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)對通信延時的要求很高,，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來實(shí)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(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(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(shí)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(diǎn),，相對于使用隨路時鐘方式的串行接口具有實(shí)現(xiàn)簡單的優(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(diǎn),，工作頻率最高可達(dá)幾GHz,。

2)通用異步串行接口。對于數(shù)據(jù)率和實(shí)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(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,。只需一對雙絞線就可以完成傳輸，并且可以進(jìn)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(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(shí)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(jìn)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。

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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)钠鹗肌⒔Y(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(yàn)的長度,。數(shù)據(jù)為命令或狀態(tài)信息。校驗(yàn)字為從字長到數(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(shí)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(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(shí)現(xiàn),。成幀／解幀模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)長度檢驗(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(jī)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(yuǎn)快于外部接口,，因此不存在某一受控模塊始終占據(jù)總線的情況。這樣不需要考慮按照請求到來時間順序進(jìn)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(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級異步FIFO,，實(shí)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(shí)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(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序,，接收控制邏輯將移動移位寄存器，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)幀格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),，對檢驗(yàn)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(yàn)、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

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4 結(jié)束語

文中以FPGA為控制核心,，實(shí)現(xiàn)了中心機(jī)控制多個遠(yuǎn)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(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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,。