基于FPGA的通信接口模块设计与实现

摘要 针对前端射频及信号处理部分与中心机需要进行远程通信的需要，设计了一款由FPGA实现的通信接口模块。该模块实现了射频及信号处理部分与中心机的通信，包括中心机发给前端受控模块的控制命令；前端受控模块发送给中心机的状态信息；中心机控制通信接口模块实现信息转发控制的命令。通过仿真分析，该通信接口模块能够完成远程数据传输的功能。
关键词 光纤通信；同步串行通信；通用异步串行；FPGA

某新型设备分为两个相互分离的部分：射频及信号处理部分(简称“前端”)、数据处理及系统控制部分(简称“后端”)，两部分之间相距较远。前端由多个模块组成，均受后端中心机的控制，并且还需向中心机传输模块状态信息。为保证两部分之间的通信并尽量简化通信线路设计，需要在前端设置通信接口模块，负责前端各模块与中心机之间的通信。文中设计了一个通信接口模块，通过光纤接口与中心机连接，实现了对前端受控模块的远程控制和状态监测。
中心机和前端受控模块之间相距较远，而且需要传输较大的数据量。一般的485串行接口已无法满足要求，而光纤具有传输速度快、传输距离远、抗干扰能力强和重量轻等优点，在高速通信中得到了广泛应用。因此这里选择光纤作为通信介质。通信接口模块连接的受控模块众多，各模块具有不同的通信协议和接口形式，并且部分数据对通信延时的要求很高，因此适宜采用灵活性强且可以并行发送数据的FPGA来实现该模块功能。

1 通信协议设计
1．1 传输数据类型分析
通信接口模块需要处理的数据分为3种：中心机发给前端受控模块的控制命令(上行数据)；前端受控模块发送给中心机的状态信息(下行数据)；中心机控制通信接口模块实现信息转发控制的命令。通信接口模块对前两种数据分开处理，两者之间互不干扰。后一种数据则是通过设置通信接口模块内的参数实现。
控制命令分为两种，即周期性命令和非周期性命令。周期性命令在周期性的定时信号的控制下发送到各个设备，如周期性命令由于某些原因在下一周期到来之前没有发送，则旧命令就会被清除掉。非周期性命令任何时间都可以发送，与定时信号无关。非周期命令发送次数较少，但较重要，一般为初始化命令或重要参数的设置命令，不允许有丢失。
状态信息也有周期性和非周期性之分，但状态信息所要传输的数据较少、周期较长，相对于高速的光纤接口则可视为非周期数据，状态信息可以用统一的方式处理，并且各模块使用固定的优先级顺序传输。
1．2 前端受控模块接口协议
根据各模块对传输数据量及对时间准确度的要求，使用了3种接口协议：三线同步串行接口、通用异步串行接口和逻辑电平接口。
(1)三线同步串行接口。需要高速传输和对实时性要求较高的模块采用三线同步串行接口。三线同步串行接口包含数据、时钟、帧结束等3个信号线。相对于通用异步串行接口具有传输速度快的优点，相对于使用随路时钟方式的串行接口具有实现简单的优点。根据不同设备的控制命令字或状态信息数据长度不同，设置同步串行接口的数据发送／接收长度和有效时钟边沿个数。为保证在较高速度下的通信传输质量，三线制同步串行接口采用LVDS电平。LVDS电路是一种具有低电平电压摆幅差分信号传输结构的电路，具有工作时驱动电流恒定、低功耗、低EMI、抗噪声干扰等特点，工作频率最高可达几GHz。
(2)通用异步串行接口。对于数据率和实时性要求不高的模块，采用通用异步串行接口。恰好大部分慢速传输数据的模块都用单片机实现控制，而单片机都有通用异步串行接口。异步串行接口较同步串行接口使用较少的连接线。只需一对双绞线就可以完成传输，并且可以进行长距离传输。同样为保证信号传输质量，通信电平采用RS485。RS485采用差分传输，具有抗干扰能力强、传输距离远的优点。
(3)逻辑电平接口。部分前端模块没有专用的通信接口，其控制接口和状态信息是按照逻辑电平信号实现的。对于控制命令，由于前端受控模块的控制接口没有锁存功能，需要在通信接口模块上对输出信号进行寄存，直到下次命令发生更改。对于逻辑电平信号输入的状态信息，由于信号电平变化较少，仅在检测到有效电平变动时通信接口模块才回传状态信息。
1．3 光纤通信协议
光纤通信协议分为物理层、数据链路层和应用层。物理层定义了传输介质和信号传输方式，物理层处理包括光电转换、串行解串和8B／10B编解码等。数据链路层定义了帧格式和数据传输规则，链路层处理包括成帧和解帧。光纤通信协议结构如图1所示。

协议使用8B／10B编码保证数据通道的直流平衡，完成时钟的恢复。同时利用8B／10B编码的控制字符作为数据帧传输的起始、结束标识，并作为传输信道的同步控制。在每一数据帧的起始位置添加帧起始控制字符，在数据帧的结束位置添加帧结束控制字符，在数据传输过程中有中断或在无数据传输的空闲时段填充同步控制字符。