基于FPGA的通信接口模塊的設計

　　某新型設備分為兩個(gè)相互分離的部分：射頻及信號處理部分(簡(jiǎn)稱(chēng)“前端”)、數據處理及系統控制部分(簡(jiǎn)稱(chēng)“后端”)，兩部分之間相距較遠。前端由多個(gè)模塊組成，均受后端中心機的控制，并且還需向中心機傳輸模塊狀態(tài)信息。為保證兩部分之間的通信并盡量簡(jiǎn)化通信線(xiàn)路設計，需要在前端設置通信接口模塊，負責前端各模塊與中心機之間的通信。文中設計了一個(gè)通信接口模塊，通過(guò)光纖接口與中心機連接，實(shí)現了對前端受控模塊的遠程控制和狀態(tài)監測。

　　中心機和前端受控模塊之間相距較遠，而且需要傳輸較大的數據量。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、抗干擾能力強和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在高速通信中得到了廣泛應用。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，并且部分數據對通信延時(shí)的要求很高，因此適宜采用靈活性強且可以并行發(fā)送數據的FPGA來(lái)實(shí)現該模塊功能。

　　1 通信協(xié)議設計

　　1．1 傳輸數據類(lèi)型分析

　　通信接口模塊需要處理的數據分為3種：中心機發(fā)給前端受控模塊的控制命令(上行數據)；前端受控模塊發(fā)送給中心機的狀態(tài)信息(下行數據)；中心機控制通信接口模塊實(shí)現信息轉發(fā)控制的命令。通信接口模塊對前兩種數據分開(kāi)處理，兩者之間互不干擾。后一種數據則是通過(guò)設置通信接口模塊內的參數實(shí)現。

　　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)信號的控制下發(fā)送到各個(gè)設備，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)信號無(wú)關(guān)。非周期命令發(fā)送次數較少，但較重要，一般為初始化命令或重要參數的設置命令，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)信息所要傳輸的數據較少、周期較長(cháng)，相對于高速的光纖接口則可視為非周期數據，狀態(tài)信息可以用統一的方式處理，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

　　根據各模塊對傳輸數據量及對時(shí)間準確度的要求，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據、時(shí)鐘、幀結束等3個(gè)信號線(xiàn)。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(shí)鐘方式的串行接口具有實(shí)現簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。根據不同設備的控制命令字或狀態(tài)信息數據長(cháng)度不同，設置同步串行接口的數據發(fā)送／接收長(cháng)度和有效時(shí)鐘邊沿個(gè)數。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傳輸結構的電路，具有工作時(shí)驅動(dòng)電流恒定、低功耗、低EMI、抗噪聲干擾等特點(diǎn)，工作頻率最高可達幾GHz。

　　(2)通用異步串行接口。對于數據率和實(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據的模塊都用單片機實(shí)現控制，而單片機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)。只需一對雙絞線(xiàn)就可以完成傳輸，并且可以進(jìn)行長(cháng)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、傳輸距離遠的優(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實(shí)現的。對于控制命令，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(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、數據鏈路層和應用層。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換、串行解串和8B／10B編解碼等。數據鏈路層定義了幀格式和數據傳輸規則，鏈路層處理包括成幀和解幀。光纖通信協(xié)議結構如圖1所示。