基于FPGA的多通道HDLC收发电路设计

    HDLC(High Level Date Link Control)协议是通信领域中应用最广泛的协议之一，它是面向比特的高级数据链路控制规程，具有差错检测功能强大、高效和同步传输的特点。目前市场上有很多专用的HDLC芯片，但这些芯片大多控制复杂，通道数目有限；另一方面，专用芯片的使用会有效增大PCB板面积，不利于设备的小型化，而且带来高成本等问题。
    FPGA能对任意数据宽度的信号进行处理，内部的功能模块可以并行处理。因此，采用FPGA技术设计HDLC协议控制器可以均衡整个系统的负荷，实现多通道的高性能HDLC协议控制器，保证通信的可靠性。同时它还具有设计开发周期短、设计制造成本低、可实时在线检验等优点，因此被广泛用于特殊芯片设计中。本设计中采用Altera公司的EP2C70F672C8芯片来实现HDLC协议控制器。

1 HDLC协议简介
    在HDLC通信方式中，所有信息都是以帧的形式传送，HDLC帧格式，如表1所示。

    (1)标志字。
    皿LC协议规定，所有信息传输必须以—个标志字开始，且以同一个标志字结束，这个标志字是01111110。开始标志到结束标志之间构成—个完整的信息单位，称为一帧。接收方可以通过搜索01111110来探知帧的开始和结束，以此建立帧同步。在帧与帧之间的空载期，可连续发送标志字来做填充。
    (2)信息段及“0”比特插入技术。
    HDLC帧的信息长度是可变的，可传送标志字以外的任意二进制信息。为了确保标志字是独一无二的，发送方在发送信息时采用“0”比特插入技术，即发送方在发送除标志字符外的所有信息时(包括校验位)，只要遇到连续的5个“1”，就自动插入一个“0”；反之，接收方在接收数据时，只要遇到连续的5个“1”，就自动将其后的“0”删掉。“0”比特插入和删除技术也使得’HDLC具有良好的传输透明性，任何比特代码都可传输。
    (3)地址段及控制段。
    地址字段为8位，也可以8的倍数进行扩展，用于标识接收该帧的栈地址；控制字段为8位，发送方的控制字段用来表示命令和响应的类别和功能。
    (4)帧校验。
    HDLC采用16位循环冗余校验码(CRC-16)进行差错控制，其生成多项式为x16+x12+x5+1，差错校验指对整个帧的内容作CRC循环冗余校验，即对在纠错范围内的错码进行纠正，对在校错范围内的错码进行校验，但不能纠正。标志位和按透明规则插入的所有“0”不在校验的范围内。

2 HDLC协议的FPGA实现
    某遥控遥测平台为确保满足高速通讯、多通道收发、功能易于扩展配置的任务要求，中心控制器采用了以高性能的ARM7为CPU数据处理核心、采用FPGA设计串行通信控制器来收发多通道HDLC数据的一体化设计。

    FPGA按照HDLC协议规程，接收并存储来自集成处理器等8个独立通道的数字量。系统先将外部输入的HDLC数据流由RS485电气特性转换为TTL电平，在此过程中用光耦进行隔离，以避免与外部设备之间的相互干扰，并且RS485芯片与光耦器件的相关电源使用由电气供给的独立5 V和5 V地。      HDLC协议总体结构框图，如图2所示，每个控制模块由时钟控制、编码／冲突检测、发送和接收FIFO等功能模块组成。在发送方向和接收方向，各有一个128 bit的FIFO，用于串行通道和CPU总线接口之间的数据缓冲。发送是接收的逆过程，这里以HDLC数据接收为例进行说明。

    FPGA串行通信控制器接收HDLC数据的原理为：首先，将接收到的数据帧的消息字段和附加的状态字段移入，然后根据选定的寻址模式，对接收帧中的目的地址进行识别，确认数据帧的发送地址是否为本设备(站地址=77H)，是本设备数据帧则进行接收数据并存储在FIFO中，当接收数据帧结束时，发出中断信号给ARM系统，请求接收HDLC数据。

  目的地址不是本设备的数据帧将被抛弃，流程图如图3所示。

3 实验结果和分析
    首先，在FPGA中实现一对HDLC数据收发电路，并在对收发电路进行仿真和相关测试。通过在Matlab开发环境下，生成相关的数据文件作为HDLC的数据源，在ModelSim SE 6．1的测试文件中直接调用，最后对比仿真结果和Matlab生成的数据源，可以得到满意的结果。仿真的测试代码覆盖率为100％，仿真结果和数据源完全吻合，可以认定电路的正确性及良好的可靠性。图4，图5分别为HDLC数据收发模块在ModelSim SE 6．1中的仿真图。

    为合理利用FPGA内部的逻辑资源，对设计进行一系列布局布线约束：(1)由前期的论证可知，设计的矛盾主要集中在资源的消耗上，所有模块的优化目标定位为“Area”，除FIFO外，其他模块规划在一起；(2)将FIFO划分为独立的模块；(3)全局时钟绑定在Global资源上，并／串、串／并模块中的衍生时钟，根据和全局时钟的关系，设定为多周期路径。
    实际数据收发的稳定性和可靠性，也跟单板、温度等有关系。仿真完成后，在单板上进行飞线，对特定的收发电路进行电气连接，进行回环测试法，即发送端输出的数据由其接收端接收回来进行测试。在常温下，经过30小时的长时间运行测试后，接收和发送的数据做了对比，没有发现丢数据包和错数据包的情况。由测试结果可知，该HDLC收发电路的具有稳定性和可靠性。高低温实验由于条件所限未进行，单板的温度特性可由器件的温度特性大概推知，这里不做讨论。

4 结束语
    针对某遥控遥测平台的要求，文中提出了一种基于FPGA的多通道HDLC收发电路设计方案，并利用Altera公司的P2C70F672C8芯片来实现。目前，实现该电路的单板已经完成调试，并成功地应用于整机试验。实践表明，该电路实现简单、可靠性高、使用灵活等优点，具有一定的推广价值。