基于FPGA的通信接口模塊設(shè)計與實現(xiàn)

摘要 針對前端射頻及信號處理部分與中心機需要進行遠程通信的需要，設(shè)計了一款由FPGA實現(xiàn)的通信接口模塊。該模塊實現(xiàn)了射頻及信號處理部分與中心機的通信，包括中心機發(fā)給前端受控模塊的控制命令；前端受控模塊發(fā)送給中心機的狀態(tài)信息；中心機控制通信接口模塊實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)控制的命令。通過仿真分析，該通信接口模塊能夠完成遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?br /> 關(guān)鍵詞 光纖通信；同步串行通信；通用異步串行；FPGA

    某新型設(shè)備分為兩個相互分離的部分：射頻及信號處理部分(簡稱“前端”)、數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)控制部分(簡稱“后端”)，兩部分之間相距較遠。前端由多個模塊組成，均受后端中心機的控制，并且還需向中心機傳輸模塊狀態(tài)信息。為保證兩部分之間的通信并盡量簡化通信線路設(shè)計，需要在前端設(shè)置通信接口模塊，負責(zé)前端各模塊與中心機之間的通信。文中設(shè)計了一個通信接口模塊，通過光纖接口與中心機連接，實現(xiàn)了對前端受控模塊的遠程控制和狀態(tài)監(jiān)測。
    中心機和前端受控模塊之間相距較遠，而且需要傳輸較大的數(shù)據(jù)量。一般的485串行接口已無法滿足要求，而光纖具有傳輸速度快、傳輸距離遠、抗干擾能力強和重量輕等優(yōu)點，在高速通信中得到了廣泛應(yīng)用。因此這里選擇光纖作為通信介質(zhì)。通信接口模塊連接的受控模塊眾多，各模塊具有不同的通信協(xié)議和接口形式，并且部分數(shù)據(jù)對通信延時的要求很高，因此適宜采用靈活性強且可以并行發(fā)送數(shù)據(jù)的FPGA來實現(xiàn)該模塊功能。

1 通信協(xié)議設(shè)計
1．1 傳輸數(shù)據(jù)類型分析
    通信接口模塊需要處理的數(shù)據(jù)分為3種：中心機發(fā)給前端受控模塊的控制命令(上行數(shù)據(jù))；前端受控模塊發(fā)送給中心機的狀態(tài)信息(下行數(shù)據(jù))；中心機控制通信接口模塊實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)控制的命令。通信接口模塊對前兩種數(shù)據(jù)分開處理，兩者之間互不干擾。后一種數(shù)據(jù)則是通過設(shè)置通信接口模塊內(nèi)的參數(shù)實現(xiàn)。
    控制命令分為兩種，即周期性命令和非周期性命令。周期性命令在周期性的定時信號的控制下發(fā)送到各個設(shè)備，如周期性命令由于某些原因在下一周期到來之前沒有發(fā)送，則舊命令就會被清除掉。非周期性命令任何時間都可以發(fā)送，與定時信號無關(guān)。非周期命令發(fā)送次數(shù)較少，但較重要，一般為初始化命令或重要參數(shù)的設(shè)置命令，不允許有丟失。
    狀態(tài)信息也有周期性和非周期性之分，但狀態(tài)信息所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較少、周期較長，相對于高速的光纖接口則可視為非周期數(shù)據(jù)，狀態(tài)信息可以用統(tǒng)一的方式處理，并且各模塊使用固定的優(yōu)先級順序傳輸。
1．2 前端受控模塊接口協(xié)議
    根據(jù)各模塊對傳輸數(shù)據(jù)量及對時間準(zhǔn)確度的要求，使用了3種接口協(xié)議：三線同步串行接口、通用異步串行接口和邏輯電平接口。
    (1)三線同步串行接口。需要高速傳輸和對實時性要求較高的模塊采用三線同步串行接口。三線同步串行接口包含數(shù)據(jù)、時鐘、幀結(jié)束等3個信號線。相對于通用異步串行接口具有傳輸速度快的優(yōu)點，相對于使用隨路時鐘方式的串行接口具有實現(xiàn)簡單的優(yōu)點。根據(jù)不同設(shè)備的控制命令字或狀態(tài)信息數(shù)據(jù)長度不同，設(shè)置同步串行接口的數(shù)據(jù)發(fā)送／接收長度和有效時鐘邊沿個數(shù)。為保證在較高速度下的通信傳輸質(zhì)量，三線制同步串行接口采用LVDS電平。LVDS電路是一種具有低電平電壓擺幅差分信號傳輸結(jié)構(gòu)的電路，具有工作時驅(qū)動電流恒定、低功耗、低EMI、抗噪聲干擾等特點，工作頻率最高可達幾GHz。
    (2)通用異步串行接口。對于數(shù)據(jù)率和實時性要求不高的模塊，采用通用異步串行接口。恰好大部分慢速傳輸數(shù)據(jù)的模塊都用單片機實現(xiàn)控制，而單片機都有通用異步串行接口。異步串行接口較同步串行接口使用較少的連接線。只需一對雙絞線就可以完成傳輸，并且可以進行長距離傳輸。同樣為保證信號傳輸質(zhì)量，通信電平采用RS485。RS485采用差分傳輸，具有抗干擾能力強、傳輸距離遠的優(yōu)點。
    (3)邏輯電平接口。部分前端模塊沒有專用的通信接口，其控制接口和狀態(tài)信息是按照邏輯電平信號實現(xiàn)的。對于控制命令，由于前端受控模塊的控制接口沒有鎖存功能，需要在通信接口模塊上對輸出信號進行寄存，直到下次命令發(fā)生更改。對于邏輯電平信號輸入的狀態(tài)信息，由于信號電平變化較少，僅在檢測到有效電平變動時通信接口模塊才回傳狀態(tài)信息。
1．3 光纖通信協(xié)議
    光纖通信協(xié)議分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層定義了傳輸介質(zhì)和信號傳輸方式，物理層處理包括光電轉(zhuǎn)換、串行解串和8B／10B編解碼等。數(shù)據(jù)鏈路層定義了幀格式和數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則，鏈路層處理包括成幀和解幀。光纖通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    協(xié)議使用8B／10B編碼保證數(shù)據(jù)通道的直流平衡，完成時鐘的恢復(fù)。同時利用8B／10B編碼的控制字符作為數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)钠鹗?、結(jié)束標(biāo)識，并作為傳輸信道的同步控制。在每一數(shù)據(jù)幀的起始位置添加幀起始控制字符，在數(shù)據(jù)幀的結(jié)束位置添加幀結(jié)束控制字符，在數(shù)據(jù)傳輸過程中有中斷或在無數(shù)據(jù)傳輸?shù)目臻e時段填充同步控制字符。

    控制命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)幀的方式在光纖上傳輸。數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示。標(biāo)識字說明數(shù)據(jù)幀的性質(zhì)和傳輸?shù)降脑O(shè)備，不同的應(yīng)用有不同的標(biāo)識，且每個標(biāo)識有唯一對應(yīng)的設(shè)備，一個設(shè)備可能有多個標(biāo)識字。字長為從標(biāo)識到校驗的長度。數(shù)據(jù)為命令或狀態(tài)信息。校驗字為從字長到數(shù)據(jù)的所有字節(jié)的循環(huán)冗余校驗碼(CRC)。

2 通信接口模塊實現(xiàn)
    通信接口模塊以FPGA為控制核心，外圍添加電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)。通信接口模塊對上行控制命令和下行狀態(tài)信息進行獨立處理。在FPGA內(nèi)實現(xiàn)的邏輯框圖如圖3所示。
    光纖接收和光纖發(fā)送模塊實現(xiàn)光纖通信協(xié)議的物理層處理。成幀和解幀模塊實現(xiàn)光纖通信協(xié)議的鏈路層處理?？刂泼钐幚砗蜖顟B(tài)數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)處理。三線同步串行接口、通用異步串行接口和邏輯電平接口實現(xiàn)針對各個前端受控模塊的數(shù)據(jù)傳輸。
2．1 光纖接口
    按照光纖通信協(xié)議，光纖接口包括物理層和鏈路層處理，即圖3中的光纖發(fā)送／接收、成幀／解幀邏輯模塊，發(fā)送和接收是相反方向的處理。光纖接收／發(fā)送邏輯模塊實現(xiàn)串行解串編解碼和8B／10B編解碼。串行器將并行數(shù)據(jù)變?yōu)榇袛?shù)據(jù)發(fā)送至光纖接口；解串器將從光纖接口接收到的串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)。同時通過8B／10B編碼將發(fā)送時鐘編碼到數(shù)據(jù)中一同發(fā)送，解串器則從數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時鐘。串行器采用
SN65LV1023A器件，解串器采用SN65LV1224B器件。8B／10B編解碼則在FPGA中實現(xiàn)。成幀／解幀模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)長度檢驗、數(shù)據(jù)校驗、添加幀頭和幀尾。

2．2 控制命令處理邏輯
    控制命令處理邏輯首先檢測FIFO緩沖器是否有數(shù)據(jù)，如有數(shù)據(jù)則開啟一次控制命令處理。數(shù)據(jù)處理時，根據(jù)標(biāo)志字將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的設(shè)備接口，一幀數(shù)據(jù)處理完成后，通過設(shè)置幀有效信號，啟動接口模塊發(fā)送?？刂茽顟B(tài)機如圖4所示。
2．3 狀態(tài)數(shù)據(jù)處理邏輯
    由于各個前端受控模塊下行數(shù)據(jù)量較少、數(shù)據(jù)間時間間隔較大，而FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速度遠快于外部接口，因此不存在某一受控模塊始終占據(jù)總線的情況。這樣不需要考慮按照請求到來時間順序進行處理請求，而是狀態(tài)數(shù)據(jù)處理邏輯接到受控模塊接口的總線請求后，按照固定的優(yōu)先級處理。
2．4 三線制同步串行口
    三線制同步串行接口的邏輯結(jié)構(gòu)如圖6所示。三線制同步串行口接收模塊可分為數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)接收緩存兩部分。數(shù)據(jù)接收部分由移位寄存器組成。移位寄存器受接收的時鐘信號控制，實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)接收完成后，直接輸出到數(shù)據(jù)接收緩存。數(shù)據(jù)接收緩存設(shè)置2級異步FIFO，實現(xiàn)跨時鐘域變換。當(dāng)緩存中有數(shù)據(jù)時，向狀態(tài)信息處理模塊發(fā)出請求，等待讀出數(shù)據(jù)。

    三線制同步串行口發(fā)送模塊同樣可分為兩部分：數(shù)據(jù)發(fā)送緩存和數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送部分主要是由移位寄存器、移位計數(shù)器組成。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)長度設(shè)置不同長度的移位寄存器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入和串行移出。移位計數(shù)器控制數(shù)據(jù)移出的個數(shù)，同時控制時鐘信號和幀同步信號的產(chǎn)生。數(shù)據(jù)緩存部分根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的不同而不同。對于周期性控制命令設(shè)置一級緩存，當(dāng)新數(shù)據(jù)來時緩存被新數(shù)據(jù)覆蓋。對于非周期控制命令設(shè)置4級FIFO，由于非周期控制命令較少，4級緩存已經(jīng)足夠。數(shù)據(jù)緩存部分優(yōu)先發(fā)送非周期控制命令。
2．5 通用異步串口
    通用異步串行接口的邏輯結(jié)構(gòu)如圖7所示。通用異步串行接口的接收模塊可分為數(shù)據(jù)接收、幀檢驗和數(shù)據(jù)緩存3部分。數(shù)據(jù)接收部分包括移位寄存器和接收控制邏輯。按照通用異步串行接口的時序，接收控制邏輯將移動移位寄存器，實現(xiàn)字節(jié)數(shù)據(jù)的接收和串并轉(zhuǎn)換。幀檢驗?zāi)K按照特定前端受控模塊的通信數(shù)據(jù)幀格式對數(shù)據(jù)進行檢驗，對檢驗成功的數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。數(shù)據(jù)緩存中存儲數(shù)據(jù)后向狀態(tài)信息處理模塊發(fā)出請求，等待數(shù)據(jù)讀出。

    通用異步串口的發(fā)送模塊同樣分為3部分：數(shù)據(jù)緩存、幀形成、數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)緩存接收控制命令處理模塊的數(shù)據(jù)并緩存。由于通用異步串口發(fā)送的命令都是非周期命令，使用128 Byte的FIFO作為數(shù)據(jù)緩存。在幀形成模塊中為數(shù)據(jù)添加校驗、幀頭和幀尾。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊針對字節(jié)數(shù)據(jù)按照通用異步通信的時序要求，將數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換發(fā)送出去。

3 仿真結(jié)果
    FPGA選用Xilinx公司XC3S500E器件，該器件具有足夠的差分接口、邏輯和存儲器資源，能滿足該設(shè)計的要求。首先在ISE中利用Verilog HDL語言編寫邏輯代碼并用ISim對各個模塊進行了詳細的功能仿真。光纖通信接口的仿真結(jié)果如圖8所示。該仿真利用光纖收發(fā)模塊進行自環(huán)，檢驗?zāi)K輸入輸出的正確性。從光纖接口接收到相應(yīng)控制命令后三線同步串行接口，通用異步串行接口的數(shù)據(jù)輸出仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。仿真表明，程序輸出數(shù)據(jù)發(fā)送正確且數(shù)據(jù)處理時延很小。

4 結(jié)束語
    文中以FPGA為控制核心，實現(xiàn)了中心機控制多個遠程受控模塊的通信接口模塊。該設(shè)計具有電路簡單、協(xié)議設(shè)計靈活，邏輯結(jié)構(gòu)擴展性強等優(yōu)點。仿真表明，該設(shè)計能夠滿足通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芤?，目前已?yīng)用到具體設(shè)備中。