FPGA實(shí)現(xiàn)RS－422通信的一種改進(jìn)方法

衡 燕， 黃 勇

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

FPGA全稱Field Programmable Gate Array（現(xiàn)場可編程門陣列），是目前廣泛采用的一種可編程器件，它的應(yīng)用不僅使得數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常方便，并且大大縮短了系統(tǒng)研制的周期，縮小了數(shù)字電路系統(tǒng)的體積和所用芯片的種類與數(shù)量［1］。

RS－422是一種單機(jī)發(fā)送、多機(jī)接收的雙向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA／EIA－422－A標(biāo)準(zhǔn)，全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”RS－422標(biāo)準(zhǔn)。RS－422由 RS－232發(fā)展而來，改進(jìn)了 RS－232通信距離短、速率低的缺點(diǎn)，RS－422定義了一種平衡通信接口，數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，傳輸速率提高到了10 Mb／s，傳輸距離延長到約1 200 m，并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器，即一個(gè)主設(shè)備，其余為從設(shè)備，從設(shè)備之間不能通信，所以RS－422支持點(diǎn)對多的雙向通信。

在現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)RS－422通信，通常采用DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）＋FPGA＋外圍芯片的電路設(shè)計(jì)。FPGA是DSP的通信樞紐，DSP若要與RS－422總線上的主設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信，則FPGA將作為DSP與主設(shè)備的數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”，實(shí)現(xiàn)RS－422通信數(shù)據(jù)緩存。

1 傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

傳統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)RS－422通信方法采用FPGA＋可編程通用異步收發(fā)器＋差分線路驅(qū)動(dòng)器的硬件電路。FPGA通過軟件編程接收可編程通用異步收發(fā)器的并行數(shù)據(jù)或發(fā)送并行數(shù)據(jù)到可編程通用異步收發(fā)器。可編程通用異步收發(fā)器用于將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)或?qū)⒉⑿袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)據(jù)。差分線路驅(qū)動(dòng)器分兩種：一種用于發(fā)送，負(fù)責(zé)接收TTL或COMS輸入電平將其轉(zhuǎn)換成差分電平發(fā)送給RS－422總線；另一種用于接收，將接收到的RS－422總線的差分電平轉(zhuǎn)換成TTL或COMS輸出電平。

本文中以實(shí)例來說明傳統(tǒng)方法及改進(jìn)后方法的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。在實(shí)例中，F(xiàn)PGA采用xilinx公司的virtex系列XQR300，邏輯門數(shù)為30萬門；可編程通用異步收發(fā)器采用intersil公司的82C52，差分線路驅(qū)動(dòng)器采用intersil公司的DS26c31和DS26c32。

傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法硬件采用XQR300＋82C52＋DS26c31＋DS26c32，其硬件電路實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)方法的硬件電路實(shí)現(xiàn)圖

圖1中，XQR300要與82C52的管腳相連，控制82C52的讀寫、復(fù)位、片選與地址譯碼。82C52的串行數(shù)據(jù)輸入管腳SDI與DS26C32的輸出管腳相連，串行數(shù)據(jù)輸出管腳SDO與DS26C31的輸入管腳相連，清除發(fā)送管腳CTS與DS26C32的輸出管腳相連。82C52的時(shí)鐘來自外部，通過內(nèi)部的波特率發(fā)生器產(chǎn)生和RS－422通信所采用的波特率同步的時(shí)鐘，這樣才能按照RS－422時(shí)序要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。RXD＋、RXD－為總線上主設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)，CTS＋、CTS－為總線上主設(shè)備發(fā)來的清除發(fā)送指令，TXD＋、TXD－為FPGA發(fā)送到主設(shè)備的數(shù)據(jù)。

采用圖1的硬件電路實(shí)現(xiàn)RS422通信時(shí)，在XQR300軟件編程時(shí)需要用XQR300控制82C52的復(fù)位、讀寫與地址譯碼。

XQR300的軟件接口圖，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)方法的軟件接口圖

圖2中，dsp＿rd、dsp＿wr為 DSP的讀寫信號(hào)，data＿from＿dsp為來自DSP的8位并行數(shù)據(jù)，data＿to＿dsp為發(fā)送到DSP的8位并行數(shù)據(jù)，rs＿sel為 RS－422通信模塊片選信號(hào)。rs422＿rd、rs422＿wr為FPGA輸出到82C52的讀寫信號(hào)，rs＿set為FPGA輸出到82C52的復(fù)位信號(hào)，rs422＿cso為FPGA輸出到82C52的片選信號(hào)，DR為82C52輸出到FPGA的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)，TBRE為82C52輸出到FPGA的發(fā)送緩存器為空信號(hào)，RS＿DATA＿IN為82C52發(fā)送到FPGA的8位并行數(shù)據(jù)，RS＿DATA＿OUT為FPGA發(fā)送到82C52的8位并行數(shù)據(jù)。FPGA在內(nèi)部開辟了一個(gè)發(fā)送FIFO和一個(gè)接收FIFO，F(xiàn)IFO1為接收FIFO，接收82C52的并行數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO2為發(fā)送FIFO，通過82C52發(fā)送數(shù)據(jù)到主設(shè)備。

FIFO（First In First Out）可以儲(chǔ)存、緩沖兩個(gè)異步時(shí)鐘之間的數(shù)據(jù)傳輸，是一種先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，具有兩套數(shù)據(jù)線而無地址線，可在其一端寫操作而在另一端進(jìn)行讀操作，數(shù)據(jù)在其中順序移動(dòng)，從而達(dá)到較高的傳輸速度和效率［3］。FIFO模塊圖如圖3所示，RD＿EN、WR＿EN為讀寫使能信號(hào)，CLK為時(shí)鐘，DATA為8位并行數(shù)據(jù)輸入，Q為8位并行數(shù)據(jù)輸出，EMPTY為FIFO空標(biāo)志，F(xiàn)ULL為FIFO滿標(biāo)志，DATA＿NUM為內(nèi)部數(shù)據(jù)數(shù)，RST為復(fù)位信號(hào)。

圖3 FIFO模塊圖

FPGA首先完成82C52的初始化，然后自主地查詢82C52的狀態(tài)，在它接收Buffer有數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)讀入并存儲(chǔ)到對應(yīng)的接收FIFO中；查詢FPGA內(nèi)部發(fā)送FIFO的狀態(tài)，若發(fā)送FIFO有數(shù)據(jù)且82C52的發(fā)送Buffer為空，將發(fā)送FIFO的數(shù)據(jù)讀出寫入發(fā)送Buffer。在DSP選通FPGA的RS－422通信模塊時(shí)，將FIFO中的數(shù)據(jù)送入DSP或?qū)SP的數(shù)據(jù)寫入FIFO。

2 改進(jìn)實(shí)現(xiàn)方法

傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法中，可編程通用異步收發(fā)器一般引腳較多，內(nèi)含許多輔助模塊和一些輔助功能，在實(shí)際使用時(shí)往往用不到這些功能，基本的通信只需要接收和發(fā)送兩條信號(hào)線，因此若采用專用芯片，將會(huì)使電路變得復(fù)雜，面積增大，從而導(dǎo)致成本增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性降低。

由于FPGA的功能日益強(qiáng)大，開發(fā)周期短，可重復(fù)編程等優(yōu)點(diǎn)也越來越明顯，因此可以在芯片上集成可編程通用異步收發(fā)器的功能，從而簡化了電路，提高了可靠性、穩(wěn)定性和靈活性。因此，改進(jìn)后的方法僅采用FPGA＋差分線路驅(qū)動(dòng)器的硬件電路。FPGA直接與差分線路驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

因此，硬件僅采用XQR300＋DS26c31＋DS26c32，其硬件電路實(shí)現(xiàn)圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)方法的硬件電路實(shí)現(xiàn)圖

從圖4可以看出，F(xiàn)PGA只需用兩個(gè)IO管腳接收發(fā)送數(shù)據(jù)，SDI與DS26C32的輸出管腳相連，接收主設(shè)備的422串行通信數(shù)據(jù)，SDO與DS26C31的輸入管腳相連，發(fā)送串行通信數(shù)據(jù)到主設(shè)備。

采用如上硬件電路實(shí)現(xiàn)RS－422通信時(shí)，在XQR300軟件編程時(shí)需在XQR300芯片上集成異步收發(fā)功能模塊，即要在XQR300內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換，并在XQR300上實(shí)現(xiàn)波特率發(fā)生器的功能。

改進(jìn)的實(shí)現(xiàn)方法的軟件接口圖，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)方法的軟件接口圖

圖中，have＿data為接收FIFO的空標(biāo)志，dsp＿rd、dsp＿wr為 DSP的讀寫信號(hào)，data＿from＿dsp為來自DSP的8位并行數(shù)據(jù)，data＿to＿dsp為發(fā)送到DSP的8位并行數(shù)據(jù)。rxd為主設(shè)備送入的RS－422串行數(shù)據(jù)，txd為發(fā)送到主設(shè)備的串行數(shù)據(jù)。

FPGA在內(nèi)部開辟了一個(gè)發(fā)送FIFO和一個(gè)接收FIFO，F(xiàn)IFO的結(jié)構(gòu)與圖3相同，接收FIFO用于接收主設(shè)備的數(shù)據(jù)，發(fā)送FIFO用于發(fā)送數(shù)據(jù)到主設(shè)備。發(fā)數(shù)時(shí)DSP先將要發(fā)送的8位并行數(shù)據(jù)寫入發(fā)送FIFO，然后在內(nèi)部時(shí)序控制下，F(xiàn)PGA將FIFO中的8位并行數(shù)據(jù)一位一位的發(fā)送出去。當(dāng)rxd為0，表示數(shù)據(jù)起始位到達(dá)，F(xiàn)IFO準(zhǔn)備接收主設(shè)備RS－422的數(shù)據(jù)，采用1個(gè)8 bit的寄存器來緩存主設(shè)備起始位后的8位數(shù)據(jù)，若奇偶校驗(yàn)位正確且停止位正確，則將此數(shù)送到接收FIFO中。

DSP周期性查詢接收FIFO的非空標(biāo)志have＿data，空標(biāo)志為“1”即有數(shù)據(jù)時(shí)，DSP將接收FIFO中的數(shù)據(jù)讀出；當(dāng)DSP需要發(fā)送數(shù)據(jù)到主設(shè)備時(shí)，DSP將數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的發(fā)送FIFO，然后在時(shí)鐘的控制下把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3 結(jié)論

改進(jìn)方法與傳統(tǒng)方法相比，硬件設(shè)計(jì)上不需要使用可編程通用異步收發(fā)器，直接通過FPGA的軟件編程實(shí)現(xiàn)可編程通用異步收發(fā)器的功能，減少了芯片的使用種類，減小了印制板的面積，節(jié)約了開發(fā)成本；軟件設(shè)計(jì)上軟件接口簡單，控制信號(hào)減少，降低了軟件編程復(fù)雜度和難度［2］。

［1］ 賈豫東，封吉平．用FPGA實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器的兩種方法［J］．計(jì)算機(jī)測量與控制，2004，（12）：895－897．

［2］ 葛紉龍，韓宇龍．嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］．北京：高等教育出版社，2008．

［3］ 張 雪，徐曉蘇，張國龍．基于DSP和FPGA的高速串行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．艦船電子工程，2009，（5）：66－69．