一種基于FPGA+ARM架構(gòu)HDLC協(xié)議控制器設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)飛控模擬裝置中基于HDLC協(xié)議通信需求，完成了一種新的基于FPGA+ARM架構(gòu)HDLC協(xié)議控制器的設(shè)計(jì)。文中首先介紹了HDLC協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)和循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)原理，然后結(jié)合FPGA可進(jìn)行任意數(shù)據(jù)寬度操作和ARM編程簡(jiǎn)單靈活的優(yōu)點(diǎn)，有效實(shí)現(xiàn)了符合HDLC協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)和CRC校驗(yàn)的應(yīng)用方法，滿足HDLC協(xié)議要求。應(yīng)用結(jié)果表明設(shè)計(jì)能夠很好地滿足各項(xiàng)功能指標(biāo)的技術(shù)要求。

　　高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC，High-Level Data Control)是一種同步數(shù)據(jù)傳輸、面向比特的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，具有差錯(cuò)檢測(cè)功能強(qiáng)大、高效和同步傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，目前HDLC協(xié)議已成為是通信領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的協(xié)議之一，在飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域經(jīng)常用作飛控與舵機(jī)，助推器等之間通信的通信協(xié)議。

　　飛行控制模擬裝置是在飛行器研制的方案階段，用于飛行控制系統(tǒng)軟件開發(fā)及仿真評(píng)估，飛行控制軟件往往是A級(jí)軟件，它的任何問題都將造成飛行失效，進(jìn)而引起整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。采取飛行器控制系統(tǒng)模擬裝置進(jìn)行軟件算法驗(yàn)證，對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)軟件調(diào)試和系統(tǒng)驗(yàn)證，能夠加快飛行器設(shè)計(jì)進(jìn)度，減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和成本。

　　本文研究的HDLC協(xié)議控制器用于某型飛行器的飛控模擬裝置與舵機(jī)控制器之間的通信。一般而言HDLC協(xié)議主要是通過使用專用芯片和軟件編程的方式來實(shí)現(xiàn)。目前在市場(chǎng)上有很多專用的HDLC協(xié)議處理芯片如MT8952B、MK5025，這些芯片性能可靠但功能針對(duì)性太強(qiáng)，適合應(yīng)用于特定用途的大批量產(chǎn)品中。軟件編程方式是通過針對(duì)微控制器或信號(hào)處理器進(jìn)行編程，但是由于微控制器或信號(hào)處理器是基于字節(jié)(8位、16位等)的處理，而HDLC協(xié)議幀的解析和生成是面向比特的處理，因而這種方法會(huì)大大增加微處理器或信號(hào)處理器的負(fù)荷?？紤]到本設(shè)計(jì)中針對(duì)的飛控模擬裝置中存在大量不同總線接口需要處理，其處理器為FPGA+ARM，F(xiàn)PGA能對(duì)任意數(shù)據(jù)寬度的信號(hào)進(jìn)行處理，ARM具備編程簡(jiǎn)單，修改靈活的優(yōu)點(diǎn)，為此本文在此基礎(chǔ)上采用FPGA+AHM的方式利用FPGA完成符合HDLC協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸控制，ARM完成CRC校驗(yàn)和信息幀解包，最終實(shí)現(xiàn)HDLC協(xié)議控制器的設(shè)計(jì)。

　　1 HDLC協(xié)議及CRC原理介紹

　　HDLC是高級(jí)鏈路層控制協(xié)議，面向位的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。HDLC通常為點(diǎn)一點(diǎn)或點(diǎn)一多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，可用于半雙工或全雙工通信，采用同步傳輸方式，常用于中高速數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)合。HDLC采用滑動(dòng)窗口協(xié)議，可以同時(shí)確認(rèn)幾個(gè)幀;另外，每個(gè)幀都含有地址地段，這樣在多點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，主站可以同時(shí)和多個(gè)從站建立連接，而每個(gè)從站只接收含有本站地址的幀，因此HDLC的傳輸效率比較高，具有較高的吞吐率。在HDLC協(xié)議控制器中，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于兩個(gè)方面，一方面為保證幀間隔標(biāo)志的唯一性，在后續(xù)的字段中采用“0”比特插入/刪除技術(shù)。發(fā)送時(shí)，幀間隔標(biāo)志之外的所有信息，只要出現(xiàn)連續(xù)的5個(gè)“1”，則自動(dòng)插入一個(gè)“0”;同樣，接收方在接收數(shù)據(jù)時(shí)，只要遇到連續(xù)的5個(gè)“1”，則自動(dòng)將其后的“0”刪除掉;另一方面是CRC碼的產(chǎn)生及校驗(yàn)，即在發(fā)送端，利用生成多項(xiàng)式自動(dòng)生成一幀數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)碼并附在信息段后發(fā)送出去;在接收端，對(duì)接受到的一幀數(shù)據(jù)作CRC碼的校驗(yàn)。

　　CRC的全稱為Cvclic Redundancy Chcck，中文名稱為循環(huán)冗余校驗(yàn)。它是一類重要的線性分組碼。編碼和解碼方法簡(jiǎn)單，檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力強(qiáng)，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制。其基本原理是：對(duì)于一個(gè)給定的(N，K)碼(在K位信息碼后再拼接R位的校驗(yàn)碼，N=R+K)，可以證明存在一個(gè)最高次冪為N-K=R的多項(xiàng)式C(x)。根據(jù)C(x)可以生成K位信息的校驗(yàn)碼，而G(x)叫做這個(gè)CRC碼的生成多項(xiàng)式。校驗(yàn)碼的具體生成過程為：假設(shè)要發(fā)送的信息用多項(xiàng)式C(X)表示，將C(x)左移R位(可表示成C(x)*2R)，這樣C(x)的右邊就會(huì)空出R位，這就是校驗(yàn)碼的位置。用C(x)*2R除以生成多項(xiàng)式G(x)得到的余數(shù)就是校驗(yàn)碼。根據(jù)R的不同，形成多種不同的CRC標(biāo)準(zhǔn)，如(3RC-4：x4+x+1、CRC-8：x8+x6+X4+x3+X2+ X1、CRC16-CCITT：x16+X12+x5+1等。本文采用的即是CRC16-CCITT標(biāo)準(zhǔn)。

　　2 HDLC控制器設(shè)計(jì)

　　2.1 HDLC協(xié)議處理電路設(shè)計(jì)

　　為滿足飛行器設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求，可以實(shí)現(xiàn)基于HDLC協(xié)議傳輸?shù)撵`活配置，其功能和技術(shù)指標(biāo)要求如下：422全雙工;傳輸速率可調(diào)，最大達(dá)到2 Mbps;通信距離不超過5 m;通訊誤碼率小于10-7;幀頭7E與幀尾個(gè)數(shù)可調(diào)，CRC校驗(yàn)方式采用CCITT-CRC16。根據(jù)功能和技術(shù)指標(biāo)要求以及飛控模擬裝置總體配置狀況，控制器總體框圖如圖1所示。

　　其中數(shù)據(jù)處理單元采用ARM實(shí)現(xiàn)，完成數(shù)據(jù)幀的CRC校驗(yàn)和信息提取，并根據(jù)設(shè)定初始化傳輸控制單元的參數(shù)，包括波特率，7E有效個(gè)數(shù);傳輸控制單元采用FPCA實(shí)現(xiàn)，主要功能是實(shí)現(xiàn)HDLC傳輸控制邏輯和數(shù)據(jù)緩存;接口總線采用全雙工RS422數(shù)據(jù)總線，由于RS422傳輸線為差分電壓，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化，為此根據(jù)設(shè)計(jì)要求本文設(shè)計(jì)的控制器選用MAX3491作為電子轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換速度達(dá)到10Mbps以滿足需要。文中將針對(duì)HDLC控制器設(shè)計(jì)重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)處理單元、輸出控制邏輯兩部分。

　　2.2 HDLC傳輸控制單元

　　HDLC傳輸是按位操作，因此采用FPGA完成，F(xiàn)PGA采用altera公司的CYCLONE Ⅱ系列的FPGA，開發(fā)平臺(tái)基于QuartuslI 6.0開發(fā)環(huán)境，利用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HDLC協(xié)議的傳輸控制部分，并最終以IP核的方式給出設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，便于開發(fā)人員進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)。

　　由于HDLC協(xié)議控制器是全雙工通信，即包含了HDLC同步比特?cái)?shù)據(jù)的接收電路設(shè)計(jì)和HDLC同步比特?cái)?shù)據(jù)幀的發(fā)送電路設(shè)計(jì)。在FPGA的設(shè)計(jì)中，接收端和發(fā)送端都是基于比特的處理，其功能框圖如圖2所示。

　　在接收端，一直根據(jù)接收時(shí)鐘RCLK信號(hào)的上升沿接收數(shù)據(jù)，在信息幀發(fā)出以前，判斷幀頭“7E”，并記錄“7E”個(gè)數(shù)，當(dāng)“7E”個(gè)數(shù)滿足設(shè)定要求，開始啟動(dòng)信息幀的接收，并開啟數(shù)1計(jì)數(shù)器，當(dāng)遇到連續(xù)5個(gè)“1”時(shí)刪除其后的“0”，同時(shí)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)按8BIT組成一字節(jié)，存入FIFO中，整字節(jié)接收完畢后，如接收到“7E”表明該信息幀結(jié)束，并開始記錄“7E”個(gè)數(shù)，當(dāng)“7E”個(gè)數(shù)滿足幀尾設(shè)定要求，表明該幀接收完畢，否則表示接收出錯(cuò)，拋棄該幀。圖3即為接收幀狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。