低成本4口百兆ONU光网络单元设计

张望远

(江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006)



低成本4口百兆ONU光网络单元设计

张望远

(江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006)

摘要:设计了一种低成本的ONU光网络单元，详细介绍了ONU光网络单元的总体硬件设计方案，包括处理器子系统、以太网交换系统，EPON接口和外围电路设计，对ONU运行的软件系统架构和开发过程也进行了细致分析，最终搭建测试环境对研制的ONU产品进行测试，测试结果表明，研制的低成本ONU光网络单元功能性能可以满足产品应用要求。

关键词:光网络单元；低成本；以太网无源光网络

光网络单元ONU(Optical Network Unit)是EPON(Ethernet Passive Optical Network)以太网无源光网络系统的重要组成部分，EPON系统作为一种经济高效的传输方式，成为三网融合推进过程中的首选系统传输解决方案。EPON系统通常由光网络单元ONU、光线路终端OLT及光分配网ODN组成。ONU产品作为三网融合光纤入户用户端产品，位于用户侧，放在住户、企业或MDU(多用户单元)处，将前端系统的光信号转换为以太网电信号，为用户提供EPON的接入功能，选择接收OLT发送的广播数据，并进行业务分流，除提供客户端语音、数据和视频接口外，还提供第二层交换功能[1-3]。本文采用Cortina芯片方案设计了一种可提供1路EPON接口和4口百兆以太网接口的ONU光网络单元产品，可实现灵活的应用方案，同时具备一定的成本优势，在三网融合的大背景下，可满足产品迅速推广需要。

1总体硬件设计方案

低成本4口百兆ONU光网络单元系统单元原理框图如图1所示，硬件系统核心为主处理器CS8032，通过SPI总线外扩SPI FlASH，组成处理器子系统；通过GMII接口扩展4口百兆交换芯片RTL8305，由网络变压器引出4路百兆以太网接口；通过高速串行SerDes总线与光模块互联，形成1路上下行数据速率可达1G的EPON接口；其余部分的电路主要有通用输入输出接口GPIO，可选配的E2PROM和时钟电源复位等辅助功能电路[4-5]。

1.1处理器子系统设计

ONU光网络单元主处理器采用Cortina公司的ONU专用芯片CS8032，该芯片内部集成主频500 MHz的ARM9处理器，可满足系统处理运算需要，主芯片内部还成了容量为2 Mbyte的SDRAM存储器，不需要外部扩展SDRAM存储器，通过SPI接口外扩4 Mbyte的SPIFlash，组成光网络单元ONU的处理器子系统，满足系统运行需要的同时大大降低了系统硬件成本，如图2所示。

主芯片CS8032内部集成遵循IEEE802.3ab规范的标准GMAC，可通过RGMII接口外接以太网PHY芯片或交换芯片扩展单路或多路以太网接口；集成高速串行SerDes接口，通过外接光模块实现用于上联OLT系统的EPON接口，数据速率可达1 Gbit/s；集成串口控制器，可直接扩展TTL串口，用于系统调试和后续升级；集成16路GPIO接口，可以灵活地对外部信号进行控制。

1.2以太网交换系统设计

主芯片CS8032内部集成1路GMAC，可外接PHY芯片或交换芯片扩展1路或多路以太网接口，本设计中采用RealTek公司的交换芯片RTL8305，扩展4路百兆以太网接口。RTL8305内部集成1路GMAC和4路百兆以太网交换接口，自带4路百兆物理层PHY，不需额外接PHY芯片。以太网交换系统设计原理如图3所示，主芯片CS8032集成的GMAC通过RGMII接口和RTL8305的GMAC直接互联，RTL8305的GMAC与内部的Switch互联，通过集成的PHY引出4路百兆以太网交换接口，以太网信号在连接外部之前还需要加上网络变压器芯片进行隔离处理，隔离变压器选用Group-Tek公司的低成本HST-2027器件，单个变压器含两路百兆以太网隔离耦合功能，本设计中4路百兆以太网采用两片HST-2027。RTL8305交换芯片内部集成了2k的MAC地址表和4 096个VLAN查找表，可以满足ONU以太网交换业务处理需要。

1.3EPON接口设计

ONU的EPON接口设计如图4所示，CS8032主芯片内部集成了EPON SerDes接口，高速串行差分信号ERX_P/ERX_N、ETX_P/ETX_N直接和光模块的高速串行收发器SerDes相连，形成数据速率为1 Gbit/s的高速通道；I2C总线实现控制功能，对光模块的工作状态进行反馈和控制；GPIO5和GPIO6通过对PONRX_CTL和PONTX_CTL信号的控制，在EPON接口不工作时，实现对光接口信号进行功率控制，达到节约能源的目的，同时在光信号异常如出现长发光的故障光模块影响其他ONU光模块应用时，通过GPIO5和GPIO6进行光模块收发光信号的通断控制。光模块型号采用海信宽带通信公司的LTB34D3-SC+，为目前业内主流型号[6]。

1.4外围辅助电路设计

ONU光网络单元主要的接口为1路EPON和4路百兆以太网接口，除此之外，外围还有串口和GPIO接口。CS8032内部集成了1路串口控制器，直接将串口信号RXD和TXD以插针的形式引出，不进行RS-232信号电平的转换，满足调试和后续产品升级需求的同时，可以有效降低产品成本。CS8032集成了16路通用输入输出即GPIO接口，满足ONU产品内部系统功能需求。其中，3路GPIO接口通过外接LED指示灯用于ONU工作状态指示，1路GPIO接口用于看门狗电路控制，2路GPIO用于光模块收发信号电源控制，其余接口预留后续使用。其他的辅助电路由时钟、电源、复位电路等组成，外部电源适配器输入的电源为12 V DC 1 A。

2软件系统设计

ONU光网络单元软件系统架构如图5所示，产品运行内核空间极小的eCos嵌入式操作系统，可以适配硬件平台紧凑的系统空间，根据底层硬件平台配置情况，对系统原生的硬件抽象层进行修改，完成硬件抽象层的移植，为上层软件提供硬件操作接口。Redboot完成对硬件平台的系统引导，实现硬件系统的初始化，用以引导eCos嵌入式系统。Redboot可以加载eCos应用程序，并提供Debug支持，通过Redboot还可以对目标系统环境参数进行管理。

Redboot不仅可以引导eCos系统，也可以作为其他嵌入式系统的引导程序，采用Cortina厂商为CS8032芯片提供的移植好的Redboot版本，简化软件开发过程。利用Redboot集成的Stub程序，为GDB工具的使用提供支持。设备驱动程序主要是串口驱动，Flash驱动，RTL8305交换芯片驱动和GPIO驱动，负责对硬件设备进行控制和管理，并完成设备数据的读写操作。驱动程序为上层软件提供标准的API函数，使得串口、Flash、RTL8305和GPIO设备可以满足上层应用程序访问需求，完成对设备的初始化配置、获取配置信息以及数据传输等操作。

ONU产品的EPON和网络接口都是基于以太网标准，eCos系统内部集成的网络包支持完整的TCP/IP网络协议栈，可满足系统对网络应用方面需要，在此基础上开发VLAN、QoS等其他网络应用。集成第三方的OAM管理维护和基于MPCP的EPON接口控制系统。eCos内部集成的Web服务器，可以在此基础上完成ONU产品用户配置网页界面，实现完备的产品功能。

3产品功能性能测试

光网络单元ONU主要针对运营商进行推广，在入网前需进行大量功能性能测试，按照业内标杆文件《中国电信EPON测试方案》，搭建测试环境，选取其中的主要功能性能指标进行测试。测试环境如图6所示，OLT的EPON接口经光分支器分出多路光纤接口，分别接入多个ONU的EPON接口，分光器最大分光比为1∶32，实际测试中分出10路进行测试。ONU的百兆以太网口分别连接至网络测试仪工作在百兆模式的以太网接口，OLT的千兆以太网接口连接至网络测试仪的千兆以太网接口中。

搭建好测试环境后，对ONU产品的功能和性能进行测试，功能方面主要验证ONU的注册和通信功能，验证ONU是否能顺利注册到OLT端，以及能否与OLT正常通信，具体测试项为ONU的MPCP发现和注册功能测试；性能方面主要按照RFC2544标准，通过网络测试仪测试ONU的数据传输性能，具体测试项为ONU的吞吐量性能、过载丢包率性能、包转发时延和背靠背性能的测试，测试结果如表1所示。

表1ONU光网络单元性能测试结果

测试结果表明，本文研制的ONU光网络单元产品可以与前端OLT设备正常注册和通信，各项功能正常，性能主要测试项指标满足《中国电信EPON测试方案》中的性能测试指标要求，满足产品应用和推广需求。

4结束语

本文设计了一种基于CS8032主芯片的低成本4口百兆ONU光网络单元产品，介绍了ONU光网络单元的总体硬件设计方案，对处理器子系统、以太网交换系统，EPON接口和外围电路设计分别进行了详细介绍，对ONU运行的软件系统也进行了阐述，最终搭建测试环境，对研制的ONU产品的主要功能性能进行测试，测试结果表明，研制的低成本ONU光网络单元产品功能性能稳定可靠，满足产品应用需求。本文设计的ONU光网络单元同时具有一定成本优势，方案所属产品已经在某地广电系统批量出货，市场反响较好。

参考文献：

[1]余宏博，孙运龙，韩一石.基于EPON的小区三网融合方案实现[J].电视技术，2013，37(S1)：70-73.

[2]胡元兵，刘海，刘德明.EPON系统中的ONU的设计[J].电子设计应用，2006(2)：85-87.

[3]朱雁程，黄俊，王建勇.基于ARM的EPON体系中ONU硬件设计[J].光通信技术，2009(4)：9-11.

[4]章凤麟，林如俭，张俊杰.Turbo EPON ONU硬件系统的设计[J].电视技术，2009，33(9)：74-76.

[5]吴海生，陈瑜，倪振华.用电信息采集专用低功耗ONU的设计与实现[J].光通信技术，2013(7)：24-26.

[6]陈学卿，高凡.EPON系统光收发电路设计[J].电视技术，2014，38(1)：61-65.

Design of low-cost optical network unit with four 100 Mbit/s ethernet port

ZHANG Wangyuan

(JiangsuAutomationResearchInstitute,JiangsuLianyungang222006,China)

Key words：ONU；low-cost；EPON

Abstract:A low-cost Optical Network Unit (ONU)is designed in this paper. The overall hardware design scheme, the processor subsystem, the Ethernet switch system, the EPON interface and the peripheral circuit design of ONU are introduced in detail, and the software system architecture and development process of the ONU is also introduced. A test environment is established to implement the function and performance test of ONU, and the test result show that the ONU designed in this paper can satisfy the needs of product application.

中图分类号：TN929.11

文献标志码：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.01.018

作者简介：

张望远(1984— )，硕士，工程师，主要进行机顶盒和宽带接入类产品开发。

责任编辑：许盈

收稿日期：2015-06-01

文献引用格式：张望远.低成本4口百兆ONU光网络单元设计[J].电视技术，2016，40(1)：91-94.

ZHANG W Y.Design of low-cost optical network unit with four 100 Mbit/s ethernet port[J].Video engineering，2016，40(1)：91-94.