基于FPGA的通信接口模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　某新型設(shè)備分為兩個(gè)相互分離的部分：射頻及信號(hào)處理部分（簡(jiǎn)稱“前端”）、數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)控制部分（簡(jiǎn)稱“后端”），兩部分之間相距較遠(yuǎn)。前端由多個(gè)模塊組成，均受后端中心機(jī)的控制，并且還需向中心機(jī)傳輸模塊狀態(tài)信息。為保證兩部分之間的通信并盡量簡(jiǎn)化通信線路設(shè)計(jì)，需要在前端設(shè)置通信接口模塊，負(fù)責(zé)前端各模塊與中心機(jī)之間的通信。文中設(shè)計(jì)了一個(gè)通信接口模塊，通過(guò)光纖接口與中心機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)前端受控模塊的遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

　　中心機(jī)和前端受控模塊之間相距較遠(yuǎn)，而且需要傳輸較大的數(shù)據(jù)量。一般的485串行接口已無(wú)法滿足要求，而光纖具有傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，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?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)通信延時(shí)的要求很高，因此適宜采用靈活性強(qiáng)且可以并行發(fā)送數(shù)據(jù)的FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)該模塊功能。

　　1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　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(jī)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(jī)的狀態(tài)信息（下行數(shù)據(jù)）；中心機(jī)控制通信接口模塊實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)發(fā)控制的命令。通信接口模塊對(duì)前兩種數(shù)據(jù)分開(kāi)處理，兩者之間互不干擾。后一種數(shù)據(jù)則是通過(guò)設(shè)置通信接口模塊內(nèi)的參數(shù)實(shí)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(shí)信號(hào)的控制下發(fā)送到各個(gè)設(shè)備，如周期性命令由于某些原因在下一周期到來(lái)之前沒(méi)有發(fā)送，則舊命令就會(huì)被清除掉。非周期性命令任何時(shí)間都可以發(fā)送，與定時(shí)信號(hào)無(wú)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(zhǎng)，相對(duì)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(jí)順序傳輸。

　　1．2 前端受控模塊接口協(xié)議

　　根據(jù)各模塊對(duì)傳輸數(shù)據(jù)量及對(duì)時(shí)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。

　?。?）三線同步串行接口。需要高速傳輸和對(duì)實(shí)時(shí)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(shí)鐘、幀結(jié)束等3個(gè)信號(hào)線。相對(duì)于通用異步串行接口具有傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于使用隨路時(shí)鐘方式的串行接口具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。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(zhǎng)度不同，設(shè)置同步串行接口的數(shù)據(jù)發(fā)送／接收長(zhǎng)度和有效時(shí)鐘邊沿個(gè)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(hào)傳輸結(jié)構(gòu)的電路，具有工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電流恒定、低功耗、低EMI、抗噪聲干擾等特點(diǎn)，工作頻率最高可達(dá)幾GHz。

　　2）通用異步串行接口。對(duì)于數(shù)據(jù)率和實(shí)時(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)控制，而單片機(jī)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(duì)雙絞線就可以完成傳輸，并且可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。同樣為保證信號(hào)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(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

　　（3）邏輯電平接口。部分前端模塊沒(méi)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(hào)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于控制命令，由于前端受控模塊的控制接口沒(méi)有鎖存功能，需要在通信接口模塊上對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行寄存，直到下次命令發(fā)生更改。對(duì)于邏輯電平信號(hào)輸入的狀態(tài)信息，由于信號(hào)電平變化較少，僅在檢測(cè)到有效電平變動(dòng)時(shí)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(hào)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(shí)鐘的恢復(fù)。同時(shí)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(shí)，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(guò)程中有中斷或在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目臻e時(shí)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(shí)字說(shuō)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(shí)，且每個(gè)標(biāo)識(shí)有唯一對(duì)應(yīng)的設(shè)備，一個(gè)設(shè)備可能有多個(gè)標(biāo)識(shí)字。字長(zhǎng)為從標(biāo)識(shí)到校驗(yàn)的長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)為命令或狀態(tài)信息。校驗(yàn)字為從字長(zhǎng)到數(shù)據(jù)的所有字節(jié)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）。