基于FPGA的多通道HDLC收發(fā)電路設(shè)計(jì)

HDLC(High Level Date Link Control)協(xié)議是通信領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的協(xié)議之一，它是面向比特的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程，具有差錯(cuò)檢測功能強(qiáng)大、高效和同步傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。目前市場上有很多專用的HDLC芯片，但這些芯片大多控制復(fù)雜，通道數(shù)目有限；另一方面，專用芯片的使用會(huì)有效增大PCB板面積，不利于設(shè)備的小型化，而且?guī)砀叱杀镜葐栴}。

　　FPGA能對任意數(shù)據(jù)寬度的信號(hào)進(jìn)行處理，內(nèi)部的功能模塊可以并行處理。因此，采用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)HDLC協(xié)議控制器可以均衡整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)多通道的高性能HDLC協(xié)議控制器，保證通信的可靠性。同時(shí)它還具有設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于特殊芯片設(shè)計(jì)中。本設(shè)計(jì)中采用Altera公司的EP2C70F672C8芯片來實(shí)現(xiàn)HDLC協(xié)議控制器。

　　1 HDLC協(xié)議簡介

　　在HDLC通信方式中，所有信息都是以幀的形式傳送，HDLC幀格式，如表1所示。

　　(1)標(biāo)志字。

　　皿LC協(xié)議規(guī)定，所有信息傳輸必須以—個(gè)標(biāo)志字開始，且以同一個(gè)標(biāo)志字結(jié)束，這個(gè)標(biāo)志字是01111110。開始標(biāo)志到結(jié)束標(biāo)志之間構(gòu)成—個(gè)完整的信息單位，稱為一幀。接收方可以通過搜索01111110來探知幀的開始和結(jié)束，以此建立幀同步。在幀與幀之間的空載期，可連續(xù)發(fā)送標(biāo)志字來做填充。

　　(2)信息段及“0”比特插入技術(shù)。

　　HDLC幀的信息長度是可變的，可傳送標(biāo)志字以外的任意二進(jìn)制信息。為了確保標(biāo)志字是獨(dú)一無二的，發(fā)送方在發(fā)送信息時(shí)采用“0”比特插入技術(shù)，即發(fā)送方在發(fā)送除標(biāo)志字符外的所有信息時(shí)(包括校驗(yàn)位)，只要遇到連續(xù)的5個(gè)“1”，就自動(dòng)插入一個(gè)“0”；反之，接收方在接收數(shù)據(jù)時(shí)，只要遇到連續(xù)的5個(gè)“1”，就自動(dòng)將其后的“0”刪掉。“0”比特插入和刪除技術(shù)也使得’HDLC具有良好的傳輸透明性，任何比特代碼都可傳輸。

　　(3)地址段及控制段。

　　地址字段為8位，也可以8的倍數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，用于標(biāo)識(shí)接收該幀的棧地址；控制字段為8位，發(fā)送方的控制字段用來表示命令和響應(yīng)的類別和功能。

　　(4)幀校驗(yàn)。

　　HDLC采用16位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC-16)進(jìn)行差錯(cuò)控制，其生成多項(xiàng)式為x16+x12+x5+1，差錯(cuò)校驗(yàn)指對整個(gè)幀的內(nèi)容作CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)，即對在糾錯(cuò)范圍內(nèi)的錯(cuò)碼進(jìn)行糾正，對在校錯(cuò)范圍內(nèi)的錯(cuò)碼進(jìn)行校驗(yàn)，但不能糾正。標(biāo)志位和按透明規(guī)則插入的所有“0”不在校驗(yàn)的范圍內(nèi)。

　　2 HDLC協(xié)議的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　某遙控遙測平臺(tái)為確保滿足高速通訊、多通道收發(fā)、功能易于擴(kuò)展配置的任務(wù)要求，中心控制器采用了以高性能的ARM7為CPU數(shù)據(jù)處理核心、采用FPGA設(shè)計(jì)串行通信控制器來收發(fā)多通道HDLC數(shù)據(jù)的一體化設(shè)計(jì)。

　　FPGA按照HDLC協(xié)議規(guī)程，接收并存儲(chǔ)來自集成處理器等8個(gè)獨(dú)立通道的數(shù)字量。系統(tǒng)先將外部輸入的HDLC數(shù)據(jù)流由RS485電氣特性轉(zhuǎn)換為TTL電平，在此過程中用光耦進(jìn)行隔離，以避免與外部設(shè)備之間的相互干擾，并且RS485芯片與光耦器件的相關(guān)電源使用由電氣供給的獨(dú)立5 V和5 V地。 HDLC協(xié)議總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示，每個(gè)控制模塊由時(shí)鐘控制、編碼／沖突檢測、發(fā)送和接收FIFO等功能模塊組成。在發(fā)送方向和接收方向，各有一個(gè)128 bit的FIFO，用于串行通道和CPU總線接口之間的數(shù)據(jù)緩沖。發(fā)送是接收的逆過程，這里以HDLC數(shù)據(jù)接收為例進(jìn)行說明。

　　FPGA串行通信控制器接收HDLC數(shù)據(jù)的原理為：首先，將接收到的數(shù)據(jù)幀的消息字段和附加的狀態(tài)字段移入，然后根據(jù)選定的尋址模式，對接收幀中的目的地址進(jìn)行識(shí)別，確認(rèn)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送地址是否為本設(shè)備(站地址=77H)，是本設(shè)備數(shù)據(jù)幀則進(jìn)行接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在FIFO中，當(dāng)接收數(shù)據(jù)幀結(jié)束時(shí)，發(fā)出中斷信號(hào)給ARM系統(tǒng)，請求接收HDLC數(shù)據(jù)。

目的地址不是本設(shè)備的數(shù)據(jù)幀將被拋棄，流程圖如圖3所示。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

　　首先，在FPGA中實(shí)現(xiàn)一對HDLC數(shù)據(jù)收發(fā)電路，并在對收發(fā)電路進(jìn)行仿真和相關(guān)測試。通過在Matlab開發(fā)環(huán)境下，生成相關(guān)的數(shù)據(jù)文件作為HDLC的數(shù)據(jù)源，在ModelSim SE 6．1的測試文件中直接調(diào)用，最后對比仿真結(jié)果和Matlab生成的數(shù)據(jù)源，可以得到滿意的結(jié)果。仿真的測試代碼覆蓋率為100％，仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)源完全吻合，可以認(rèn)定電路的正確性及良好的可靠性。圖4，圖5分別為HDLC數(shù)據(jù)收發(fā)模塊在ModelSim SE 6．1中的仿真圖。

　　為合理利用FPGA內(nèi)部的邏輯資源，對設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列布局布線約束：(1)由前期的論證可知，設(shè)計(jì)的矛盾主要集中在資源的消耗上，所有模塊的優(yōu)化目標(biāo)定位為“Area”，除FIFO外，其他模塊規(guī)劃在一起；(2)將FIFO劃分為獨(dú)立的模塊；(3)全局時(shí)鐘綁定在Global資源上，并／串、串／并模塊中的衍生時(shí)鐘，根據(jù)和全局時(shí)鐘的關(guān)系，設(shè)定為多周期路徑。

　　實(shí)際數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性和可靠性，也跟單板、溫度等有關(guān)系。仿真完成后，在單板上進(jìn)行飛線，對特定的收發(fā)電路進(jìn)行電氣連接，進(jìn)行回環(huán)測試法，即發(fā)送端輸出的數(shù)據(jù)由其接收端接收回來進(jìn)行測試。在常溫下，經(jīng)過30小時(shí)的長時(shí)間運(yùn)行測試后，接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)做了對比，沒有發(fā)現(xiàn)丟數(shù)據(jù)包和錯(cuò)數(shù)據(jù)包的情況。由測試結(jié)果可知，該HDLC收發(fā)電路的具有穩(wěn)定性和可靠性。高低溫實(shí)驗(yàn)由于條件所限未進(jìn)行，單板的溫度特性可由器件的溫度特性大概推知，這里不做討論。

　　4 結(jié)束語

　　針對某遙控遙測平臺(tái)的要求，文中提出了一種基于FPGA的多通道HDLC收發(fā)電路設(shè)計(jì)方案，并利用Altera公司的P2C70F672C8芯片來實(shí)現(xiàn)。目前，實(shí)現(xiàn)該電路的單板已經(jīng)完成調(diào)試，并成功地應(yīng)用于整機(jī)試驗(yàn)。實(shí)踐表明，該電路實(shí)現(xiàn)簡單、可靠性高、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣價(jià)值。

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