基于FPGA的通信接口模塊的設計

　　某新型設備分為兩個相互分離的部分：射頻及信號處理部分(簡稱“前端”)、數據處理及系統控制部分(簡稱“后端”)，兩部分之間相距較遠。前端由多個模塊組成，均受后端中心機的控制，并且還需向中心機傳輸模塊狀態信息。為保證兩部分之間的通信并盡量簡化通信線路設計，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。文中設計了一個通信接口模塊，通過光纖接口與中心機連接，實現了對前端受控模塊的遠程控制和狀態監測。

　　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串行接口已無法滿足要求，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點，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。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議和接口形式，并且部分數據對通信延時的要求很高，因此適宜采用靈活性強且可以并行發送數據的FPGA來實現該模塊功能。

　　1 通信協議設計

　　1．1 傳輸數據類型分析

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

　　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信號的控制下發送到各個設備，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送，與定時信號無關。非周期命令發送次數較少，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。

　　狀態信息也有周期性和非周期性之分，但狀態信息所要傳輸的數據較少、周期較長，相對于高速的光纖接口則可視為非周期數據，狀態信息可以用統一的方式處理，并且各模塊使用固定的優先級順序傳輸。

　　1．2 前端受控模塊接口協議

　　根據各模塊對傳輸數據量及對時間準確度的要求，使用了3種接口協議：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據、時鐘、幀結束等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點，相對于使用隨路時鐘方式的串行接口具有實現簡單的優點。根據不同設備的控制命令字或狀態信息數據長度不同，設置同步串行接口的數據發送／接收長度和有效時鐘邊沿個數。為保證在較高速度下的通信傳輸質量，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構的電路，具有工作時驅動電流恒定、低功耗、低EMI、抗噪聲干擾等特點，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據的模塊都用單片機實現控制，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。只需一對雙絞線就可以完成傳輸，并且可以進行長距離傳輸。同樣為保證信號傳輸質量，通信電平采用RS485。RS485采用差分傳輸，具有抗干擾能力強、傳輸距離遠的優點。

　　(3)邏輯電平接口。部分前端模塊沒有專用的通信接口，其控制接口和狀態信息是按照邏輯電平信號實現的。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行寄存，直到下次命令發生更改。對于邏輯電平信號輸入的狀態信息，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信息。

　　1．3 光纖通信協議

　　光纖通信協議分為物理層、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。光纖通信協議結構如圖1所示。