NiosII系統(tǒng)是Altera公司的SOPC解決方案,，HDLC協(xié)議是通信領(lǐng)域中面向比特的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程,。

　　介紹了基于NiosII軟核的HDLC通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，并在協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,，完成了對(duì)無(wú)人值守基站系統(tǒng)的監(jiān)控與管理,。基站端的功能由基于NiosII軟核的SoPC完成,，PC機(jī)作為監(jiān)控中心完成對(duì)基站的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理,。本系統(tǒng)在保證雙方可靠通信的前提下，最終實(shí)現(xiàn)PC主控機(jī)與基站之間實(shí)時(shí),、可靠的信息交互與監(jiān)控管理功能,。

　　一 引言

　　HDLC（High-level Data Link Control)協(xié)議是通信領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的協(xié)議之一，是面向比特的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程,，具有強(qiáng)大的差錯(cuò)檢測(cè)功能和同步傳輸特點(diǎn),，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸[3]。市場(chǎng)上很多專用的HDLC芯片因追求功能的完備,，而使芯片的控制變得復(fù)雜,。實(shí)際上對(duì)某些特殊的場(chǎng)合，可選擇HDLC協(xié)議中最符合系統(tǒng)要求的部分功能,，設(shè)計(jì)一種功能相對(duì)簡(jiǎn)單,、使用靈活的控制器。

　　NiosII系統(tǒng)是Altera公司的SoPC解決方案,，它是一個(gè)運(yùn)行在FPGA上的32位RSIC處理器,。Altera公司對(duì)于NiosII的開發(fā)提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)QuartusII、SOPC Builder以及NiosII IDE[2] [4],。這樣,，硬件電路與外設(shè)的連接，NiosII軟核的配置,，C語(yǔ)言編寫與調(diào)試可有機(jī)地結(jié)合起來(lái),，大大提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率,，便于系統(tǒng)的更新與升級(jí)。

　　本設(shè)計(jì)即是采用Altera公司的CYCLONEII芯片ＥＰ2C35-672 FPGA實(shí)現(xiàn)基于NiosII的HDLC協(xié)議控制系統(tǒng),。在完成通信協(xié)議,、保證可靠通信的前提下，最終實(shí)現(xiàn)主控機(jī)與基站終端之間實(shí)時(shí),、可靠的信息交互與監(jiān)控管理功能[1],。

　　二 HDLC協(xié)議說(shuō)明[3]

　　HDLC協(xié)議具有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)報(bào)文可透明傳輸；全雙工通訊,；采用窗口機(jī)制和捎帶應(yīng)答,；采用幀校驗(yàn)序列，并對(duì)信息幀進(jìn)行順序編號(hào),，防止漏收或重收,，傳輸可靠性高；傳輸控制功能和處理功能分離,，應(yīng)用非常靈活,。HDLC執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸控制功能，一般分為3個(gè)階段：數(shù)據(jù)鏈路建立階段,、信息幀傳送階段,、數(shù)據(jù)鏈路釋放階段。

　　HDLC協(xié)議以幀為基本信息單位傳輸數(shù)據(jù),，無(wú)論是傳輸數(shù)據(jù)信息或是控制信息,，每個(gè)幀都采用統(tǒng)一的幀格式，如圖1所示：

圖1  HDLC幀格式

　　1． 標(biāo)志字段（F）

　　HDLC協(xié)議規(guī)定,，所有信息的傳輸必須以一個(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)志字就是01111110,。接收方可以通過搜索01111110來(lái)判斷幀的開始和結(jié)束,，以此建立幀同步。

　　2． 地址字段（A）

　　地址字段表示鏈路上站的地址,。地址字段為8位,，也可用8的倍數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，用于標(biāo)識(shí)接收該幀的站地址,。

　　3． 控制字段（C）

　　控制字段為8位,，用來(lái)表示幀類型、幀編號(hào)以及命令,、響應(yīng)等,。由圖1知，由于C字段的構(gòu)成不同,，可以把HDLC幀分為三種類型：信息(I)幀,、監(jiān)控(S)幀,、無(wú)編號(hào)(U)幀。在控制字段中,，第1位是“0”的為I幀,，第1、2位是“10”的為S幀,，第1,、2位是“11”的為U幀。

　　4． 信息字段（I）

　　信息字段內(nèi)包含了用戶的數(shù)據(jù)信息和來(lái)自上層的各種控制信息,。在I幀和某些U幀中,，具有該字段。HDLC幀的信息長(zhǎng)度是可變的,，其長(zhǎng)度由收發(fā)站緩沖器的大小和線路的差錯(cuò)情況決定,，但必須是8bit的整數(shù)倍。它可傳送標(biāo)志字以外的任意二進(jìn)制信息,。

　　5．幀校驗(yàn)序列字段（FCS）

　　幀校驗(yàn)序列用于對(duì)幀進(jìn)行CRC循環(huán)冗余校驗(yàn),。在HDLC協(xié)議中采用16位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼進(jìn)行差錯(cuò)控制,，其校驗(yàn)范圍從地址字段的第1比特到信息字段的最后1比特的序列,，并且規(guī)定為了透明傳輸而插入的“0”不在校驗(yàn)范圍內(nèi)。它的生成多項(xiàng)式為g(x)=X16+X12+X5+1,。

　　三 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　基站系統(tǒng)往往被安置在比較分散,、環(huán)境比較惡劣且無(wú)人值守的地方，因此它運(yùn)行的可靠性就顯得尤為重要,。SOPC的諸多特點(diǎn)滿足了此類系統(tǒng)的要求,。基于此定位,，該系統(tǒng)選用pc機(jī)作為監(jiān)控中心,，SOPC片上系統(tǒng)作基站端，它們之間采用HDLC協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠通信,。監(jiān)控中心完成建立和斷開鏈路的功能,，SOPC基站系統(tǒng)除了接收、執(zhí)行監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的命令外,，還要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集控制,，并將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心。

　　對(duì)于通信雙方,，數(shù)據(jù)都有發(fā)送與接收兩個(gè)傳輸方向,，即上行數(shù)據(jù)流和下行數(shù)據(jù)流。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，按照HDLC協(xié)議,，先將數(shù)據(jù)封裝成幀,，即加上幀頭、地址字段,、控制字段,、信息字段、CRC校驗(yàn)段,、幀尾,，當(dāng)緩沖區(qū)有空間時(shí)，將成幀數(shù)據(jù)送交緩沖區(qū)待發(fā)送,，數(shù)據(jù)幀再經(jīng)UART送到對(duì)方的RS-232接口,，數(shù)據(jù)進(jìn)入收方的緩沖區(qū)，收方則執(zhí)行與發(fā)送相反的操作,，即從緩沖區(qū)讀出數(shù)據(jù),、對(duì)其解幀、CRC校驗(yàn)判斷,、解碼,，并按照所提取的信息執(zhí)行相應(yīng)操作。完整的系統(tǒng)總框圖如圖2所示：

圖2  系統(tǒng)框圖

　　四 基于NiosII的SOPC功能設(shè)計(jì)

　　分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì),，分別在QuartusII,、SOPC Builder和NiosII IDE中完成。

　　1  硬件設(shè)計(jì)               

　　(1) 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括RS-232接口,、PIO接口,、顯示模塊和自定義CRC校驗(yàn)指令，這些部分都是用NiosII軟核來(lái)配置的,。NiosII作為系統(tǒng)的流程控制中心,，其作用是不言而喻的，通過采用SOPC Builder對(duì)NiosII進(jìn)行定制,，極大的減少了系統(tǒng)的使用資源,。整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示：

圖3  NiosII硬件原理圖

　　（2）NiosII軟核配置

　　利用QuartusII軟件中的SOPC Builder,，添加處理器,、總線、片內(nèi)ROM,、PIO,、UART、NiosII其它外設(shè)及接口,。系統(tǒng)的頂層模塊由NiosII軟核處理器標(biāo)準(zhǔn)版和系統(tǒng)時(shí)鐘組成,，系統(tǒng)時(shí)鐘通過鎖相環(huán)PLL再分配給各外設(shè)及SDRAM。

　?。?）自定義CRC校驗(yàn)指令

　　可編程軟核處理器最大的特點(diǎn)是靈活到可以方便的增加指令,，這樣可以把系統(tǒng)中用軟件處理耗時(shí)多的關(guān)鍵算法用硬件邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn),。自定義指令其實(shí)就是用戶讓NiosII軟核完成的一個(gè)功能，這個(gè)功能由采用HDL語(yǔ)言描述的電路模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),，該模塊被連接到NiosII軟核的算術(shù)邏輯部件上,。

　　CRC校驗(yàn)的一般算法需要大量的邏輯與循環(huán)運(yùn)算，如果用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)則要占用很多個(gè)時(shí)鐘周期,，使系統(tǒng)的效率降低,，而用硬件完成則僅需要幾個(gè)時(shí)鐘周期。NiosII正好提供了用戶自定義指令的功能,，因此給NiosII添加自定義CRC校驗(yàn)指令來(lái)完成該部分功能,，大大提高了系統(tǒng)的效率。

　　2  NiosII應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

　　NiosII應(yīng)用軟件用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),，完成了HDLC協(xié)議和對(duì)基站系統(tǒng)的控制兩個(gè)任務(wù),。首先完成HDLC協(xié)議中所要求的解幀校驗(yàn)處理、數(shù)據(jù)重新打包轉(zhuǎn)發(fā),、錯(cuò)誤處理等操作,，確保通訊的暢通與可靠?；径嗽诮邮盏奖O(jiān)控中心的命令后,，在應(yīng)用軟件的控制下，驅(qū)動(dòng)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)操作,，主要是對(duì)溫度,、濕度,、電壓,、煙感度等參數(shù)的讀取及環(huán)境參數(shù)的調(diào)整，執(zhí)行完畢后將結(jié)果反饋回監(jiān)控中心,?；诖怂枷耄琋iosII軟件分為HDLC協(xié)議實(shí)現(xiàn)部分和命令執(zhí)行部分,。

　?。?） 協(xié)議實(shí)現(xiàn)部分

　　a、接收數(shù)據(jù)

　　首先,，建立鏈路完成對(duì)幀序列,、各種外設(shè)參量、標(biāo)志位等變量的初始化,。函數(shù)void DeFrame( )用于每收到一幀后的解幀處理,，即包括幀長(zhǎng)度的判斷、CRC 校驗(yàn),、幀類型辨認(rèn),、幀序號(hào)的對(duì)照,。CRC校驗(yàn)碼的運(yùn)算由函數(shù)ALT_CI_CRC_CCITT( )完成，具體操作是調(diào)用配置的自定義CRC校驗(yàn)指令,，賦數(shù)據(jù)值,，然后通過硬件運(yùn)算返回計(jì)算的CRC碼，再和數(shù)據(jù)幀中的校驗(yàn)碼對(duì)比,，相同則是正確信息,，不等則判為錯(cuò)誤信息。

　　b,、發(fā)送數(shù)據(jù)

　　定義變量volatile int edge_capture來(lái)進(jìn)行基站環(huán)境參數(shù)信息的捕捉,，如溫度、濕度,、電壓等,。NiosII應(yīng)用軟件根據(jù)對(duì)環(huán)境參量的讀取和判斷，還要對(duì)異常狀況做特殊處理,。比如,，如果某參量出現(xiàn)超標(biāo)則必需立刻發(fā)送信息幀進(jìn)行告警，以使用戶進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整,。

　　具體發(fā)送時(shí),，數(shù)據(jù)先裝幀再送入緩沖區(qū)等待。為了防止幀丟失造成通訊雙方處于僵滯的等待狀態(tài),，引入計(jì)時(shí)器,，即每發(fā)一次信息幀都要啟動(dòng)計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，若計(jì)時(shí)器溢出,，重發(fā)上一幀并重新計(jì)時(shí),。以發(fā)送電壓值為例，對(duì)其具體過程進(jìn)行說(shuō)明：

　　void InfoVoltageFrame( ),；                                    //裝電壓幀

　　void SendBuf(unsigned char Frame[],int SendDataLen),；   //幀送緩沖區(qū)

　　void TimeDelay( )；                                         //啟動(dòng)計(jì)時(shí)器

　　若超時(shí),，置超時(shí)標(biāo)志DelayFlag=1,；

　　在此條件下，調(diào)用函數(shù)ReSendFrame( ),；              //重發(fā)上一幀

　　再次啟動(dòng)計(jì)時(shí)器TimeDelay( ),；

　　c、HDLC協(xié)議中滑動(dòng)窗口的處理

　　只將滑動(dòng)窗口協(xié)議中最關(guān)鍵的幀序號(hào)變化的具體代碼呈現(xiàn)出來(lái)：

　　……

　　If ((RvByte(2) And &HF)/2)=VR Then 'NS與VR作比較,，相等則接收并發(fā)送確認(rèn)幀

　　VR = ((VR + 1) And & H7)

　　……

　　If (RvByte(2) And &HF) = 1 Then    '收到確認(rèn)S幀

　　SysTime.Enabled = False

　　VS = ((VS + 1) And & H7)

　　……

　?。?）命令執(zhí)行軟件部分

　　這部分軟件主要是驅(qū)動(dòng)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)命令。一方面，監(jiān)控中心啟動(dòng)自動(dòng)監(jiān)控功能,， NiosII每隔5秒會(huì)接收到監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的讀取參量信息命令,，NiosII執(zhí)行命令并讀取外設(shè)參量送至發(fā)送緩存；另一方面,，若環(huán)境參量發(fā)生變化,，NiosII會(huì)對(duì)其進(jìn)行判斷，如果超標(biāo)則立即主動(dòng)發(fā)告警信息幀給監(jiān)控中心,。

　　五 結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出了一種基于ＦＰＧＡ的ＨＤＬＣ協(xié)議控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,，并利用Altera公司的CYCLONEII芯片ＥＰ2C35-672來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明,，利用NiosII實(shí)現(xiàn)的HDLC協(xié)議控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,、使用靈活，能夠很好地應(yīng)用于各種小型通信設(shè)備,。通過不同階段大量的測(cè)試,，系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定,，完成了實(shí)時(shí)可靠的通訊與準(zhǔn)確的控制,。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):

　　1、 技術(shù)手段的創(chuàng)新：使用NiosII這種新型的SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了ＨＤＬＣ協(xié)議,。

　　2,、 應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新：實(shí)現(xiàn)了對(duì)基站各種信息（如工作電壓、環(huán)境溫度,、濕度,、煙感度等）的實(shí)時(shí)監(jiān)控與可靠管理。

　　參考文獻(xiàn)

　　1羅朝霞,張高記  基于TMS320F2407A DSP的MODBUS通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn) 微計(jì)算機(jī)信息2005 No.20 P.138-139,

　　2任愛鋒,，初秀琴 等．基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)．西安電子科技大學(xué)出版社．2004

　　3謝希仁．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程．人民郵電出版社．2002

　　4 Altera．NiosII Processor Reference Handbook．2006