CN102148726B - 一种基于hfc网络射频回传的野外设备网管数据采集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于HFC网络射频回传的野外设备网管数据采集器，包括依次连接的FSK调制解调模块、智能主机模块和信号调理模块。FSK调制解调模块接收来自HFC网络的射频FSK调制信号，解调成基带串行信号，同时将本地的基带串行信号经过FSK调制后发送到HFC网络；智能主机模块驱动FSK调制解调模块，分析串行信号解析协议，采集来自信号调理模块的模拟和数字信号，整理数据并发送；信号调理模块是与野外设备的电气接口。优点是：本发明FSK调制解调模块使用PLL锁相环技术及专用FSK解调芯片和电平控制芯片，横向扩大了上下行信道的通讯频率范围，纵向扩大了RF信号电平发送的调节范围，增强了网管数据采集器的应用广度。

Description

一种基于HFC网络射频回传的野外设备网管数据采集器

技术领域

本发明涉及广电行业设备监控领域，具体是一种基于HFC网络射频回传的野外设备网管数据采集器。

背景技术

在广电领域，HFC网络（Hybrid Fiber Coax光纤同轴混合网）目前已普遍应用，基于射频回传的HFC网络双向改造飞速发展，各地有线网络公司大力推广Cable Modem应用以及基于此的各种增值业务。因此，随着业务的发展，保证HFC网络可靠的运行维护得到了高度重视，其中，野外设备是HFC网络的一个重要组成部分，但对野外设备的有效的监控管理一直是难题。

目前，各地有线网络公司采购的野外设备具有多样和复杂的特点：一般有2－3家进口设备，多家国产设备。进口设备大多具有远程监控功能，但是其硬件通信平台和软件通讯协议是厂家自定义，不同厂家之间的无法互连互通、兼容管理；国产设备大多仅本地提供监控电气接口，而无能力提供整体的远程管理方案。

发明内容

本发明的目的是克服目前广电行业基于HFC网络射频回传野外设备无法管理或管理混乱的现状，提供一种依据《HFC网络设备管理系统规范》设计标准化软硬件平台进行远程监控的设备及方法，特别是一种基于HFC网络射频回传的野外设备网管数据采集器，实现不同厂家野外设备之间的互连互通。

按照本发明提供的技术方案，所述基于HFC网络射频回传的野外设备网管数据采集器，包括依次连接的FSK调制解调模块、智能主机模块和信号调理模块，FSK调制解调模块实现FSK调制信号与基带串行数字信号之间的转换，智能主机模块负责数据采集器的协议解析、程序执行、数据处理，信号调理模块实现与野外设备光节点的电气接口，进行电气信号的转换与处理；所述FSK调制解调模块包括依次连接的FSK解调模块、电平控制模块和FSK调制模块；所述智能主机模块的接口包括串口、数字I/O口、模拟A/D口；所述信号调理模块包括数字输出隔离保护模块、数字输入隔离保护模块和模拟输入滤波分压保护模块；所述FSK解调模块、电平控制模块和FSK调制模块均与数字I/O口相连，FSK解调模块的输出连接串口，串口的输出连接FSK调制模块，FSK调制模块的输出连接电平控制模块；所述数字输出隔离保护模块和数字输入隔离保护模块均连接数字I/O口，模拟输入滤波分压保护模块的输出连接模拟A/D口。

所述智能主机模块对FSK调制解调模块进行初始化操作，通过FSK调制解调模块实现串行通讯，并接收来自信号调理模块的输入信号并提供输出控制操作。

所述FSK调制解调模块采用独立的上、下行信道：上行信道载波频率调制范围为10－65MHz，具有50MHz以上频率带宽；下行信道载波频率调制范围为8MHz带宽。

所述FSK调制解调模块接收来自HFC网络的射频FSK调制信号，解调成基带串行信号，同时将本地的基带串行信号经过FSK调制后发送到HFC网络；所述智能主机模块驱动FSK调制解调模块，分析串行信号解析协议，采集来自信号调理模块的模拟和数字信号，整理数据并发送；所述信号调理模块是与野外设备的电气接口，对来自野外设备的模拟数字信号进行滤波、隔离、采样保持等处理后送入智能主机模块。

本发明的优点是：本发明设计的FSK调制解调模块使用PLL锁相环技术及专用FSK解调芯片和电平控制芯片，横向扩大了上下行信道的通讯频率范围，纵向扩大了RF信号电平发送的调节范围，增强了网管数据采集器的应用广度，延时自动关断电路自动关断上行发送信号，增加系统应用的可靠性；本发明的软件设计严格按照《HFC网络设备管理系统规范》解析与封装MAC协议，快速解析SNMP协议，可实现与其它前端控制器之间的互连互通。本发明的应用将有力地支持HFC网络管理系统向开放性和兼容性方向发展。

附图说明

图1为本发明网管数据采集器的一个典型组网结构图。

图2为本发明网管数据采集器的一个典型信号传输图。

图3为本发明网管数据采集器的的硬件设计框图。

图4为FSK调制解调模块原理框图。

图5为本发明网管数据采集器的软件设计框图。

图6为本发明网管数据采集器的MAC层串口通信处理模块流程图。

图7为本发明网管数据采集器的MAC协议结构框图。

图8为本发明网管数据采集器的SNMP协议结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明旨在依据《HFC网络设备管理系统规范》实现一种对基于HFC网络射频回传的野外设备进行远程监控的装置。

本发明实现的基于HFC网络射频回传的野外设备网管数据采集器是软硬件一体化的设备，硬件部分包括FSK调制解调模块106、智能主机模块107、监控信号调理模块108；软件部分包括物理层MAC协议解析模块、SNMP协议（Simple Network Managerment Protocal简单网络管理协议）解析模块、基于MIB（Managerment Information Base管理信息库）数据库的参数采集与状态监控处理模块。

如图1所示为本发明具体实施基于射频回传的网管系统的一个典型组网结构图，其包含至少一个头端设备前端控制器209，一个典型的HFC网络210，至少一个数据采集器105和与之相对应的野外设备光节点211。本发明的射频回传数据采集器105至少包含FSK调制解调模块106、智能主机模块107、信号调理模块108，三者依次连接。FSK调制解调模块106实现FSK调制信号与基带串行数字信号之间的转换，智能主机模块107负责数据采集器105的协议解析、程序执行、数据处理等内容，信号调理模块108实现与野外设备光节点211的电气接口，进行电气信号的转换与处理。

如图2所示为本发明具体实施射频回传的野外设备网管数据采集的一个典型信号传输图，描述了实施基于射频回传的网管系统射频信号在前端控制器和数据采集器之间传输的过程，涉及设备包含网管系统的头端设备前端控制器209、HFC网络210、野外设备光节点211、网管数据采集器105、HFC网络主干线路设备（光发射机213、光接收机215、光纤传输网等）。数据采集器105通常安装在野外设备光节点211内部，前端控制器209将FSK调制后的RF信号由RF混合器212混入有线电视下行信号，通过光发射机213将RF信号转换为光信号，经光纤网络长距离传输后到野外设备光节点211上，野外设备光节点211将接收的光信号经过光电转换后转换为RF信号，再经过RF放大器链路216对RF信号进行放大处理，送入数据采集器105中。以上详细描述前端控制器209 RF信号传输到数据采集器105的过程。数据采集器105发送的RF信号传输到前端控制器209如图1所示，与上述流程类似，就不再细述。

如图3所示为本发明网管数据采集器105的硬件设计框图，如图3所示至少包含FSK调制解调模块106、智能主机模块107、信号调理模块108，三者依次连接；FSK调制解调模块106包括FSK解调模块317、电平控制模块318、FSK调制模块319；智能主机模块107采用ARM处理器，拥有串口320、数字I/O口321、FALSH存储器322、RAM存储器323、MCU（微处理器）332、模拟A/D口324；信号调理模块108包括数字输出隔离保护模块325、数字输入隔离保护模块326、模拟输入滤波分压保护模块327。接收的RF下行信号经FSK解调模块317后，转换为串行数字信号输送至串口320，MCU332解析串口320接收的数据并组织相应的应答数据由串口320发送，FSK调制模块319将串口320发送的串行数字信号FSK调制为RF信号，经过电平控制模块318对RF信号进行放大处理后混入有线电视上行RF信号发送。数字输出隔离保护模块325对野外设备提供硬件电路驱动控制信号，数字输入隔离保护模块326对野外设备提供硬件电路采样输入数字信号，模拟输入滤波分压保护模块327对野外设备提供硬件电路采样输入模拟信号信号。FLASH存储器322、RAM存储器323和MCU 332是数据采集器105的核心部分，FLASH存储器322、RAM存储器323分别存储可执行软件代码与软件运行数据，MCU 332是中央处理器，采用多级流水线指令处理结构的ARM单片机，其最高主频可达到60Mmips以上，所有功能电路都由MCU 332提供控制操作，例如，MCU 332初始化模拟A/D口324并读取模数转换后的数据，MCU 332驱动数字I/O口321对各功能电路控制操作，MCU 322通过数字I/O口321对FSK解调模块317提供初始化操作、对野外设备进行输出控制或输入状态采集等。

另外，数据采集器105一般还包含电源模块331、防盗电路330、NVRAM电路329、复位电路看门狗328和温度检测电路333等。电源模块331对输入电源进行DC－DC变换后，为数据采集器105提供干净可靠的直流电压，防盗电路330检测野外设备光节点211的盒盖开关状态并提供报警，NVRAM电路329存放需要掉电保护的数据，温度检测电路333检测野外设备光节点211的机内温度，复位电路看门狗328对MCU332提供芯片级复位并防止程序跑飞。

如图4所示为本发明的FSK调制解调模块106原理框图，网管数据采集器硬件设计的要点是FSK调制解调模块106，FSK调制解调的工作可靠与否直接影响以HFC网络为平台的数据通信的的可靠性。FSK调制解调模块106主要包括FSK解调模块317、电平控制模块318、FSK调制模块319，还可以含有第一带通滤波器BPF 434、信号放大器435、低通滤波器LPF 440、第二带通滤波器BPF 441、延时自动关断电路442等。下行RF信号依次通过第一带通滤波器434和信号放大器435进入FSK解调模块317，FSK调制模块319的输出通过低通滤波器440连接电平控制模块318，电平控制模块318再通过第二带通滤波器441输出到上行RF信号。

锁相环PLL 439在FSK调制模块319与FSK解调模块317中都要应用到，其与压控振荡器438构成闭环系统，提供稳定精确的频率源，MCU 332通过驱动锁相环439来生成宽范围的频率，满足上下行信道对调制解调带宽的要求。（上行信道载波频率调制范围为10－65MHz，具有50MHz以上频率带宽，下行信道载波频率调制范围为8MHz带宽。）

FSK解调模块317包括依次连接的压控振荡器438、中频滤波器IFF 437和FSK解调芯片436。FSK解调模块317使用FSK解调芯片436对下行RF信号解调，中频滤波器437对压控振荡器438生成的频率进行滤波处理。FSK调制模块319包括压控振荡器（VCO）组，直接通过控制锁相环439操作压控振荡器组来生成上行调制信号。第一带通滤波器434与信号放大器435是对下行RF信号的调理以满足FSK解调模块317的需求，低通滤波器440、电平控制模块318和第二带通滤波器441是对上行RF信号的调理以满足网管系统对上行信号的需求，电平控制模块318对上行信号提供±32dB的电平调节范围，MCU 332可输出控制开关信号来驱动电平控制模块318打开或关断上行发送电平，网管系统的上、下行采用半双工通信模式，上行信号常开将影响前端控制器与其它数据采集器的正常通讯，进而造成系统瘫痪，MCU 332因工作异常未输出控制开关信号关断上行发送电平。延时自动关断电路442的输出连接到电平控制模块318，它在延时一定时间后可自动强制关断上行发送信号，对网管系统的信道通信进行可靠保护。

如图5所示为本发明具体实施基于射频回传的网管数据采集器的软件设计框图，即软件的主循环流程。本发明网管数据采集器的软件模块包含MAC层串口通信处理模块543、MAC协议处理模块544、SNMP协议处理模块545、MIB数据库处理模块546、设备电气接口处理模块547。数据采集器105上电启动后，进行一系列诸如外围芯片驱动、外围硬件控制、内容数据初始化等处理后，进入主循环中：MAC层串口通信处理模块543通过串口接收MAC层数据包并进行分析判断，对源自本机的MAC数据包进行组包并通过串口发送组包发送，根据接收MAC数据包内容分别调用MAC协议处理模块544来分析处理接收的MAC层协议并封装发送本机MAC层协议，或调用SNMP协议处理模块545来处理接收的SNMP层协议并封装发送本机SNMP层协议，MIB数据库处理模块545对标准MIB数据库进行定义和维护，提供接口满足SNMP协议处理模块545和设备电气接口处理模块547对MIB数据库的读写操作。SNMP协议命令分为读、写两类，SNMP协议处理模块545根据命令类型对MIB数据库进行读写操作，设备电气接口处理模块547采集野外设备光节点211的模拟参数、设备状态并写入MIB数据库对应的节点中，读取MIB数据库并分析其内容的变化来执行对野外设备光节点211的控制操作，通过对MIB数据库的读写来实现SNMP协议处理模块545与设备电气接口处理模块547之间的信息交互。

如图6所示为本发明网管数据采集器软件子模块MAC层串口通信处理模块543的软件设计流程图。MAC层数据包格式如下：SYNCH（同步字段0xA5）、CONTROL（控制字段）、ADDRESS（地址）、SEQUENCE（顺序字段）、LENGTH（长度字段）、PAYLOAD（有效载荷）、FCS（校验字段）。MAC层规范规定接入网管系统的网管数据采集器105的地址具有唯一性，通过引入顺序号保证数据包传输的连续性、防止数据包重复传输或丢失，采用了FCS校验以保证数据传输的可靠性，通过协议控制字段确定PAYLOAD传输的协议类型，很好的实现了与更高层协议的接口。如图6所示，上电初始化时为串口申请接收数据缓存，MAC层串口通信模块542发现接收数据缓存的读写指针不一致后，查找同步字段0xA5，然后对接收的控制字段进行判断并保存，然后调用地址识别程序判断接收的数据包地址的一致性（有效地址分为广播地址、单播地址、组播地址），如果接收的是单播地址则保存顺序字段，然后对接收的长度字段进行判断并保存，然后根据长度字段接收完整的PAYLOAD内容，然后接收校验字段并判断，至此一个完整的MAC数据包已经接收完成。然后，取出保存的控制字段并判断，若控制字段为0则调用MAC协议处理模块544对MAC协议进行解析，若控制字段为1则调用SNMP协议处理模块545对SNMP解析进行解析。以上判断若不符合MAC规范对各字段的定义，则退出MAC层串口通信处理模块543。

如图7所示为本发明网管数据采集器MAC协议结构框图。MAC协议处理模块544根据如图7所示的MAC命令来对MAC协议进行分析与处理。MAC命令分为两类：一类是由前端控制器源发，网管数据采集器接收的命令，包含STATRQST命令、CONTMODE命令、TALK命令、SET_ADDR命令、REG_END命令、CHNLDESC命令、TIME命令、TALKRQST命令、ACK命令，一类是由网管数据采集器源发，对前端控制器的应答命令，包含ACK命令、NAK命令、INVCMD命令、STATRESP命令、REG_REQ命令。如图7所示，MAC协议处理模块544接收来自MAC层串口通信处理模块543的MAC层PAYLOAD内容，根据PAYLOAD内容判断接收的MAC命令，并调用相应的命令处理程序，响应正确的应答命令，对MAC协议各应答命令进行组包，调用MAC层串口通信处理模块543进行串口发送。

如图8所示为本发明网管数据采集器SNMP协议结构框图。SNMP协议使用ASN.1（Abstract Syntax Notation One抽象语法符号1）语法来定义MIB数据库结构及数据传输格式，其数据传输的基本格式是TLV编码格式，T是TYPE类型，L是LENGTH长度，V是VALUE值域，如图8所示为一个完成的SNMP协议结构框图，由多个TLV格式编码混合而成，例如，如图的版本，描述使用的SNMP协议的版本号，02H是类型，表示是整型，01H是长度，表示版本的值域内容长度，接下来就是值域，表示SNMP协议的版本号。SNMP协议涉及的内容比较复杂，在这里就不再一一详细说明。

本发明使用的芯片都是工业级芯片，提高了系统的工作可靠性，满足HFC网络野外设备工作环境恶劣的客观因素对硬件性能的要求。

Claims (3)

1.一种基于HFC网络射频回传的野外设备网管数据采集器，其特征是：包括依次连接的FSK调制解调模块（106）、智能主机模块（107）和信号调理模块（108），FSK调制解调模块（106）实现FSK调制信号与基带串行数字信号之间的转换，智能主机模块（107）负责数据采集器的协议解析、程序执行、数据处理，信号调理模块（108）实现与野外设备光节点（211）的电气接口，进行电气信号的转换与处理；所述FSK调制解调模块（106）包括依次连接的FSK解调模块（317）、电平控制模块（318）和FSK调制模块（319）；所述智能主机模块（107）的接口包括串口（320）、数字I/O口（321）、模拟A/D口（324）；所述信号调理模块（108）包括数字输出隔离保护模块（325）、数字输入隔离保护模块（326）和模拟输入滤波分压保护模块（327）；所述FSK解调模块（317）、电平控制模块（318）和FSK调制模块（319）均与数字I/O口（321）相连，FSK解调模块（317）的输出连接串口（320），串口（320）的输出连接FSK调制模块（319），FSK调制模块（319）的输出连接电平控制模块（318）；所述数字输出隔离保护模块（325）和数字输入隔离保护模块（326）均连接数字I/O口（321），模拟输入滤波分压保护模块（327）的输出连接模拟A/D口（324）；

FSK解调模块（317）包括依次连接的压控振荡器（438）、中频滤波器（437）和FSK解调芯片（436），FSK解调模块（317）使用FSK解调芯片（436）对下行RF信号解调，中频滤波器（437）对压控振荡器（438）生成的频率进行滤波处理；FSK调制模块（319）包括压控振荡器组，直接通过控制锁相环（439）操作压控振荡器组来生成上行调制信号；

锁相环（439）与压控振荡器构成闭环系统，提供稳定精确的频率源，智能主机模块（107）的MCU通过驱动锁相环（439）来生成宽范围的频率，满足上下行信道对调制解调带宽的要求；

接收的RF下行信号经FSK解调模块（317）后，转换为串行数字信号输送至串口（320），智能主机模块（107）的MCU解析串口（320）接收的数据并组织相应的应答数据由串口（320）发送，FSK调制模块（319）将串口（320）发送的串行数字信号FSK调制为RF信号，经过电平控制模块（318）对RF信号进行放大处理后混入有线电视上行RF信号发送。

2.如权利要求1所述基于HFC网络射频回传的野外设备网管数据采集器，其特征是所述智能主机模块（107）对FSK调制解调模块（106）进行初始化操作，通过FSK调制解调模块（106）实现串行通讯，并接收来自信号调理模块（108）的输入信号并提供输出控制操作。

3.如权利要求1所述基于HFC网络射频回传的野外设备网管数据采集器，其特征是所述FSK调制解调模块（106）采用独立的上、下行信道：上行信道载波频率调制范围为10－65MHz，具有50MHz以上频率带宽；下行信道载波频率调制范围为8MHz带宽。

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