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(mǎn)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(lèi)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(xiàn)同步串行接口,、通用異步串行接口和邏輯電平接口,。

(1)三線(xiàn)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(xiàn)同步串行接口。三線(xiàn)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(xiàn)。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(xiàn)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(xiàn)。只需一對(duì)雙絞線(xiàn)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(zhuān)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。

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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),。

2 通信接口模塊實(shí)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(shí)現(xiàn),。通信接口模塊對(duì)上行控制命令和下行狀態(tài)信息進(jìn)行獨(dú)立處理,。在FPGA內(nèi)實(shí)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(shí)現(xiàn)光纖通信協(xié)議的物理層處理,。成幀和解幀模塊實(shí)現(xiàn)光纖通信協(xié)議的鏈路層處理,。控制命令處理和狀態(tài)數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)用戶(hù)數(shù)據(jù)處理,。三線(xiàn)同步串行接口,、通用異步串行接口和邏輯電平接口實(shí)現(xiàn)針對(duì)各個(gè)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(shí)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(shí)通過(guò)8B／10B編碼將發(fā)送時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。成幀／解幀模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度檢驗(yàn),、數(shù)據(jù)校驗(yàn),、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(cè)FIFO緩沖器是否有數(shù)據(jù),，如有數(shù)據(jù)則開(kāi)啟一次控制命令處理,。數(shù)據(jù)處理時(shí)，根據(jù)標(biāo)志字將數(shù)據(jù)寫(xiě)入相應(yīng)的設(shè)備接口,，一幀數(shù)據(jù)處理完成后,，通過(guò)設(shè)置幀有效信號(hào)，啟動(dòng)接口模塊發(fā)送,?？刂茽顟B(tài)機(jī)如圖4所示

2．3 狀態(tài)數(shù)據(jù)處理邏輯

由于各個(gè)前端受控模塊下行數(shù)據(jù)量較少、數(shù)據(jù)間時(shí)間間隔較大,，而FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)處理速度遠(yuǎn)快于外部接口,，因此不存在某一受控模塊始終占據(jù)總線(xiàn)的情況。這樣不需要考慮按照請(qǐng)求到來(lái)時(shí)間順序進(jìn)行處理請(qǐng)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(xiàn)請(qǐng)求后,，按照固定的優(yōu)先級(jí)處理。

2．4 三線(xiàn)制同步串行口

三線(xiàn)制同步串行接口的邏輯結(jié)構(gòu)如圖6所示,。三線(xiàn)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(shí)鐘信號(hào)控制,，實(shí)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(jí)異步FIFO,，實(shí)現(xiàn)跨時(shí)鐘域變換。當(dāng)緩存中有數(shù)據(jù)時(shí),，向狀態(tài)信息處理模塊發(fā)出請(qǐng)求,，等待讀出數(shù)據(jù)。

三線(xiàn)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(jì)數(shù)器組成,。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置不同長(zhǎng)度的移位寄存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入和串行移出,。移位計(jì)數(shù)器控制數(shù)據(jù)移出的個(gè)數(shù),，同時(shí)控制時(shí)鐘信號(hào)和幀同步信號(hào)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(duì)于周期性控制命令設(shè)置一級(jí)緩存,，當(dāng)新數(shù)據(jù)來(lái)時(shí)緩存被新數(shù)據(jù)覆蓋。對(duì)于非周期控制命令設(shè)置4級(jí)FIFO,，由于非周期控制命令較少,，4級(jí)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(yàn)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(shí)序,，接收控制邏輯將移動(dòng)移位寄存器，實(shí)現(xiàn)字節(jié)數(shù)據(jù)的接收和串并轉(zhuǎn)換,。幀檢驗(yàn)?zāi)K按照特定前端受控模塊的通信數(shù)據(jù)幀格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),，對(duì)檢驗(yàn)成功的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。數(shù)據(jù)緩存中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后向狀態(tài)信息處理模塊發(fā)出請(qǐng)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(yàn)、幀頭和幀尾,。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊針對(duì)字節(jié)數(shù)據(jù)按照通用異步通信的時(shí)序要求，將數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換發(fā)送出去,。

3 仿真結(jié)果

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4 結(jié)束語(yǔ)

文中以FPGA為控制核心,，實(shí)現(xiàn)了中心機(jī)控制多個(gè)遠(yuǎn)程受控模塊的通信接口模塊,。該設(shè)計(jì)具有電路簡(jiǎn)單、協(xié)議設(shè)計(jì)靈活,，邏輯結(jié)構(gòu)擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),。仿真表明，該設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)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,。