基于FPGA的多通道HDLC收發(fā)電路設計

    HDLC(High Level Date Link Control)協(xié)議是通信領域中應用最廣泛的協(xié)議之一，它是面向比特的高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程，具有差錯檢測功能強大、高效和同步傳輸?shù)奶攸c。目前市場上有很多專用的HDLC芯片，但這些芯片大多控制復雜，通道數(shù)目有限；另一方面，專用芯片的使用會有效增大PCB板面積，不利于設備的小型化，而且?guī)砀叱杀镜葐栴}。
    FPGA能對任意數(shù)據(jù)寬度的信號進行處理，內(nèi)部的功能模塊可以并行處理。因此，采用FPGA技術設計HDLC協(xié)議控制器可以均衡整個系統(tǒng)的負荷，實現(xiàn)多通道的高性能HDLC協(xié)議控制器，保證通信的可靠性。同時它還具有設計開發(fā)周期短、設計制造成本低、可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛用于特殊芯片設計中。本設計中采用Altera公司的EP2C70F672C8芯片來實現(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)標志字。
    皿LC協(xié)議規(guī)定，所有信息傳輸必須以—個標志字開始，且以同一個標志字結束，這個標志字是01111110。開始標志到結束標志之間構成—個完整的信息單位，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)送標志字來做填充。
    (2)信息段及“0”比特插入技術。
    HDLC幀的信息長度是可變的，可傳送標志字以外的任意二進制信息。為了確保標志字是獨一無二的，發(fā)送方在發(fā)送信息時采用“0”比特插入技術，即發(fā)送方在發(fā)送除標志字符外的所有信息時(包括校驗位)，只要遇到連續(xù)的5個“1”，就自動插入一個“0”；反之，接收方在接收數(shù)據(jù)時，只要遇到連續(xù)的5個“1”，就自動將其后的“0”刪掉。“0”比特插入和刪除技術也使得’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)進行擴展，用于標識接收該幀的棧地址；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的類別和功能。
    (4)幀校驗。
    HDLC采用16位循環(huán)冗余校驗碼(CRC-16)進行差錯控制，其生成多項式為x16+x12+x5+1，差錯校驗指對整個幀的內(nèi)容作CRC循環(huán)冗余校驗，即對在糾錯范圍內(nèi)的錯碼進行糾正，對在校錯范圍內(nèi)的錯碼進行校驗，但不能糾正。標志位和按透明規(guī)則插入的所有“0”不在校驗的范圍內(nèi)。

2 HDLC協(xié)議的FPGA實現(xiàn)
    某遙控遙測平臺為確保滿足高速通訊、多通道收發(fā)、功能易于擴展配置的任務要求，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設計串行通信控制器來收發(fā)多通道HDLC數(shù)據(jù)的一體化設計。

    FPGA按照HDLC協(xié)議規(guī)程，接收并存儲來自集成處理器等8個獨立通道的數(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行隔離，以避免與外部設備之間的相互干擾，并且RS485芯片與光耦器件的相關電源使用由電氣供給的獨立5 V和5 V地。      HDLC協(xié)議總體結構框圖，如圖2所示，每個控制模塊由時鐘控制、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行識別，確認數(shù)據(jù)幀的發(fā)送地址是否為本設備(站地址=77H)，是本設備數(shù)據(jù)幀則進行接收數(shù)據(jù)并存儲在FIFO中，當接收數(shù)據(jù)幀結束時，發(fā)出中斷信號給ARM系統(tǒng)，請求接收HDLC數(shù)據(jù)。

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

3 實驗結果和分析
    首先，在FPGA中實現(xiàn)一對HDLC數(shù)據(jù)收發(fā)電路，并在對收發(fā)電路進行仿真和相關測試。通過在Matlab開發(fā)環(huán)境下，生成相關的數(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，最后對比仿真結果和Matlab生成的數(shù)據(jù)源，可以得到滿意的結果。仿真的測試代碼覆蓋率為100％，仿真結果和數(shù)據(jù)源完全吻合，可以認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，對設計進行一系列布局布線約束：(1)由前期的論證可知，設計的矛盾主要集中在資源的消耗上，所有模塊的優(yōu)化目標定位為“Area”，除FIFO外，其他模塊規(guī)劃在一起；(2)將FIFO劃分為獨立的模塊；(3)全局時鐘綁定在Global資源上，并／串、串／并模塊中的衍生時鐘，根據(jù)和全局時鐘的關系，設定為多周期路徑。
    實際數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性和可靠性，也跟單板、溫度等有關系。仿真完成后，在單板上進行飛線，對特定的收發(fā)電路進行電氣連接，進行回環(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行測試。在常溫下，經(jīng)過30小時的長時間運行測試后，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)包和錯數(shù)據(jù)包的情況。由測試結果可知，該HDLC收發(fā)電路的具有穩(wěn)定性和可靠性。高低溫實驗由于條件所限未進行，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 結束語
    針對某遙控遙測平臺的要求，文中提出了一種基于FPGA的多通道HDLC收發(fā)電路設計方案，并利用Altera公司的P2C70F672C8芯片來實現(xiàn)。目前，實現(xiàn)該電路的單板已經(jīng)完成調(diào)試，并成功地應用于整機試驗。實踐表明，該電路實現(xiàn)簡單、可靠性高、使用靈活等優(yōu)點，具有一定的推廣價值。