный вопрос будет рассмотрен при описании алгоритма работы программыDSPпроцессора.

К сожалению, не удастся использовать возможности встроенного компандера. Если бы мы ими воспользовались, то не смогли бы распознать затем синхросигнал. Поэтому, опять же, операции компандирования, необходимые для организации конференц – связи, придется реализовывать программным путем (смотри главу 4).

К функциям данного функционального узла стоит отнести и сбор отчетов работы интерфейсов Е1. Процессор TMS320VC5421 имеет интерфейс внешнего обмена данными, запатентованный фирмойMotorola. Для того чтобы можно было производить опрос интерфейсов Е1, у которыхIntelшина внешнего обмена данными, необходимо использовать схему подключения изображенную на рис.2.1.. Как видим переход не вызывает особых трудностей.

Рис.2.1. Схема подключения к DSPпроцессору внешних устройств.

При первой загрузке системы программа работы DSP процессора загружается во внутреннюю память, а оттуда во внешнее запоминающее устройство, для того чтобы при сбросе системы или при следующей перегрузке она могла бы быть считана оттуда.

Данный тип DSPпроцессора обладает восемью универсальными входами – выходами. Данные по ним передаются в последовательном виде. Выводы соединяются с устройством управления. Через эти соединенияDSPпроцессор пересылает отчет о своей работе и работе интерфейса Е1. ТакжеDSPвыставляет тактовые импульсы для управляющего устройства, согласно которым и передаются последовательные данные. Загрузка программы с компьютера также осуществляется с помощью универсальных входов- выходов.

DSPпроцессорTMS320VC5421 требует наличие внешнего генератора прямоугольных импульсов. Так как средства процессора позволяют умножать входную частоту в несколько раз, то достаточно будет иметь на входе импульсы частотой в 20 МГц. При этом нужно учитывать, что данный процессор оперирует сLVTTLуровнями. Соответственно, все сигналы, поступающие на входDSP, должны иметьLVTTLуровни (смотри рис.2.2.).

Рис. 2.2. Соответствие логических уровней.

3. Буферы.

В нашем устройстве имеются функциональные элементы, питающиеся разными напряжениями. Так, например, интерфейсы Е1 питаются напряжением +5В, а DSPпроцессор двумя: +3.3В и +1.8В, при этом +3.3В - питание всей периферии, а +1.8В – питание ядер процессора. Для соединения устройств, использующих разные логические уровни, применяются преобразователи уровней.

Один из таких преобразователей – SN74CBTD3384 фирмыTexasInstruments.

Функциональные возможности SN74CBTD3384:

• Преобразование логических уровней из +5В в +3.3В;

• Возможность работы в двух направлениях;

• 10 входов/выходов;

• Возможность установки выводов в ‘третье’ состояние;

• Питание +5В;

КР1533АП5 - буферный усилитель сигнала фирмы Интеграл;

Функциональные возможности КР1533АП5:

• Усилитель сигнала;

• Возможность установки выводов в ‘третье’ состояние;

• 8 входов/выходов;

• Питание +5В;

MAX3223CAP– преобразователь уровней фирмыMAXIM;

Функциональные возможности MAX3223CAP:

• Преобразование логических уровней из 12В в 5В;

• 2 канала передачи и 2 канала приема сигнала;

• Организация интерфейса RS– 232C;

• Питание +5В;

4. Устройство управления.

В качестве устройства управления идеально подходит программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). Бесспорным лидером в производстве данного типа устройств является компания Altera. Продукцию данной компании мы и будем использовать при создании платы кросс – коммутатора. Итак, применим микросхему серии 7000, а именно,EPM7128SVLC.

Функциональные возможности EPM7128SVLC:

• Реализует логические структуры;

• 128 ячеек памяти;

• 60 входов/выходов;

• Питание +5В и +3.3В;

5. Запоминающее устройство.

Лидером в области изготовления микросхем памяти является компания Atmel. В нашем проекте будем использоватьFlash– память этой фирмыAT29LV256.

Функциональные возможности AT29VL256:

• Размер памяти – 256 Кбайт;

• Страничная организация;

• 15 разрядная шина адреса и 8 разрядная шина данных;

• Питание +3.3В;

6. Сигнальное оборудование.

Помимо устройств индикации, то есть светодиодов, в сигнальное оборудование нашей платы будет входить сигнальный микроконтроллер фирмы AtmelAT89C5124JC.

Функциональные возможности AT89C5124JC:

• Тактовая частота процессор: от 0 до 24МГц;

• Внутреннее ОЗУ 128 байт;

• 32 - е программируемые входные/выходные шины;

• два 16 битовых счетчика;

• 6 источников прерываний;

• Программируемый последовательный канал;

• Низкое энергопотребление;

• Питание +5В;

7. Генераторное оборудование.

В данном устройстве будут применятся два генератора тактовых импульсов. Один из них для интерфейса Е1 – Epson SG - 8002DC, другой для DSP процессора – HOSONIC HO - 25C.

Функциональные возможности Epson SG – 8002DC:

• Частота тактовых импульсов на выходе микросхемы – 49.152 МГц;

• TTLуровни выходного сигнала;

• Частотная нестабильность +-50 ppm(миллионных долей);

• 4-х выводной DIPкорпус;

• Питание +5В;

Функциональные возможности HOSONICHO- 25C:

• Частота тактовых импульсов на выходе микросхемы – 20 МГц;

• LVTTLуровни выходного сигнала;

• Частотная нестабильность +-50 ppm(миллионных долей);

• 4-х выводной DIPкорпус;

• Питание +3.3В;

8. Вторичный источник питания.

Здесь нужно отметить, что вторичный источник питания это не только преобразователь напряжения, но и схема плавного пуска, фильтр, стабилизаторы напряжения. Расчет источника питания будет приведен в разделе проектирование принципиальной схемы платы кросс - коммутатора. В данном же разделе приведем пример наиболее вероятного претендента на роль DC/DCпреобразователя постоянного напряжения, а также приведем пример линейных регуляторов напряжения на +3.3В и +1.8В.

Итак, в качестве DC/DCпреобразователя будем использовать микросхему фирмыFranMar–EA7.5-31.

Функциональные возможности EA7.5-31:

• Мощность 7.5 Ватт;

• Входное напряжение постоянное в пределах от 36В до 72В;

• Выходное напряжение 5В;

• Выходной ток 1500 мА;

• Коэффициент полезного действия 82%;

• Сопротивление изоляции 10⁹Ом;

• Температурный диапазон работы от –25 ⁰С до 71⁰С;

• Габариты: 31.8*20.3*10.2 мм;

В качестве линейных регуляторов напряжения будем использовать микросхемы LM1117-3.3 иLM1117-1.8 фирмыNationalSemiconductor..

Функциональные возможности LM1117-3.3:

• Входное напряжение +5В;

• Выходное напряжение +3.3В;

• Температурный диапазон работы: от 0 до 125 ⁰С;

• Выходной ток до 800 мА;

Функциональные возможности LM1117-1.8:

• Входное напряжение +5В;

• Выходное напряжение +3.3В;

• Температурный диапазон работы: от 0 до 125%;

• Выходной ток до 800 мА;