基于PCI总线的信令采集卡的硬件设计

引言

为了满足未来无线多媒体通信需求，早在1985年国际电联就提出了第三代移动通信的概念，许多国家和地区的著名电信设备制造商先后提出了十多种无线接口建议，经过充分协商和融和，最后形成了三大主流标准，即欧洲与日本提出的WCDMA、美国提出的CDMA2000和中国提出的TD-SCDMA。TD-SCDMA是由中国无线通信标准化组织（CWTS）提出并得到ITU通过的3G无线通信标准。在实际的商用之前，需要通过测试仪在真实的无线环境下对TD-SCDMA的网络性能、数据收发等进行全面深入的测试验证。针对中国正大力开发TD-SCDMA第三代移动通信(3G)系统、即将大规模组建3G网络，却没有所必需的实验研发、建网和运行测试设备的现状，在国际上传统通信测试仪表厂商只推出了基于CDMA2000和WCDMA两种标准的测试仪表的情况下，研制出具有自主知识产权的TD-SCDMA移动通信网络测试仪，完善TD-SCDMA产业链，形成系列产品并推向市场，必将产生巨大的社会效益及经济效益。

本文介绍的信令采集卡就是我们已经研制成功了的并且已经在重庆重邮东电通信技术有限公司商用的TD-SCDMA网络测试仪中针对核心网测试最重要的数据采集卡之一。

设计及其实现

1 信令数据采集卡设计思路

本卡主要是根据协议的选择来完成七号信令数据的采集。本卡基于PCI设计，完成的主要功能有：物理层的数据采集、HDLC链路控制。在整个系统中主要完成层一和层二的控制，它要求较高的可靠性、可用性和可扩展性。为了满足网络测试仪数据流量大、方便用户使用的特点，我们选用了自带标准PCI协议规范的HDLC控制器（MindSpeed Bt8474）、专用的E1/T1/J1成帧器（MindSpeed Bt8370）芯片和Windows 2000作为此卡的基本软硬件架构。每块板卡可以实现8收4发，软件驱动基于PCI的框架，能满足快速的数据采集要求，性能稳定。

2 芯片资源简介

本卡采用的主要的芯片是MindSpeed公司的自带PCI总线规范的多通道同步网络控制器（MUSYCC）Bt8474和E1/T1成帧器Bt8370。

● PCI总线简介

PCI的含义是周边器件互连。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线，基于PCI的系统不受处理器升级的影响。每个典型的PCI可以支持大约10个电气负载。它支持32位或64位的总线宽度，支持的工作频率为33MHz或66MHz。工作在33MHz/32位时，理论上最大数据传输速率能达到133MHz/s。它支持并行的总线操作，还全面支持PCI总线主设备，在所有读写操作中可实现猝发传送，支持即插即用，PCI部件和驱动程序可以在各种不同的平台上应用。

● Bt8474简介

BT8474 是一个多信道同步通信控制器（MUSYCC），它能支持128个数据信道，每个信道根据配置可以支持“HDLC、SS7、透明传输”三种协议。在数据处理中主要完成层2（数据链路层）的处理。

Bt8474是一个PCI多功能设备，它主要包括以下部分：

（1） 一个主接口（Host Interface）：主接口又由四个部分组成：设备配置寄存器、PCI功能0的配置空间、PCI功能1的配置空间、PCI接口。主接口主要提供BT8474与PC之间的接口，完成设备寄存器配置和PCI功能区配置区间的读写。

（2） 4个串口（Serial Interface）：串口也由四个部分组成,包括中断控制器、DMAC、位级处理器BLP、接收和发送端口。串口主要完成主接口和BT8370的数据传递，同时根据需要产生中断，并通过INTA报知PC。

（3） 1个扩展总线口（EBUS）：EBUS接口通过内置的MPU（微处理器单元）主要完成外围设备的扩展。

（4） 1个边界扫描口(JTAG)。

其功能框图如图1、图2所示。

图1  Bt8474功能框图

图2  Bt8474的串口功能设计原理图

● Bt8370简介

BT8370是一个T1/E1收发成帧器，支持的收发接口的Line Rate为  1.544Mb/s（T1）或者2.048Mb/s（E1）。物理线性接口电路恢复来自电缆的“+3dB到-43dB”的模拟时钟和数据。

BT8370主要由以下几部分组成：
（1）微处理器接口（MPU）：主要完成和其他设备之间的通信控制。
（2）接收/发送线性接口单元（RLIU/TLIU）。
（3）数字发送器（XMTR）。
（4）数据接收器（RCVR）。
（5）发送系统总线（TSB）。
（6）接收系统总线（RSB）。
（7）时钟速率适配器（CLAD）。
（8）边界扫描接口（JTAG）。

其功能图如图3、图4所示。

图3  Bt8370的功能框图

图4  Bt8370的设计原理图

3 信令采集卡硬件实现

图5是信令采集卡的总体设计框图。

图5  E1采集卡的总体设计框图

采集卡从E1线上采集七号信令消息（也包括一号随路信令），用以监视和仿真整个通话流程。PCI接口芯片（HDLC控制器）是一个多功能设备,包括一个网络控制器和一个PCI桥设备（EBUS）。网络控制器用以控制时隙映射，配置DMA传输；PCI桥设备用以选通和配置成帧器，其中成帧器的选通是通过一个CPLD来完成的。另外，网络控制器和PCI桥设备的中断是分开的，分别通过INTA和INTB上报PCI控制器。信令信号经过成帧器成帧后，通过HDLC控制器以DMA方式送入到PC缓冲区；用户可以通过驱动提供的接口函数到缓冲区取信令数据进行分析。

根据TD-SCDMA网络测试仪表的总体设计方案要求，七号信令卡作为PCI插槽的板卡，通过高阻适配器采集E1信号，给8370成帧处理后，通过串口送给8474，完成消息的重组后，把消息送给上层软件进行协议分析处理。七号信令卡的硬件结构提供网络接口的物理层和部分链路层功能，由软件来实现物理层和链路层的数据控制和部分应用层的功能。本卡可以同时完成8路监测、4路仿真。

按照任务目标要求，七号信令卡主要由以下硬件单元组成：HDLC逻辑层Bt8474、PHY物理层Bt8370、CPLD逻辑控制、高阻适配器、DB15、变压器等。图6是E1采集卡的硬件结构。

图6  E1采集卡的硬件结构

创新点

 本文作者的创新点：
（1）本卡在硬件设计上，通过时隙和通道复用，把只有四个串口的8474扩展实现了8路串口。
（2）利用本信令采集卡可以实时监测通信链路的建立、传输、停止等过程，
（3）可以通过该卡的信令发送功能，实现业务仿真，减小TD-SCDMA网络设计风险。
（4）本卡现在已经在重庆重邮东电通信技术有限公司的TD-SCDMA网络测试仪中用于商用。多次现场测试证明，本信令采集卡完全可以应用于TD-SCDMA网络测试，取得了上百万元的经济效益。