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。

　　協議使用8B／10B編碼保證數據通道的直流平衡，完成時鐘的恢復。同時利用8B／10B編碼的控制字符作為數據幀傳輸的起始、結束標識，并作為傳輸信道的同步控制。在每一數據幀的起始位置添加幀起始控制字符，在數據幀的結束位置添加幀結束控制字符，在數據傳輸過程中有中斷或在無數據傳輸的空閑時段填充同步控制字符。

　　控制命令和狀態數據都以數據幀的方式在光纖上傳輸。數據幀格式如圖2所示。標識字說明數據幀的性質和傳輸到的設備，不同的應用有不同的標識，且每個標識有唯一對應的設備，一個設備可能有多個標識字。字長為從標識到校驗的長度。數據為命令或狀態信息。校驗字為從字長到數據的所有字節的循環冗余校驗碼（CRC）。