FPGA與PCM—9575嵌入式計(jì)算機(jī)異步通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：短波發(fā)射機(jī)自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)采用FPGA與嵌入式計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)各自的功能，其中他們之間的異步通信的設(shè)計(jì)是很重要的環(huán)節(jié)，其實(shí)用性、可靠性是需要考慮的主要方面，文章介紹利用ISE設(shè)計(jì)平臺(tái)采用層次化設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)二者之間的通信，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：異步通信嵌入式主板；FPGA；RS232；HDLC；FIFO

1 概述

短波（3.9MHZ-26.1MHZ）發(fā)射機(jī)更換工作頻率時(shí)為了保證發(fā)射機(jī)能正常工作在所需的頻率值，必須使高頻回路各個(gè)調(diào)諧器件在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的頻率的位置上。TBH522型150KW短波發(fā)射機(jī)數(shù)字化自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)采用XC2S200設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)8路步進(jìn)電機(jī)位置的采集、轉(zhuǎn)動(dòng)控制、及其他邏輯控制功能；使用臺(tái)灣生產(chǎn)的PCM-9575嵌入式主板實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信、調(diào)諧頻率數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)、發(fā)射機(jī)模擬量采集、人機(jī)對(duì)話界面等功能。由于該嵌入式主板有現(xiàn)成的RS232接口，我們對(duì)FPGA設(shè)計(jì)異步通信宏模塊，實(shí)現(xiàn)其與嵌入式主板通信，通信方式采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)電子工業(yè)聯(lián)合會(huì)（EIA）定制的RS232標(biāo)準(zhǔn)，通信協(xié)議采用的是高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議（HDLC）協(xié)議，負(fù)責(zé)傳送步進(jìn)電機(jī)的預(yù)置位置、實(shí)際位置、鍵盤數(shù)據(jù)、頻率以及一些控制命令等數(shù)據(jù)。

2 FPGA異步通信總的設(shè)計(jì)思想

RRI和TRO為異步通信輸入輸出引腳，嵌入式計(jì)算機(jī)COM口設(shè)置為9600波特率、1位奇偶校驗(yàn)位、1位停止位。CLK為系統(tǒng)時(shí)鐘16MHz。

LOAD信號(hào)只在接收到實(shí)際位置的時(shí)候維持大約4us的高電平，在其他狀態(tài)為低電平，在高電平時(shí)將步進(jìn)電機(jī)實(shí)際位置計(jì)數(shù)器置數(shù)，低電平時(shí)步進(jìn)電機(jī)實(shí)際位置計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

發(fā)送程序啟動(dòng)時(shí)，不斷掃描8路地址的總線，從第1路到第8路連續(xù)發(fā)送8幀數(shù)據(jù)，然后再重新掃描。

接收程序接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)鎖存到總線上，內(nèi)部設(shè)有差錯(cuò)處理功能，當(dāng)幀結(jié)構(gòu)不正確或一幀數(shù)據(jù)不完整將不會(huì)把數(shù)據(jù)送到總線上。

2.1 層次化設(shè)計(jì)

異步通信模塊涉及到的RS232通信標(biāo)準(zhǔn)和HDLC協(xié)議控制都比較復(fù)雜，從通信的層次來(lái)說，RS232數(shù)據(jù)底層的通信協(xié)議，HDLC協(xié)議控制數(shù)據(jù)高層協(xié)議控制，當(dāng)完成了底層的RS232通信的設(shè)計(jì)后，高層協(xié)議HDLC只需要按照其協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式調(diào)用底層的通信協(xié)議將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送出去即可。在接收時(shí)，接受完一幀數(shù)據(jù)后，在按照協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)“剝離”開，在按照數(shù)據(jù)的地址分配到相應(yīng)的總線上即可。

2.2 數(shù)據(jù)處理的要求

從本設(shè)計(jì)的需求來(lái)說，異步通信模塊與嵌入式計(jì)算機(jī)通信的數(shù)據(jù)量并不是很高，與嵌入式計(jì)算機(jī)通信所定義的HDLC協(xié)議也十分簡(jiǎn)單，沒有規(guī)定過多的應(yīng)答數(shù)據(jù)；硬件上也采用SPI的3根線，即接收、發(fā)送和地線，沒有其它的應(yīng)答信號(hào)。異步通信模塊與嵌入式計(jì)算機(jī)通信是一個(gè)被動(dòng)的過程，在這種情況下，可以想象，嵌入式計(jì)算機(jī)向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)在時(shí)間上具有一定的隨機(jī)性，可以發(fā)完一幀數(shù)據(jù)后馬上發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，或者等待一段時(shí)間后再發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，而FPGA接收數(shù)據(jù)是以幀為單位進(jìn)行接受，即每次接受一幀數(shù)據(jù)送入緩存器中，然后將緩存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完畢后再接收下一幀數(shù)據(jù)，而對(duì)于這種被動(dòng)的接收勢(shì)必對(duì)處理的速度有很高的要求，即接收到一幀數(shù)據(jù)后，迅速將數(shù)據(jù)讀出，清空緩沖區(qū)，等待下一幀數(shù)據(jù)的到來(lái)。

在發(fā)送上也采取這種策略，將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)迅速裝入緩沖區(qū)，做到不影響發(fā)送數(shù)據(jù)的連貫性。

為了提高讀寫速度，緩沖區(qū)采用同步先入先出堆棧（fifo），不用送地址，只要將讀、寫信號(hào)有效，然后送時(shí)鐘信號(hào)即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速度寫。

為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的可靠性，在接收上要做一定的差錯(cuò)控制。

3 內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

異步通信模塊主要由發(fā)送部分和接收部分組成，設(shè)計(jì)利用ISE平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，全部采用VHDL語(yǔ)言完成每個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)。

3.1 發(fā)送部分

發(fā)送模塊功能是將8路步進(jìn)電機(jī)實(shí)際位置的總線上的數(shù)據(jù)按照HDLC協(xié)議通過串行通信發(fā)送到嵌入式計(jì)算機(jī)中。主要包括復(fù)位電路模塊（reset_core）、發(fā)送控制模塊（transtmit_ctrl）、波特率分頻模塊（fen）、HDLC協(xié)議控制時(shí)鐘分頻模塊（FEN_HDLC）、先入先出堆棧（FIFO_T）、HDLC協(xié)議控制模塊（TX_HDLC）、異步通信發(fā)送模塊（UART_T）等7個(gè)模塊。

3.1.1 reset_core模塊

該模塊負(fù)責(zé)在上電后維持1μs的高電平，將內(nèi)部工作的所有模塊中的狀態(tài)機(jī)復(fù)位，然后維持低電平，讓內(nèi)部模塊開始工作。

3.1.2 transtmit_ctrl模塊

此模塊的功能是將8路步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際位置循環(huán)掃描寫入到FIFO_T堆棧中，特點(diǎn)是：（1）快速寫入數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)時(shí)鐘16MHz，用5個(gè)周期完成一個(gè)數(shù)據(jù)的寫入。相對(duì)于9600波特率的異步通信來(lái)說，此速度能夠保持發(fā)送數(shù)據(jù)的連貫性，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。（2）寫入FIFO_T中的數(shù)據(jù)格式按照先后為：地址位——數(shù)據(jù)位高字節(jié)——數(shù)據(jù)位低字節(jié)。（3）利用狀態(tài)機(jī)控制，并且在控制上采用控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸與處理分開，利用狀態(tài)機(jī)組合進(jìn)程產(chǎn)生控制信號(hào)，在其它進(jìn)程利用前者產(chǎn)生的控制信號(hào)控制數(shù)據(jù)的傳輸與處理，確保數(shù)據(jù)傳送有足夠的建立時(shí)間和保持時(shí)間，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和可靠。此狀態(tài)機(jī)充分考慮了和其他模塊之間信號(hào)的通信，數(shù)據(jù)穩(wěn)定的建立、保持時(shí)間。完成后的狀態(tài)機(jī)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到了深度為3個(gè)字節(jié)的FIFO模塊中，并且控制HDLC模塊將數(shù)據(jù)讀出發(fā)送出去。（4）狀態(tài)機(jī)組合邏輯進(jìn)程，該進(jìn)程在各個(gè)控制信號(hào)定義是盡量保持控制信號(hào)只在一個(gè)狀態(tài)有效，避免狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)毛刺。在此進(jìn)程中并沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，只是通過狀態(tài)的轉(zhuǎn)換送出控制信號(hào)。（5）描述鍵盤狀態(tài)緩沖器信號(hào)進(jìn)程。在上一個(gè)進(jìn)程中可以看到，當(dāng)鍵盤狀態(tài)緩沖器為低電平時(shí)，地址指向鍵盤地址，此時(shí)若模塊處于向堆棧數(shù)據(jù)過程中，很容易將先前的數(shù)據(jù)覆蓋，所以該信號(hào)應(yīng)該保證在寫堆棧到來(lái)期間無(wú)效，并且在完成后聯(lián)合調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，每次按鍵應(yīng)該保證只向嵌入式計(jì)算機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，多次發(fā)送將會(huì)引起嵌入式計(jì)算機(jī)的誤動(dòng)作。該進(jìn)程的功能就是使得每次按鍵后在等待發(fā)送數(shù)據(jù)過程中將鍵值捕獲，然后保證只發(fā)送一次。（6）鍵盤狀態(tài)寄存器描述進(jìn)程，該進(jìn)程是用鍵盤到來(lái)信號(hào)緩沖器來(lái)鎖存鍵盤狀態(tài)寄存器，使得數(shù)據(jù)能夠保持一個(gè)完整地寫周期。（7）數(shù)據(jù)選通進(jìn)程，由地址來(lái)控制，負(fù)責(zé)將各路數(shù)據(jù)送到緩沖器中。各個(gè)進(jìn)程之間利用信號(hào)來(lái)傳遞，互相協(xié)調(diào)工作，是一個(gè)完整的統(tǒng)一體，由寫信號(hào)作為預(yù)留，在需要時(shí)可以進(jìn)行擴(kuò)展和添加。

3.1.3 fifo_t模塊

此模塊是一個(gè)深度為3個(gè)字節(jié)的同步FIFO（先入先出堆棧），用來(lái)將地址、高字節(jié)數(shù)據(jù)、低字節(jié)數(shù)據(jù)寄存。

由于此模塊為一個(gè)同步FIFO，而本設(shè)計(jì)中的讀寫是分開的，讀寫的速度也不相同，寫的時(shí)候要求高速寫入，不影響通信的連貫性，讀的時(shí)候根據(jù)發(fā)送模塊的速度來(lái)讀取數(shù)據(jù)，所以讀、寫時(shí)鐘用兩個(gè)模塊中的狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生，為了不產(chǎn)生沖突，兩個(gè)模塊在空閑狀態(tài)將時(shí)鐘送出低電平，然后將兩個(gè)始終用一個(gè)或門連接，送入FIFO中進(jìn)行控制。

3.1.4 Tx_HDLC模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)以下幾個(gè)功能：

（1）FIFO的讀操作。將FIFO中的地址、高位字節(jié)數(shù)據(jù)、低位字節(jié)數(shù)據(jù)讀出來(lái)。（2）HDLC協(xié)議的控制。包括產(chǎn)生幀頭、幀尾數(shù)據(jù)（7E）附到數(shù)據(jù)流上，產(chǎn)生CRC校驗(yàn)多項(xiàng)式，將多項(xiàng)式的結(jié)果附到數(shù)據(jù)的尾部。（3）發(fā)送數(shù)據(jù)控制。利用狀態(tài)機(jī)控制發(fā)送程序，將處理好的一幀數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式計(jì)算機(jī)上。

模塊特點(diǎn)：

（1）流水線作業(yè)，將FIFO中的數(shù)據(jù)讀出來(lái)后進(jìn)行并-串轉(zhuǎn)換，將串行數(shù)據(jù)用流水線進(jìn)行CRC運(yùn)算，然后再進(jìn)行串-并轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。（2）利用程序計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)序控制，控制流水線的操作。（3）利用狀態(tài)機(jī)控制發(fā)送程序，并且控制和數(shù)據(jù)傳送分開，保證數(shù)據(jù)傳送有足夠的建立時(shí)間和保持時(shí)間。（4）增加數(shù)據(jù)鎖存語(yǔ)句，使得每次處理完的數(shù)據(jù)都能夠穩(wěn)定一段時(shí)間，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性。

3.1.5 異步通信發(fā)送模塊

采用波特率為9600，數(shù)據(jù)為8位，偶校驗(yàn)方式發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送時(shí)序?yàn)椋?/p>

（1）腳至為低電平，此時(shí)內(nèi)部狀態(tài)標(biāo)志復(fù)位，將TRBL置為高電平。（2）將數(shù)據(jù)送入端口準(zhǔn)備好，將TRBL信號(hào)置為低電平，此時(shí)TRE引腳邊為低電平，裝入數(shù)據(jù)，開始傳送。（3）RBL置為高電平，等待數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，輸出引腳TRE變?yōu)楦唠娖健?/p>

3.2 接收部分

接收部分實(shí)現(xiàn)的功能是將嵌入式計(jì)算機(jī)發(fā)送過來(lái)的步進(jìn)電機(jī)預(yù)制位置、實(shí)際位置等數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線上。嵌入式計(jì)算機(jī)通過COM口發(fā)送數(shù)據(jù)，通信協(xié)按照HDLC協(xié)議，根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的格式規(guī)定，該部分主要由接收數(shù)據(jù)模塊（UART_R），接收控制模塊（UART_CTRL），先入先出堆棧（FIFO）模塊，檢錯(cuò)控制模塊（MONITOR），數(shù)據(jù)控制模塊（MCU），裝載信號(hào)延時(shí)模塊（LOAD_DELAY）。

接收過程將一幀數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)按照規(guī)定送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線上。工作流程如下：

（1）UART_R負(fù)責(zé)接收上位及發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)，每次接受一個(gè)字節(jié)。（2）接收過程受UART_CTRL控制，由UART_CTRL內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)形成的時(shí)序來(lái)控制UART_R模塊，然后將接收到的1幀數(shù)據(jù)寫入FIFO。（3）MCU模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，包括所有模塊的初始化，數(shù)據(jù)控制，當(dāng)檢測(cè)到FIFO中的數(shù)據(jù)被寫滿，則將一幀數(shù)據(jù)從FIFO高速讀出，高速讀出是為了不影響數(shù)據(jù)的接收，然后按照地址將數(shù)據(jù)分配到相應(yīng)的總線上。（4）數(shù)據(jù)接收需要差錯(cuò)控制，幀數(shù)據(jù)不完整和不同步都視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，由內(nèi)部邏輯和MONITOR產(chǎn)生控制信號(hào)。

3.2.1 接收數(shù)據(jù)模塊（UART_R）

MR為高電平時(shí)，將模塊內(nèi)部寄存器復(fù)位；MR為低電平時(shí)，啟動(dòng)整個(gè)模塊，此時(shí)應(yīng)將DRR置成低電平，將輸出引腳DR置為低電平，然后再將DRR置為高電平，開始接收數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)按照9600的波特率，數(shù)據(jù)接收完畢后DR送出高電平，RBR[7..0]輸出接收到的數(shù)據(jù)。時(shí)序圖如圖2所示。

3.2.2 接收控制模塊（UART_CTRL）

接收控制模塊負(fù)責(zé)啟動(dòng)接收模塊接收嵌入式計(jì)算機(jī)發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入FIFO堆棧中。該模塊受MCU模塊控制，并和器協(xié)調(diào)工作，主要操作即是對(duì)FIFO的讀寫。該模塊沒有任何的總線傳輸，只是靠狀態(tài)機(jī)控制一些輸入輸出信號(hào)控制接收模塊和先入先出堆棧之間的數(shù)據(jù)通信。

3.2.3 檢錯(cuò)控制模塊（MONITOR）

在接收模塊工作期間，MCU讀FIFO是采用16M時(shí)鐘控制，高速讀取是為了不影響數(shù)據(jù)的接收，每來(lái)一幀數(shù)據(jù)，MCU模塊會(huì)迅速將FIFO中的數(shù)據(jù)讀空，使得FIFO的外部信號(hào)EMPTY，迅速處于高電平，也就是說，在接收到完整的一幀數(shù)據(jù)的情況下，EMPTY信號(hào)會(huì)形成一個(gè)短暫的高電平，當(dāng)通信出現(xiàn)問題，上位機(jī)還為發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)就停止數(shù)據(jù)的發(fā)送，這時(shí)UARTR_CTRL將會(huì)繼續(xù)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)，F(xiàn)IFO輸出的EMPTY信號(hào)也一直維持低電平，造成通信惡化，解決辦法即是加入了此模塊進(jìn)行控制。

此模塊相當(dāng)于一個(gè)看門狗定時(shí)器，外部信號(hào)只有3個(gè)，EMPTY，CLK為輸入信號(hào)。CLK為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，引自波特率時(shí)鐘分頻器，EMPTY每來(lái)一個(gè)高脈沖（喂狗）將內(nèi)部計(jì)數(shù)器清零，視為數(shù)據(jù)正確，ERROR送出低電平，當(dāng)EMPTY長(zhǎng)時(shí)間處于低電平，計(jì)數(shù)器計(jì)到2000后將ERROR自成一個(gè)高電平，將系統(tǒng)復(fù)位，再回到低電平。

3.2.4 數(shù)據(jù)控制模塊（MCU）

數(shù)據(jù)控制模塊負(fù)責(zé)將FIFO中的一幀數(shù)據(jù)讀出來(lái)，然后按照數(shù)據(jù)格式中規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，將數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線上。該模塊主要特點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)的高速讀取，采用16MHz時(shí)鐘控制，不影響通信的速度。（2）數(shù)據(jù)的鎖存，由內(nèi)部狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)，使得接收到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定的鎖存到數(shù)據(jù)總線上。（3）差錯(cuò)控制，配有簡(jiǎn)單的差錯(cuò)控制，當(dāng)幀數(shù)據(jù)不同步將總模塊重新復(fù)位，不會(huì)將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)送到總線上。（4）狀態(tài)機(jī)控制時(shí)序清晰，每一部數(shù)據(jù)的傳輸都有足夠的建立/保持時(shí)間。

4 異步通信模塊設(shè)計(jì)綜述

該異步通信模塊實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能，數(shù)據(jù)傳送較為可靠，但由于起初對(duì)設(shè)計(jì)需求分析不夠，系統(tǒng)中很多高級(jí)功能未被采用，例如HDLC協(xié)議中的插零，CRC校驗(yàn)位沒有被采用，接收部分也沒有對(duì)接收到的CRC校驗(yàn)位作處理，但是對(duì)于短波發(fā)射機(jī)自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)來(lái)說，由于通信數(shù)據(jù)量不大該設(shè)計(jì)已經(jīng)夠用，該通信模塊已經(jīng)使用8年，沒有出現(xiàn)任何問題，說明該設(shè)計(jì)是成功的，確保了我局安全傳輸發(fā)射工作。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：林大橋（1973-），男，漢族，福建龍巖人，國(guó)家新聞出版廣電總局七三一臺(tái)，工程碩士，本科，高級(jí)工程師。