基于FPGA的多通道HDLC收發電路設計

HDLC(High Level Date Link Control)協議是通信領域中應用最廣泛的協議之一，它是面向比特的高級數據鏈路控制規程，具有差錯檢測功能強大、高效和同步傳輸的特點。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，而且帶來高成本等問題。

　　FPGA能對任意數據寬度的信號進行處理，內部的功能模塊可以并行處理。因此，采用FPGA技術設計HDLC協議控制器可以均衡整個系統的負荷，實現多通道的高性能HDLC協議控制器，保證通信的可靠性。同時它還具有設計開發周期短、設計制造成本低、可實時在線檢驗等優點，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HDLC協議控制器。

　　1 HDLC協議簡介

　　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協議規定，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，可連續發送標志字來做填充。

　　(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，發送方在發送信息時采用“0”比特插入技術，即發送方在發送除標志字符外的所有信息時(包括校驗位)，只要遇到連續的5個“1”，就自動插入一個“0”；反之，接收方在接收數據時，只要遇到連續的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的倍數進行擴展，用于標識接收該幀的棧地址；控制字段為8位，發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容作CRC循環冗余校驗，即對在糾錯范圍內的錯碼進行糾正，對在校錯范圍內的錯碼進行校驗，但不能糾正。標志位和按透明規則插入的所有“0”不在校驗的范圍內。

　　2 HDLC協議的FPGA實現

　　某遙控遙測平臺為確保滿足高速通訊、多通道收發、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數據處理核心、采用FPGA設計串行通信控制器來收發多通道HDLC數據的一體化設計。

　　FPGA按照HDLC協議規程，接收并存儲來自集成處理器等8個獨立通道的數字量。系統先將外部輸入的HDLC數據流由RS485電氣特性轉換為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、發送和接收FIFO等功能模塊組成。在發送方向和接收方向，各有一個128 bit的FIFO，用于串行通道和CPU總線接口之間的數據緩沖。發送是接收的逆過程，這里以HDLC數據接收為例進行說明。

　　FPGA串行通信控制器接收HDLC數據的原理為：首先，將接收到的數據幀的消息字段和附加的狀態字段移入，然后根據選定的尋址模式，對接收幀中的目的地址進行識別，確認數據幀的發送地址是否為本設備(站地址=77H)，是本設備數據幀則進行接收數據并存儲在FIFO中，當接收數據幀結束時，發出中斷信號給ARM系統，請求接收HDLC數據。

目的地址不是本設備的數據幀將被拋棄，流程圖如圖3所示。

　　3 實驗結果和分析

　　首先，在FPGA中實現一對HDLC數據收發電路，并在對收發電路進行仿真和相關測試。通過在Matlab開發環境下，生成相關的數據文件作為HDLC的數據源，在ModelSim SE 6．1的測試文件中直接調用，最后對比仿真結果和Matlab生成的數據源，可以得到滿意的結果。仿真的測試代碼覆蓋率為100％，仿真結果和數據源完全吻合，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數據收發模塊在ModelSim SE 6．1中的仿真圖。

　　為合理利用FPGA內部的邏輯資源，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，所有模塊的優化目標定位為“Area”，除FIFO外，其他模塊規劃在一起；(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，根據和全局時鐘的關系，設定為多周期路徑。

　　實際數據收發的穩定性和可靠性，也跟單板、溫度等有關系。仿真完成后，在單板上進行飛線，對特定的收發電路進行電氣連接，進行回環測試法，即發送端輸出的數據由其接收端接收回來進行測試。在常溫下，經過30小時的長時間運行測試后，接收和發送的數據做了對比，沒有發現丟數據包和錯數據包的情況。由測試結果可知，該HDLC收發電路的具有穩定性和可靠性。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收發電路設計方案，并利用Altera公司的P2C70F672C8芯片來實現。目前，實現該電路的單板已經完成調試，并成功地應用于整機試驗。實踐表明，該電路實現簡單、可靠性高、使用靈活等優點，具有一定的推廣價值。

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