基于PCI总线的HDLC通信卡的设计与实现

PCI9054工作于C模式从设备方式，采用分散／聚合(Scatter—Gather)DMA方式进行数据快速传输，以发挥其速度快的优势。根据PCI9054读写时序图可知，在C模式从设备方式下，FPGA读取PCI9054本地端ads_n和hlast_n的引脚状态，判断是单周期读写状态还是猝发读写状态，实现地址获取和数据读写，其状态机如图2所示。同时，在上位机读数据完毕后，如果读FI．FO为空则将EOT#引脚拉低，将数据传输结束信号上传，强行停止主机数据读操作。这就需要在DMA初始化过程中，设置DMAMODE寄存器的第14位为EOT#有效模式。

3.2 HDLC通信模块实现

HDLC的标准帧格式如表1所示，但HDLC也有由用户定义的非标准帧格式，常用于点对点的通信中。在非标准格式中，地址段、控制段、CRC段是可选的。本通信卡主要用于点对点通信，且采用简化的HDLC协议，即省略地址段、控制段、CRC段。其中CRC校验功能由上位机软件实现。

HDLC是面向位的，在待传数据中出现与标志字一样的数据时，如果不进行处理，就会被误认为是帧边界。为了避免此错误，HDLC规定采用“零比特填充法”使一帧中两个字段之间不会出现6个连续1。具体做法是：发送数据时，先进行帧数据扫描，只要发现有连续的5个1，则立即插入一个0，以此保证数据中不会出现连续6个1；接收数据时，先找到3E字段以确定帧的边界，接着对其后的比特流进行扫描，每发现5个连续1就将其后的0删除，以此保证所传比特流中不出现帧标志，直到帧尾标志出现，从而实现HDLC在链路层的“透明传输”，保证发送端可以发送任意组合的比特流信息，而接收端都能准确无误地接收到。

FPGA中实现的简化HDLC模块总体框图如图3所示。读写FIFO采用Ahera公司的LPM功能模块实现，大。小可根据需要设置，本通信卡设为512x32 bit。发送数据舅时，写FIFO接收Pc数据(总线宽度为32 bit)，首先进行曼并串转换，再进行插“O”操作，最后插入标志字按位发送出去，输出数据Tx和输出时钟Tx_Clk保持同步，整个过程由发送控制状态机进行控制。接收数据与发送数据过程相反，由接收控制状态机进行控制。其中输入、输出时钟可以设置为68 kHz或者768 kHz。

发送控制状态机和接收控制状态机分别如图4、图5所示。发送数据时，发送状态机首先判断写FIFO是否有数据，若有数据，则插入帧头，依次读取FIFO数据，完成插“0”操作和插帧尾操作，并按照从低到高的顺序发送数据，直至写FIFO为空。接收数据时，首先搜索帧头，为了防止接收到连续两个标志字而把后一个标志字误认为是数据，设置搜索数据状态(Data_find)，若不是标志字，则作为数据进行去“0”操作，完成串并转换和帧尾检测，并将接收到的数据以32 bit为单位，逐次写入读FIFO中。当一帧传输结束，采用中断信号通知上位机及时读取数据。一旦检测到丢弃序列(0x7F)，则结束对此帧数据的处理，并清空读FIFO里的数据，同时上报PC机错误信息，请求发送方重新发送数据。

3.3 功能时序图

图6、图7分别给出了利用Quartus II的在线逻辑分析仪SignalTap II获取的PCI写数据、HDLC数据发送和HDLC接收、PCI读数据的时序波形图。从图中可以看到，HDLC模块正确实现了插“O”和去“0”操作，并能与PCI9054进行正确的数据收发。

本文采用PCI总线控制器PCI9054和FPGA技术设计实现了一款符合简化HDLC协议的通信卡，并已成功应用于实际工作中。实际应用表明收发数据正确，可以满足高速数据通信要求。同时，该通信卡设计中预留了一定的扩展空间，能够根据需要进行功能拓展。本通信卡可应用于信号处理、数据通信等场合，对PCI总线应用设计有一定的参考价值。

实验结果表明，基于ARM9和CPLD硬件平台，在嵌入式Linux操作系统下，系统能够实现等速跟踪、位置定点和正弦跟踪等功能，满足控制实时性要求，可实现伺服控制。系统体积小、成本低、功耗小、接口丰富、便于开发，且Linux系统具有很好的文件管理功能，有助于实验数据的存储和导出，便于实验结果分析。系统进一步完善后可将控制程序设计成图形界面，利用触摸屏输入和显示伺服控制结果，则可实现控制结果实时显示，可视化效果好，整个系统可脱离计算机工作，具有广泛的应用价值。