基于FPGA+ARM的HDLC協(xié)議控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

楊 堯，趙立立，侯翔昊

(西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，陜西 西安 710072)

高級數(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,具有差錯檢測功能強大、高效和同步傳輸?shù)奶攸c,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)計領(lǐng)域經(jīng)常用作飛控與舵機，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)及仿真評估，飛行控制軟件往往是A級軟件，它的任何問題都將造成飛行失效，進而引起整個系統(tǒng)的癱瘓。采取飛行器控制系統(tǒng)模擬裝置進行軟件算法驗證，對各個分系統(tǒng)軟件調(diào)試和系統(tǒng)驗證，能夠加快飛行器設(shè)計進度，減少設(shè)計風(fēng)險和成本。

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現(xiàn)[1]。目前在市場上有很多專用的HDLC協(xié)議處理芯片如MT8952B、MK5025,這些芯片性能可靠但功能針對性太強,適合應(yīng)用于特定用途的大批量產(chǎn)品中[2]。軟件編程方式是通過針對微控制器或信號處理器進行編程，但是由于微控制器或信號處理器是基于字節(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,因而這種方法會大大增加微處理器或信號處理器的負荷[3]?？紤]到本設(shè)計中針對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能對任意數(shù)據(jù)寬度的信號進行處理，ARM具備編程簡單，修改靈活的優(yōu)點，為此本文在此基礎(chǔ)上采用FPGA+ARM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校驗和信息幀解包，最終實現(xiàn)HDLC協(xié)議控制器的設(shè)計。

1 HDLC協(xié)議及CRC原理介紹

HDLC是高級鏈路層控制協(xié)議，面向位的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。HDLC通常為點—點或點一多點結(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)傳輸場合。HDLC采用滑動窗口協(xié)議,可以同時確認幾個幀；另外，每個幀都含有地址地段，這樣在多點結(jié)構(gòu)中，主站可以同時和多個從站建立連接，而每個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，其實現(xiàn)的關(guān)鍵在于兩個方面，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，幀間隔標(biāo)志之外的所有信息，只要出現(xiàn)連續(xù)的5個“1”，則自動插入一個“0”；同樣，接收方在接收數(shù)據(jù)時,只要遇到連續(xù)的 5個“1”，則自動將其后的“0”刪除掉；另一方面是CRC碼的產(chǎn)生及校驗，即在發(fā)送端,利用生成多項式自動生成一幀數(shù)據(jù)的CRC校驗碼并附在信息段后發(fā)送出去；在接收端，對接受到的一幀數(shù)據(jù)作CRC碼的校驗[4]。

CRC的全稱為Cyclic Redundancy Check，中文名稱為循環(huán)冗余校驗[5-6]。它是一類重要的線性分組碼。編碼和解碼方法簡單，檢錯和糾錯能力強，在通信領(lǐng)域廣泛地用于實現(xiàn)差錯控制。其基本原理是：對于一個給定的（N，K）碼（在K位信息碼后再拼接R位的校驗碼，N=R+K），可以證明存在一個最高次冪為N-K=R的多項式G（x）。根據(jù)G（x）可以生成K位信息的校驗碼，而G（x）叫做這個CRC碼的生成多項式。 校驗碼的具體生成過程為：假設(shè)要發(fā)送的信息用多項式C（X）表示，將 C（x）左移 R 位（可表示成 C（x）*2R），這樣 C（x）的右邊就會空出R位，這就是校驗碼的位置。用 C（x）*2R除以生成多項式G（x）得到的余數(shù)就是校驗碼。根據(jù)R的不同，形成多種不同的 CRC標(biāo)準(zhǔn)，如CRC-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

2.1 HDLC協(xié)議處理電路設(shè)計

為滿足飛行器設(shè)計驗證需求，可以實現(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與幀尾個數(shù)可調(diào)，CRC校驗方式采用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。

圖1 HDLC控制器總體框圖Fig.1 The general frame of HDLC controller

其中數(shù)據(jù)處理單元采用ARM實現(xiàn)，完成數(shù)據(jù)幀的CRC校驗和信息提取，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有效個數(shù)；傳輸控制單元采用FPGA實現(xiàn)，主要功能是實現(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，因此需要進行電平轉(zhuǎn)化，為此根據(jù)設(shè)計要求本文設(shè)計的控制器選用MAX3491作為電平轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換速度達到10Mbps以滿足需要。文中將針對HDLC控制器設(shè)計重點介紹數(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)平臺基于QuartusII 6.0開發(fā)環(huán)境,利用有限狀態(tài)機設(shè)計實現(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)計實現(xiàn),便于開發(fā)人員進行維護和升級。

由于HDLC協(xié)議控制器是全雙工通信,即包含了HDLC同步比特數(shù)據(jù)的接收電路設(shè)計和HDLC同步比特數(shù)據(jù)幀的發(fā)送電路設(shè)計。在FPGA的設(shè)計中,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。

圖2 HDLC協(xié)議控制器傳輸控制單元功能框圖Fig.2 Function block diagram of HDLC controller transmission control unit

在接收端，一直根據(jù)接收時鐘RCLK信號的上升沿接收數(shù)據(jù)，在信息幀發(fā)出以前，判斷幀頭“7E”，并記錄“7E”個數(shù)，當(dāng)“7E”個數(shù)滿足設(shè)定要求，開始啟動信息幀的接收，并開啟數(shù) 1計數(shù)器，當(dāng)遇到連續(xù) 5個“1”時刪除其后的“0”，同時進行串并轉(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”個數(shù)，當(dāng)“7E”個數(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，拋棄該幀。圖3即為接收幀狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖3 接收幀狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.3 The statemachine of receive frame

在發(fā)送端，接收到ARM啟動發(fā)送指令后，發(fā)送相應(yīng)個數(shù)幀頭0x7E,然后將數(shù)據(jù)從發(fā)送FIFO中取出，進行并串轉(zhuǎn)換，在根據(jù)設(shè)置的時鐘TCLK的下降沿,逐位發(fā)送數(shù)據(jù)到Tx線路上,并且在連續(xù)發(fā)送了5個比特“1”后,自動插入比特“0”，發(fā)送結(jié)束后發(fā)送相應(yīng)個數(shù)幀尾0x7E,結(jié)束該次發(fā)送。發(fā)送幀狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

2.3 HDLC數(shù)據(jù)處理單元

HDLC數(shù)據(jù)處理單元主要完成信息的幀的CRC校驗和打包解包任務(wù)，其處理芯片采用意法半導(dǎo)體的STM32F103系列ARM芯片，該芯片具有開發(fā)簡單靈活，成本較低的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)據(jù)的處理同樣包括接收和發(fā)送兩部分，以接收為例，具體工作流程圖如圖5所示。

圖4 發(fā)送幀狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.4 The statemachine of send frame

圖5 HDLC數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.5 The receives data flow diagram of the data processing unit

當(dāng)進入接收中斷進程時，首先讀空接收FIFO,其中最后兩次讀出的數(shù)據(jù)為該幀信息的CRC校驗碼，利用該校驗碼進行CRC校驗，校驗采用CRC-16-CCITT標(biāo)準(zhǔn)，生成r取值為 16,其生成多項式為：G（X）=x16+x12+x2+1

傳統(tǒng)CRC校驗是對消息逐位處理，對于ARM來說，這樣效率是很低的。為了提高時間效率，通常的思想是以空間換時間?？紤]到內(nèi)循環(huán)只與當(dāng)前的消息字節(jié)和crc_reg的低字節(jié)有關(guān)，針對crc_reg低字節(jié)建立數(shù)表進行查詢相應(yīng)的CRC校驗碼，最終循環(huán)完畢如果沒有差錯發(fā)生則結(jié)果應(yīng)為0。

發(fā)送單元與接收單元類似，為其逆過程，首先將信息按約定幀格式打包，然后進行CRC校驗，將校驗碼放入信息幀的最后2個字節(jié)，并將該信息幀通過數(shù)據(jù)總線存入FPGA的發(fā)送FIFO中，最后寫入發(fā)送標(biāo)志字，啟動FPGA發(fā)送傳輸控制邏輯。

3 驗證及結(jié)果

為完成設(shè)計，首先采用ModelSim進行仿真驗證，如圖6所示通過激勵文件生成ARM與FPGA的讀寫時序，給出符合HDLC幀格式的一組數(shù)據(jù)寫入FPGA發(fā)送FIFO,并啟動發(fā)送，在激勵文件中將RX/RCLK與TX/TCLK短接，形成回環(huán)，F(xiàn)PGA根據(jù)協(xié)議控制器接收到數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入接收FIFO，完成驗證。其邏輯時序滿足HDLC協(xié)議幀格式和通信時序要求。

最后按照設(shè)計要求將設(shè)計好的HDLC通信協(xié)議控制器加載至FPGA與ARM上,并與串口通信卡 BST23109進行回環(huán)測試，該卡能夠?qū)崿F(xiàn)串口同步模式，通信滿足HDLC協(xié)議要求。試驗結(jié)果表明在5m通信距離內(nèi),波特率可達2Mb/s,誤碼率為10-8。

圖6 HDLC協(xié)議控制器ModelSim仿真驗證圖Fig.6 The HDLC protocol controller ModelSim simulation diagram

4 結(jié)論

文中針對飛行模擬裝置中HDLC協(xié)議的應(yīng)用需求開展了HDLC協(xié)議控制器的設(shè)計，文中首先介紹了HDLC協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容，然后重點介紹了HDLC協(xié)議控制器軟硬件實現(xiàn),詳細給出于HDLC協(xié)議控制器的設(shè)計實現(xiàn)過程。通過仿真和實測試驗表明在5 m通信距離內(nèi),波特率可達2 Mb/s,誤碼率為10-8。在該飛行模擬裝置交付使用過程中,該控制器功能完整,能夠很好地滿足各項指標(biāo)的技術(shù)要求。

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