基于現場可編程門陣列的光纖快速串行通信方案

吳振鋒，　殷志柱，　王　云

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院　上海　200070

基于現場可編程門陣列的光纖快速串行通信方案

吳振鋒，殷志柱，王云

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院上海200070

設計了一種基于現場可編程門陣列的光纖快速串行通信方案。這一方案屬于異步通信，通過在線邏輯仿真與調試，在極低通信誤碼率的前提下實現了3Mbit/s的通信速率，相對于傳統的RS232通信，速率大幅提升。

現場可編程門陣列；光纖；串行通信；設計

1　研究背景

目前，RS232異步串行通信因協議簡單、易于快速開發等優點，在工業控制領域仍有相當廣泛的應用。然而，RS232傳輸速率往往受限于外圍電平轉換芯片及傳輸電纜，比如常用的電平轉換芯片MAX3232和MAX3241限制最大傳輸速率為 120kbit/s，MAX3237限制最大傳輸速率為1Mbit/s。RS232的傳輸媒質一般采用電纜，但是電纜有較嚴重的衰耗問題[1]，且抗干擾能力弱，傳輸速率低。

對于穩定性要求嚴格、抗電磁干擾性強、保密性要求高的工業環境，可以采用抗干擾性強、保密性高、傳輸速率快的光纖作為通信媒介，保證數據傳輸的快速性、準確性及抗干擾性[2-5]。現場可編程門陣列(FPGA)因高度的靈活性及并行處理能力，在嵌入式控制領域得到越來越廣泛的應用[6-9]。為適應不同的外部通信設備，在FPGA內部快速開發出相應的接口協議，便是FPGA常見的應用方向之一[10-11]。

基于FPGA應用場景，設計了一種基于FPGA加光纖介質的異步串行通信方案。這一方案簡單、可靠，可實現3Mbit/s的通信速率，相對于傳統RS232通信有大幅提升。

2　硬件電路搭建及軟件開發工具

筆者設計的硬件通信電路原理如圖1所示，兩塊通信板卡上的FPGA其內部分別實現RS232的異步收發邏輯，數據經過光纖傳輸接口進行光電轉換，再經過兩根光纖介質實現全雙工傳輸。與傳統的串行方案相比，這一方案使用光電轉換接口替換電平轉換芯片，并用光纖代替普通通信電纜，從而使串行通信的傳輸速率得到大幅度提高。

圖1　硬件通信電路原理

光電轉換器件選擇了低成本的HFBR-0501系列光纖收發器，如圖2所示。該系列光纖收發器采用600nm波長的可見光傳輸，在20m的傳輸距離內通信速率最高可達5Mbit/s，其外圍電路連接如圖3所示。

圖2　HFBR-0501系列光纖收發器

本著低成本、高可靠及保密性的要求，選擇了ACTEL 公司的ProASIC3 系列FPGA，對應的開發軟件平臺為Libero SOC。Libero SOC是一個全面的開發平臺，包含設計輸入、仿真、布局布線、時序及功耗分析等諸多開發工具。

3　異步串行通信協議硬件邏輯

基于Verilog HDL語言，在ProASIC3系列FPGA上開發了相應的串口通信邏輯。典型的串口數據幀格式包含1位起始位、7～8位數據位、1位奇偶校驗位和1～2位停止位。一般而言，奇偶校驗位可以省略。筆者設計的串口通信邏輯采用1位起始位、8位數據位、1位停止位的數據幀格式。

串口傳輸常用的通信速率有9.6kbit/s、19.2kbit/s、38.4kbit/s、57.6kbit/s及 115.2kbit/s，鑒于通信的雙方為FPGA，可以遠大于上述速率進行通信。此外，考慮光纖最高傳輸速率為5Mbit/s，為留有一定裕量，將數據傳輸速率設定為 3Mbit/s。

圖3　HFBR-0501系列光纖收發器外圍電路連接

由于FPGA所使用的系統時鐘為30MHz，欲達到3Mbit/s的傳輸速率，則波特率時鐘應為系統時鐘的10分頻，即3MHz，后文默認的波特率時鐘均為3MHz。

3.1　串口接收模塊

串口接收原理如圖4所示，其中RS232_rx是串口接收端電平變化，Clk_bps是波特率采樣時鐘。為了使采集的數據最為穩定，每次采樣都在數據位的中間時刻采集。對每一幀數據進行接收時，先檢測RS232_rx端口的低電平并忽略起始位，然后開始對之后的連續8個數據位采樣，最后的停止位同樣可以忽略。如此，8個數據位組成1幀字節，保存到RX_data寄存器并輸出。

圖4　串口接收原理

根據分析，串口接收模塊可以細分為三個模塊： 起始位檢測模塊(Start_detect)、接收控制模塊(RX_control)和波特率時鐘生成模塊(Bps_clk_generate)，如圖5所示。Start_detect模塊負責檢測RS232_rx串口接收端的電平變化，并判斷是否為起始位。如果是起始位，則將Is_start信號拉高1個時鐘周期。RX_control模塊接收到Is_start脈沖后，使能波特率計時信號Bps_start。Bps_clk_generate模塊得到Bps_start使能信號后，開始計時，產生波特率時鐘信號Clk_bps，送至RX_control模塊進行接收總線上的數據采樣。

使用Verilog HDL語言設計上述三個模塊后，將它們封裝，并利用Libero SOC軟件的Smart Design工具將封裝后的代碼模塊圖形化，如圖6所示。模塊左側為輸入端口，右側為輸出端口，端口定義見表1。

圖5　串口接收模塊示意圖

圖6　串口接收模塊封裝后圖形化

3.2　串口發送模塊

串口數據的發送過程與接收過程類似，如圖7所示。發送端RS232_tx在空閑狀態時為高電平，發送模塊一旦檢測到有需要發送的數據，則開始進行計數，定時產生波特率時鐘信號Clk_bps。在波特率時鐘的節拍下，數據發送端 RS232_tx逐位發送數據，首先發送起始位 0，然后發送8位數據位，最后發送停止位。1幀數據發送完畢后，RS232_tx恢復為高電平。

圖7　串口發送原理

根據分析，串口發送模塊可以細分為波特率時鐘生成模塊(Bps_clk_generate)和發送控制模塊(TX_control)，如圖8所示。TX_control模塊檢測到發送使能信號TX_enable后，使能波特率計時信號Bps_start。Bps_clk_generate模塊得到Bsp_start使能信號后，開始計時，產生波特率時鐘信號Clk_bps，送至 TX_control 模塊進行總線上的數據發送。

圖8　串口發送模塊示意圖

使用Verilog HDL語言設計上述兩個模塊后，將它們封裝，并利用Libero SOC軟件的Smart Design工具將封裝后的代碼模塊圖形化，如圖9所示。模塊左側為輸入端口，右側為輸出端口，端口定義見表2。

圖9　串口發送模塊封裝后圖形化

端口名稱端口定義Clk全局時鐘Rst_n復位信號TX_enable發送使能Data_to_send[7:0]待發送數據RS232_tx串口發送端TX_done發送完成

3.3　數據組織及測試模塊

為了驗證所設計的串口接收和發送子模塊，專門設計了一個測試模塊TX_RX_test_1,如圖10所示。測試模塊有兩個功能： 一是向串口發送模塊輸送待傳輸數據，二是對串口接收模塊收到的數據進行驗證判斷。

圖10　測試模塊

測試模塊內部有發送狀態機和接收狀態機，分別如圖11、圖12所示。可以看出，發送狀態機循環發送從0到127的不斷遞增8數據位數，而接收狀態機則對接收到的數據進行判斷，判斷是否等于上次接收到的數據加1。同時設置了一個錯誤計數器RX_error_cnt，用于統計傳輸錯誤。另外，發送狀態機和接收狀態機分別設置了發送次數計數器N和接收次數計數器n，以便于統計誤碼率。

圖11　發送狀態機

圖12　接收狀態機

測試模塊和串口接收、串口發送模塊的總體信號連接如圖13所示。

圖13　總體信號連接

4　基于Identify的在線邏輯仿真

基于Identify Instrumentor和Identify Debugger的在線邏輯仿真流程本文不再贅述，簡單而言，即在Identify Instrumentor中設置好采樣時鐘、待采樣信號、觸發信號、采樣深度等信息后，在Identify Debugger中設置具體的觸發信號和觸發方式，在線抓取被測試信號。

經過板級的在線邏輯仿真測試，得到如圖14所示的收發數據波形。

從圖14中可以看出，當發送次數N和接收次數n超過108時，接收錯誤計數器RX_error_cnt依舊為0，達到了極低的誤碼率。

5　結論

板級的在線邏輯仿真測試表明，筆者設計的FPGA加光纖異步串行通信方案對數據的收發準確無誤，大幅提高了通信速率，是一種簡單、可靠的快速串行通信方法。工業應用中對RS232通信速率有提升訴求時，可以借鑒筆者所提方案。

圖14　在線邏輯仿真收發數據波形

[1] 馬海燕,韓存武.光纖——串口連接器設計[J].咸寧學院學報,2009,29(6)： 64-65.

[2] 郝丹,閆柏旭.光纖通信概述[J].中國科技信息, 2011(7)： 112-113.

[3] 趙梓森.光纖通信的過去、現在和未來[J].光學學報,2011,31(9)： 91-93.

[4] 關林君.基于光纖串行通信的數控底層控制器研究及實現[D].廣州： 華南理工大學，2011.

[5] 王亞.基于FPGA的光纖式高速串行同步通信[J].淮海工學院學報(自然科學版) ,2016,25(2)： 24-28.

[6] 鄭西點,袁浩巍，嚴佳玲，等.基于CMOS+FPGA的高速視覺實時定位與跟蹤系統[J].上海電氣技術, 2015,8(4)： 18-25.

[7] 鄭紅峰,李博.基于FPGA的太陽能集熱系統智能控制器的開發[J].上海電氣技術, 2012,5(1)： 40-42.

[8] 翁彬,李潔,顧偉光.基于FPGA實現的一種電加熱浸漆控制方法[J].裝備機械, 2013(2)： 25-31.

[9] 袁磊.基于高速旋轉機械檢測光纖信號非接觸傳輸裝置的研制[J].機械制造, 2011,49(5)： 68-70.

[10] 任德齊，譚中華，郭兵，等.現代通信技術[M].北京： 機械工業出版社, 2002.

[11] 張春生,蘇開友.FPGA數字信號處理與工程應用實踐[M].北京： 中國鐵道出版社, 2013.

(編輯： 小前)

A fast serial communication scheme with optical fiber based on FPGA was designed. This scheme is a sort of asynchronous communication, through online logic simulation and debugging, it is possible to realize a communication rate of 3Mbit/s provided that the communication error rate is very low. Relative to the traditional RS232 communication, the rate has increased significantly.

FPGA；OpticalFiber；SerialCommunication；Design

TM13；TP336

B

1674-540X(2017)04-016-05

2017年8月

吳振鋒(1987—)，男，碩士，工程師，主要從事嵌入式系統開發工作，E-mail: wzf-life@163.com