基于CYCLONE II經(jīng)濟(jì)型FPGA實現(xiàn)編碼器/解碼器的設(shè)計

　　作者：楊寧，王立德，王永翔，姜娜

1 引言

TCN(Train Communication Network)總體結(jié)構(gòu)是由WTB(絞線式列車總線)和MVB(多功能車輛總線)組成，符合IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)。本文主要圍繞WTB鏈路控制的幀格式進(jìn)行研究。鑒于IEC61375-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的WTB幀數(shù)據(jù)格式與IS03309中定義的HDLC(High Level Data Link Control)格式一致，基帶Manchester-Biphase-L技術(shù)編解碼器現(xiàn)則圍繞HDLC展開。

隨著深亞微米工藝技術(shù)的發(fā)展，FPGA(FieldProgrammable Gate Array)的規(guī)模越來越大，其單片邏輯門數(shù)已超過上百萬門。同時還具有開發(fā)周期短、成本低、可實時在線檢驗等優(yōu)點。因此廣泛用于特殊器件設(shè)計。中小批量通信產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)中采用FPGA實現(xiàn)HDLC功能是一種值得借鑒的方法。

2 WTB的HDLC幀格式

WTB的有效幀格式包括幀頭、HDLC幀數(shù)據(jù)格式、終止分界符。其中HDLC幀數(shù)據(jù)格式與ISO3309中定義的相同，包括起始8位標(biāo)志位、HDLC數(shù)據(jù)、16位FCS、結(jié)束8位標(biāo)志位。幀頭和HDLC幀數(shù)據(jù)由曼徹斯特碼編碼，一個位單元的前半部分為負(fù)電平，在位單元的中間跳變?yōu)檎娖降奈痪幋a為“1”，反之為“0”。幀頭在起始位和結(jié)束位“1”之間有7個(“0”，“1”)位對。終止分界符可使線路保持2個周期的正電平。

2.1 HDLC幀格式

WTB通信方式中，所有信息都是以幀的格式傳輸?shù)?，HDLC幀格式如圖1所示。HDLC協(xié)議規(guī)定，所有信息傳輸必須以一個標(biāo)志字開始，且以同一標(biāo)志字結(jié)束，這個標(biāo)志字為01111110。開始標(biāo)志到結(jié)束標(biāo)志之間構(gòu)成一個完整的信息單位，稱為一幀。在HDLC通信方式中，接收方通過搜索01111110探知幀的開始和結(jié)束，以此建立幀同步。在幀與幀之間的空載期，可連續(xù)發(fā)送標(biāo)志字來做填充。而在WTB的網(wǎng)絡(luò)中，具有特殊的起始幀頭，更易于產(chǎn)生同步解碼。

2.2 HDLC數(shù)據(jù)及“0”比特插入

HDLC幀的數(shù)據(jù)區(qū)的長度是可變的，可傳送標(biāo)志字以外的任意二進(jìn)制信息。其數(shù)據(jù)最小為32位，最大為1 056位，HDLC發(fā)送的數(shù)據(jù)應(yīng)是8的整數(shù)倍。為了確保標(biāo)志字是唯一的，發(fā)送方在發(fā)送信息時采用“0”比特插入技術(shù)，即發(fā)送方在發(fā)送除標(biāo)志字符外的所有信息時(包括校驗位)，只要遇到連續(xù)的5個“1”，就自動插入一個“0”;反之，接收方在接收數(shù)據(jù)時，只要遇到連續(xù)的5個“1”，就自動將其后的“0”刪掉?！?”比特插人與刪除技術(shù)可使HDLC具有良好的傳輸透明性，可傳輸任何比特代碼。

2.3 CRC校驗

HDLC采用16位循環(huán)冗余校驗碼(CRC-16)進(jìn)行差錯控制，生成若干種多項式，WTB網(wǎng)絡(luò)使用標(biāo)準(zhǔn)的生成多項式x16+x12+x5+1。HDLC差錯校驗是對整個幀的內(nèi)容作CRC循環(huán)冗余校驗，即糾正糾錯范圍內(nèi)的錯碼，在校錯范圍內(nèi)的錯碼只能校驗，但不能糾正。標(biāo)志位和按透明規(guī)則插入的所有“0”不在校驗的范圍內(nèi)。

3 編碼器與解碼器的FPGA實現(xiàn)

基于FPGA成本低、實時性好、可擴(kuò)展為SOPC(片上系統(tǒng))便于應(yīng)用層的開發(fā)等優(yōu)點，本設(shè)計采用Altera公司的CYCLONE II經(jīng)濟(jì)型FPGA實現(xiàn)編解碼。

3.1 有限時序狀態(tài)機(jī)

HDLC通信幀屬于串行數(shù)字信號編解碼方式，其幀格式與時序邏輯聯(lián)系緊密。編碼器是功能、時序復(fù)雜的時序邏輯電路。為了便于利用硬件描述語言設(shè)計，將這一復(fù)雜的時序邏輯抽象成有限狀態(tài)機(jī)，并利用有限狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計。這種控制方式很容易解決0比特插入技術(shù)，使?fàn)顟B(tài)自由按照ISO3309的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。根據(jù)HDLC的編碼協(xié)議，得到FPGA設(shè)計的狀態(tài)機(jī)，將狀態(tài)的轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理分別在同一狀態(tài)機(jī)的不同模塊中實現(xiàn)。同時，在解碼過程中，在起始標(biāo)志位同步后，每一步HDLC狀態(tài)過程均需對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷(若出錯概率為P)，直至結(jié)束。若有N個狀態(tài)，其總體出錯概率非常小，大小為PN，大大提高了解碼的可靠性。發(fā)送器狀態(tài)機(jī)如圖2所示。準(zhǔn)備狀態(tài)：當(dāng)發(fā)送器復(fù)位后，處于準(zhǔn)備狀態(tài)，收到開始發(fā)送信號后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)至開始狀態(tài)進(jìn)行初始化，然后跳轉(zhuǎn)至幀頭狀態(tài)。幀頭狀態(tài)：在該狀態(tài)添加WTB固定的幀頭和標(biāo)志位，然后跳轉(zhuǎn)至數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)：在該狀態(tài)讀取數(shù)據(jù)，按照幀結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)編碼發(fā)出，直到全部發(fā)送完畢跳轉(zhuǎn)至校驗狀態(tài)。校驗狀態(tài)：調(diào)用CRC校驗單元模塊，進(jìn)行CRC檢驗。完成后進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)。結(jié)束狀態(tài)：發(fā)送結(jié)束標(biāo)志，然后跳入下一次的準(zhǔn)備狀態(tài)。

3.2 CRC校驗

HDLC數(shù)據(jù)編碼是難點，數(shù)據(jù)位的不確定性進(jìn)一步導(dǎo)致CRC校驗的復(fù)雜性。但由于HDLC數(shù)據(jù)具有特殊含義：8位位組的整數(shù)倍，故可以采用以字節(jié)寬度讀雙口RAM的方式進(jìn)行編碼。CRC校驗也可字節(jié)累加運算完成。校驗?zāi)K示意圖如圖3所示。

校驗序列按多項式：G(x)=x16+x12+x5+1進(jìn)行計算，校驗初始結(jié)果值應(yīng)設(shè)為0xffff、圖3中rst為復(fù)位信號，sig為事件觸發(fā)電平，pdata為需要計算的數(shù)據(jù)，prevcrc為上一次計算的結(jié)果，crc最后輸出的計算結(jié)果。Verilog核心代碼為：

3.3 位同步

編碼器發(fā)送有效幀序列，解碼器對有效幀解析的最大難點在于起始的同步性。常用的同步方式有鎖相環(huán)。但為了節(jié)省FPGA內(nèi)部資源，針對WTB特有的幀頭規(guī)則序列，采用高頻采樣比較方式進(jìn)行同步。幀頭在起始位和結(jié)束位“1”之間有7個(“0”，“1”)位對，如圖4所示。在一個周期內(nèi)，一位采樣12次，若在位跳變的前后符合標(biāo)準(zhǔn)位，則同步開始，繼續(xù)采樣下一位，直到幀頭位對全部完成，即使在空閑時，電平有干擾毛刺也不會產(chǎn)生誤同步。

4 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用檢驗

通過使用Quartus II對WTB的編解碼器的波形進(jìn)行仿真，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。

解碼器在接收一個字節(jié)后進(jìn)行CRC計算，當(dāng)全部數(shù)據(jù)接收完成時計算出最后CRC結(jié)果;當(dāng)全部CRC接收完畢接收到CRC結(jié)果，將這兩種CRC結(jié)果進(jìn)行比較。若數(shù)據(jù)合法則給一個脈沖。

如圖5所示，硬件采用485實現(xiàn)物理層與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)車WTB網(wǎng)卡的通訊，能夠相互解析，證明了設(shè)計的準(zhǔn)確可靠性，為下一步應(yīng)用層的設(shè)計打下基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

針對WTB網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)提出了一種基于FPGA的HDLC協(xié)議編解碼器設(shè)計方案，并利用Altera公司的CYCLONE II EP2C8實現(xiàn)。目前對該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)僅限于初期階段，只能實現(xiàn)基本鏈路的HDLC數(shù)據(jù)編解碼。該系統(tǒng)的后續(xù)還需加入NIOS進(jìn)行鏈路控制的優(yōu)化和應(yīng)用層的設(shè)計，如WTB總線的初運行。實踐表明，該編解碼器實現(xiàn)簡單、使用靈活，資源占用合理，對進(jìn)一步工作的展開有深遠(yuǎn)意義。

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