TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀STM-1數(shù)據(jù)采集卡的實現(xiàn)

摘要　STM-1數(shù)據(jù)采集卡是TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀中的一個重要的數(shù)據(jù)采集卡，用來收集TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中STM-1幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。介紹了STM-1數(shù)據(jù)采集卡硬件采用的一個基于PowerPc系列的嵌入式處理器的嵌入式系統(tǒng)，并詳細的闡述了它的設(shè)計過程，其軟件部分由Linux嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成；還介紹了Linux嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)、應(yīng)用軟件的主程序及中斷接收模式。給出了調(diào)試中可能出現(xiàn)的問題及其解決方案。

0、引言

現(xiàn)階段我國正在大力開發(fā)TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)，國內(nèi)各移動運營商也正準(zhǔn)備大規(guī)模的組建3G網(wǎng)絡(luò)，但是到目前為止，用于TD-SCDMA系統(tǒng)實驗研發(fā)、建網(wǎng)和運行的網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備還未引起足夠重視，形成了TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈上的最為薄弱的一環(huán)[1]。特別是國際上傳統(tǒng)通信測試儀表廠商始終側(cè)重于CDMA2000和WCDMA 2000標(biāo)準(zhǔn)。因此，在國內(nèi)研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA移動通信網(wǎng)絡(luò)測試儀，完善TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈，形成系列產(chǎn)品并推向市場具有非常重要的意義，也必將會產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀主要實現(xiàn)協(xié)議分析（解碼）、呼叫跟蹤、業(yè)務(wù)統(tǒng)計及分析、網(wǎng)絡(luò)異常分析、網(wǎng)絡(luò)分析和優(yōu)化、協(xié)議仿真等功能，以完成對TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的一致性測試、互操作性測試、性能測試、堅固性測試。它的主要測試的接口包括Iub，Iur，IuCS，IuPS，Nc，Nb，C/D/E/G/Gr/MSCS-SCP，Gn/Gp，Gi等[2-4]。TD-SCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]如圖1所示，TD-SCDMA系統(tǒng)中的Iub，Iur，Iu為主要的測試接口。TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀硬件部分采用工控機結(jié)構(gòu)，多鏈路、多通道的硬件由多個基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡（規(guī)程板）組成，各種基于大規(guī)模集成電路的數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)原始物理層數(shù)據(jù)流的采集，并通過PCI總線與工控機交互數(shù)據(jù)，物理接口對全IP，STM-1和EI這3種方式都能夠支持；軟件部分基于Windows 2000和XP操作系統(tǒng)，對硬件部分采集的原始信令數(shù)據(jù)進行分析、顯示和處理，同時還完成硬件采集卡的配置功能[6]。

圖1　TD-SCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.1 System structure of TD-SCDMA

STM-1數(shù)據(jù)采集卡是TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀中的一個PCI數(shù)據(jù)采集卡，負(fù)責(zé)采集網(wǎng)絡(luò)中STM-1幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。在TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈初步形成的現(xiàn)階段，進行TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀以及STM-1數(shù)據(jù)采集卡的研發(fā)具有很大的現(xiàn)實意義。

1、STM-1數(shù)據(jù)采集卡的硬件實現(xiàn)

一般來說，數(shù)據(jù)采集的目的是對線路上較高級的信令及其數(shù)據(jù)進行收集、分析、處理，而對底層協(xié)議并不關(guān)心。特別對于像網(wǎng)絡(luò)測試儀這樣的設(shè)備來說，對接近物理層一端數(shù)據(jù)往往希望硬件進行初步的分類和處理，以使得送入軟件分析的數(shù)據(jù)相對簡化，節(jié)省運算量。換句話說，網(wǎng)絡(luò)測試儀的硬件部分處理偏底層的數(shù)據(jù)，軟件部分處理偏上層的數(shù)據(jù)。進而根據(jù)TD-SCDMA規(guī)范和無線接入網(wǎng)接口協(xié)議結(jié)構(gòu)，AAL（包括AAL2，AAL5）以上層次由軟件處理，在AAL及其以下層次由硬件處理是比較理想的劃分。對于STM-1數(shù)據(jù)采集卡來說，應(yīng)該完成物理層、ATM層、AAL層的處理任務(wù)，即從線上獲取的數(shù)據(jù)流，在送給軟件作進一步處理之前，首先由硬件組裝成一個個完整的AAL幀，再將數(shù)據(jù)交給軟件處理。所以STM-1數(shù)據(jù)采集卡的工作流程應(yīng)該為：①TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中的光信號通過光電轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為電信號；②通過一個STM-1/ATM抽取裝載芯片將STM-1幀結(jié)構(gòu)里邊封裝的ATM信元提取出來；③將ATM信元通過一個UTOPIA2接口送給一個網(wǎng)絡(luò)處理器，將ATM信元處理至AAL層（組裝成一條條的AAL幀）；④通過PCI接口將處理過的數(shù)據(jù)送往PC做進一步分析。整個處理流程如圖2所示。

圖2　STM-1數(shù)據(jù)采集卡硬件設(shè)計

Fig.2 Hardware design of STM-1 card

網(wǎng)絡(luò)處理器是板卡的核心部分，它完成整個STM-1數(shù)據(jù)采集卡的控制和計算功能。所以網(wǎng)絡(luò)處理器的選擇至關(guān)重要，其選擇應(yīng)結(jié)合具體應(yīng)用，綜合考慮，即主要從系統(tǒng)功能、處理能力、產(chǎn)品的升級換代、經(jīng)濟承受能力和產(chǎn)品綜合成本等幾方面考慮。相對于目前的GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)而言，3G網(wǎng)絡(luò)的信息量更多、更復(fù)雜，常規(guī)的單片機控制技術(shù)在速度上不能滿足實時測試的需要。另外，還必須要求選擇的網(wǎng)絡(luò)處理器帶有UTOPIAⅡ和PCI接口。UTOPIAⅡ協(xié)議定義了一種物理層和ATM層之間的接口模式，是一種標(biāo)準(zhǔn)的ATM傳送接口，能夠?qū)崿F(xiàn)STM-1/ATM抽取裝載芯片和網(wǎng)絡(luò)處理器的無縫連接，而PCI是先進的高性能局部總線，可同時支持多組外圍設(shè)備。我們采用的是Motorola公司的PowerPC系列的嵌入式處理器。

Motorola的基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器芯片有MPC505，821，850等近幾十種產(chǎn)品，其中MPC860是Power QUICC系列、Power QUICCⅡ系列、Power QUICC Ⅲ系列的典型產(chǎn)品。

選擇的處理器有2個主要的組成部分：嵌入的PowerPC內(nèi)核和通信處理模塊（CPM）。CPM同時支持快速通信控制器（FCC）、串行通信控制器（SCC）等。FCC支持基于UTOPIA2接口的155 Mbit/s ATM協(xié)議，同時還支持IEEE802.3和快速以太網(wǎng)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)處理器的ATM通信控制器可以通過UTOPIA Ⅱ接口實現(xiàn)ATM和AAL層的功能，利用FCC作為ATM通信控制器來實現(xiàn)AAL2和AAL5適配[7]，該通信控制器支持以下功能。

（1）155 Mbit/s的全雙工分段重裝，包括CRC32，CPCS-UU，CPI和長度域的生成和校驗。

（2）16 B數(shù)據(jù)總線的UTOPIAⅡ總線主從模式，包括多物理設(shè)備的查詢模式。

（3）內(nèi)部可存儲不多于255個虛通道（VC）號，利用外部存儲器可存儲64 KB虛通道號。

（4）可以自定義不多于64 B的信元長度。

（5）ATM層的信元統(tǒng)計功能。

（6）接收地址查詢機制，包括外部CAM查找和地址壓縮。

Powerpc系列處理器的工作模式有很多種，而用于STM-1數(shù)據(jù)采集卡的處理器只能選擇ATM模式。CPM里的FCC可連到8位或16位UTO-PIAⅡ接口用于ATM通信，所以在設(shè)計時選擇CPM里的FCC來實現(xiàn)的數(shù)據(jù)的收發(fā)。其余的外圍電路包括CPU的外部SDRAM，F(xiàn)LASH以及光電轉(zhuǎn)換模塊等。圖2中各模塊設(shè)計說明如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)處理器：網(wǎng)絡(luò)處理器通過內(nèi)部集成的FCC支持UTOPIAⅡ接口，由于FCC支持標(biāo)準(zhǔn)的UTOPIAⅡ接口，因此可以直接與STM-1/ATM抽取裝載芯片相連接；此外，SDRAM，F(xiàn)lash等器件均通過60x總線與網(wǎng)絡(luò)處理器連接。

（2）STM-1/ATM抽取裝載芯片：主要完成以155.52 Mbit/s的速度處理雙工位串行STS-3c/STM-1數(shù)據(jù)流。STM-1/ATM抽取裝載芯片的選擇也應(yīng)該考慮到它必須帶有UTOPIAⅡ，以實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)處理器的無縫連接。

（3）SDRAM：用于存放用戶的數(shù)據(jù)和代碼，為程序的運行和保存臨時文件提供空間。采用商用的168引腳的內(nèi)存條，與網(wǎng)絡(luò)處理器以60x總線相連。數(shù)據(jù)寬度為64位。網(wǎng)絡(luò)處理器提供了SDRAM控制器，只需進行寄存器的設(shè)置即可。

（4）Flash：用于存儲操作系統(tǒng)內(nèi)的引導(dǎo)程序、存儲操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)映像和用戶程序文件，與網(wǎng)絡(luò)處理器以60x總線相連。

2、STM-1數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)計

2.1　嵌入式系統(tǒng)

STM-1數(shù)據(jù)采集卡軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件2大部分。本系統(tǒng)中我們采用Linux操作系統(tǒng)。Linux是個與生俱來的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，成熟而且穩(wěn)定。Linux是源代碼開放軟件，不存在黑箱技術(shù)，任何人都可以修改它，或者用它開發(fā)自己的產(chǎn)品。Linux系統(tǒng)是可以定制的，系統(tǒng)內(nèi)核目前已經(jīng)可以做得很小。一個帶有中文系統(tǒng)及圖形化界面的核心程序也可以做到不足1 MB，而且同樣穩(wěn)定。Linux作為一種可裁減的軟件平臺系統(tǒng)，是發(fā)展未來嵌入設(shè)備產(chǎn)品的絕佳資源，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)主要包括以下2點。

（1）Bootloader開發(fā)。嵌入式系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)的加載啟動任務(wù)完全由BootLoader來完成。通過BootLoader，我們可以初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核或用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

（2）Linux內(nèi)核的移植、開發(fā)。在獲得Linux內(nèi)核源代碼后，根據(jù)硬件平臺進行內(nèi)核的剪裁、配置、編譯，最后把Linux內(nèi)核移植到開發(fā)板，通過FLASH或BOOTP從開發(fā)板上引導(dǎo)Linux內(nèi)核。

2.2　應(yīng)用軟件的主模塊

該模塊是程序的主控模塊，完成板卡在數(shù)據(jù)采集前所有硬件的初始化，并最終通過輪詢命令區(qū)（主機向板卡發(fā)送命令的區(qū)域，板卡可在此讀取到主機發(fā)送過來的命令）依據(jù)該區(qū)域命令調(diào)用相應(yīng)處理模塊。該模塊目的在于為后續(xù)的收發(fā)數(shù)據(jù)以及軟硬件接口做必要的準(zhǔn)備，并依據(jù)命令區(qū)命令控制整個程序流程。應(yīng)用軟件的主模塊見圖3所示，命令區(qū)是一個雙口RAM區(qū)，板卡和主機都可以隨時讀取，為了滿足實時測試的需要，板卡處理器的指針只要空閑就應(yīng)該停留在該區(qū)域等候主機傳送下來的指令。各子模塊功能說明如下。

（1）板卡停止/重啟模塊，由此模塊控制板卡的停止和重啟。

（2）板卡自檢模塊，STM-1數(shù)據(jù)采集卡正式采集數(shù)據(jù)之間，主機發(fā)送自檢命令，板卡收到自檢命令后即將主機指定的數(shù)據(jù)發(fā)送后收回并送回主機，主機根據(jù)收回的數(shù)據(jù)與先前的數(shù)據(jù)比較判斷板卡是否正常工作。

（3）接收配置模塊，根據(jù)命令區(qū)接收配置命令的命令碼附加信息和具體的配置信息，完成AAL2和AAL5的接收初始化，為數(shù)據(jù)的接收做好準(zhǔn)備。

（4）發(fā)送數(shù)據(jù)模塊，根據(jù)命令區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)命令的命令碼附加信息和具體的配置信息，完成AAL2和AAL5的發(fā)送初始化，并且激活相應(yīng)通道進行發(fā)送。

（5）全局變量配置模塊，根據(jù)主機的要求修改全局變量。

（6）時鐘同步模塊，接受主機的命令，與TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀的其他數(shù)據(jù)采集卡同時開始計時。

（7）拆除鏈路模塊，根據(jù)命令區(qū)接收配置命令的命令碼附加信息和具體的配置信息，完成相應(yīng)的AAL2和AAL5的鏈路拆除，并釋放相應(yīng)的內(nèi)存空間。

圖3　應(yīng)用軟件的主模塊

Fig.3 Main module of applications

2.3　中斷處理模塊

中斷處理模塊主要用來處理板卡、芯片產(chǎn)生的所有異常情況（包含中斷）。按照中斷源的不同進行相應(yīng)處理，主要包括接收中斷時的數(shù)據(jù)重組，接收、發(fā)送中斷時的BD操作，時鐘中斷處理，故障中斷產(chǎn)生時的錯誤處理等。特別是對于FCC的ATM發(fā)送、接收中斷進行輪詢檢查，直到所有中斷處理完成才跳出中斷處理函數(shù)，中斷處理流程如圖4所示。

圖4　中斷處理流程

Fig.4 Flow of interrupt disposal

STM-1數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集是通過中斷模式來實現(xiàn)的，當(dāng)中斷處理模塊判斷出中斷源來自于接收幀時，就調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)對接收的數(shù)據(jù)進行重組，將其組成一條條軟件可以處理的AAL幀（CPCS-SDU），然后將其存入雙口RAM區(qū)指定的內(nèi)存空間由軟件來提取處理。

3、調(diào)試

對于PowerPC來說，最常用的軟件開發(fā)方式有2種：一種是基于商業(yè)軟件CodeWarrior的開發(fā)調(diào)試平臺；另一種是基于免費交叉編譯器和BDI調(diào)試器的開發(fā)方案。CodeWarrior是Metrowerks公司專門為嵌入式PowerPC開發(fā)調(diào)試軟件設(shè)計的強大的IDE商業(yè)開發(fā)平臺，并且可以在Windows下方便使用，因此我們在實際開發(fā)中采用了CodeWarrior。

對于AAL5數(shù)據(jù)，采取分別發(fā)送和接收2幀96字節(jié)的數(shù)據(jù)，第1幀數(shù)據(jù)為“1”，第2幀為全“2”，每幀恰好有2個ATM信元的凈荷，同一幀數(shù)據(jù)采取同一通道發(fā)送和接收，兩幀不同的數(shù)據(jù)采取不同的通道進行發(fā)送和接收（發(fā)送和接收通道編程時分別進行編號），如圖5所示。為了調(diào)試時便于查詢，編程時需將發(fā)送和接收中斷全部開啟。確認(rèn)發(fā)送端與接收端相互連接的有效性后，激活第1、第2發(fā)送通道，然后通過CodeWarrior查詢發(fā)送和接收中斷隊列（Interrupt Queue）檢查發(fā)送和接收的基本情況。其中可能出現(xiàn)的情況有2種：①發(fā)送中斷隊列沒有中斷記錄，接收中斷隊列沒有中斷記錄；②發(fā)送中斷隊列有中斷記錄，接收中斷隊列沒有中斷記錄。

圖5　AAL5數(shù)據(jù)調(diào)試示意圖

Fig.5 Chart of AAL5 data debugging

情況①可以推測數(shù)據(jù)沒有發(fā)出；情況②可以推測數(shù)據(jù)沒有接收到；對情況①，②的解決辦法是查詢發(fā)送、接收端，確認(rèn)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)配置是否正確，對表中各域的值可以采取多次嘗試的辦法來調(diào)試。如果發(fā)送中斷隊列有中斷記錄，接收中斷隊列有中斷記錄，可以推測發(fā)送、接收都正常，通過CodeWarrior查詢接收內(nèi)存空間和雙口RAM區(qū)的接收重組數(shù)據(jù)區(qū)，檢查接收的數(shù)據(jù)是否與發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，此時可能出現(xiàn)2種情況：①發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)與接收區(qū)數(shù)據(jù)不一致；②發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)與接收區(qū)數(shù)據(jù)一致，接收區(qū)與重組區(qū)不一致。

情況①可以推測接收端沒有完全接收到發(fā)送過來的數(shù)據(jù)或發(fā)送端只發(fā)送了部分的數(shù)據(jù)，這種情況可以通過嘗試發(fā)送、接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表（table）中各域的值來調(diào)試；情況②可以推測中斷接收時，重組程序沒有把接收到的數(shù)據(jù)重組好，這種情況可以通過修改重組程序代碼來調(diào)試。如果發(fā)送區(qū)的數(shù)據(jù)與接收區(qū)數(shù)據(jù)一致，接收區(qū)與重組區(qū)也一致，那么說明發(fā)送和接收2幀96字節(jié)的AAL5數(shù)據(jù)獲得了成功。其后，采取發(fā)送和接收任何長度的數(shù)據(jù)進行調(diào)試，也都獲得成功，驗證了板卡能夠發(fā)送和接收任何的數(shù)據(jù)。

對于AAL2數(shù)據(jù)，采取發(fā)送、接收2幀200字節(jié)的cps數(shù)據(jù)、2幀200字節(jié)的sssar數(shù)據(jù)，使用不同通道發(fā)送和接收，經(jīng)過調(diào)試都獲得成功。調(diào)試時出現(xiàn)的問題及解決的辦法與調(diào)試AAL5數(shù)據(jù)時基本一致，只是發(fā)送和接收AAL2數(shù)據(jù)時使用到更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，機制也復(fù)雜了一些。

4、結(jié)束語

TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀STM-1數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計采用了基于PowerPc系列嵌入式處理器的嵌入式系統(tǒng)，軟件設(shè)計采用了嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。基于以上設(shè)計的STM-1數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)過調(diào)試完全能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)送、接收多幀AAL2、AAL5數(shù)據(jù)的目的，達到了對STM-1信號數(shù)據(jù)采集的目的，可以滿足TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀的需要。

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