基于CAN和RS422實現FPGA遠程調試與配置

周興云，陸文斌，張秋明，金亭姝，黃凱旋

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

隨著可編程邏輯器件的迅速發展和廣泛應用，FPGA實現的功能越來越強大，且單個系統中應用的FPGA數量也越來越多，而對系統中眾多FPGA的調試與配置也變得格外重要。一般FPGA器件生產商會提供在線邏輯分析工具(如Altera的SignalTap[1]和Xilinx的ChipScope[2])，通過軟件方式為用戶提供成本低廉和操作簡單的FPGA調試解決方案。

在某些特殊的應用場景，比如系統中FPGA數量眾多且產品結構復雜，現場調試時往往需要拆卸大量的結構件并連接較多的臨時電纜，或者線纜長度限制、產品的安裝位置等因素導致無法直接在現場搭建調試平臺，為FPGA的調試與配置帶來了極大的困難。本文介紹了一種綜合利用CAN總線[3]和RS422總線[4]的優勢實現復雜系統中眾多FPGA遠程調試與配置的設計方法，極大降低了系統的調試成本，并縮短了研制周期。

1 需求分析與設計思想

1.1 JTAG邊界掃描模式

FPGA的生產廠商有多家，調試與配置方法有多種，主要包括主串模式、從串模式、主并模式、主字節外圍接口模式(BPI)以及JTAG邊界掃描模式[5]等。在實際使用中，由于JTAG模式標準統一、設備簡單，且可組建JTAG鏈路配置，使用最為廣泛。標準的JTAG接口[6]有4個引腳：TMS、TCK、TDI和TDO。JTAG模式接口引腳的功能定義如表1所示。

表1 JTAG模式接口引腳功能定義

引腳引腳功能描述TMS測試模式選擇,在TCK上升沿,根據TMS的值決定TAP狀態機的狀態轉換序列TCK測試時鐘,用來為JTAG電路提供時鐘TDI測試數據輸入,在TCK上升沿將數據或指令以串行方式移入TAP控制器中TDO測試數據輸出,在TCK下降沿移出響應數據

由表1可以看出，JTAG模式是一種有相應數據協議的同步通信方式。這里以Xilinx公司提供的在線邏輯分析工具(Chip Scope Pro Analyzer)為例，介紹JTAG模式下FPGA調試與配置的過程[7]。其典型的工作模式如圖1所示。

圖1 JTAG模式調試與配置FPGA示意

通過下載工具以JTAG模式將電腦與電路板上的FPGA芯片連接，設計人員通過ChipScope Pro Analyzer軟件，將相關的軟件核直接插入到設計的綜合網表中，再通過實現工具完成布局布線并生成的配置數據，最后通過JTAG接口下載到FPGA中，同時監控FPGA內核邏輯并將信息通過JTAG接口輸出至ChipScope Pro Analyzer軟件上顯示和分析，從而實現FPGA的調試與配置等功能。

1.2 遠程調試與配置的設計思想

FPGA遠程調試與配置一般是通過網絡或其他信道將配置數據發送給遠端嵌入式系統[8]，嵌入式系統再將這些數據加載到FPGA中[9]，并從FPGA中采集需要信號后，通過網絡回傳給本地調試裝置[10]。這種方式往往要構建復雜的硬件平臺并設計相應與FPGA調試工具對接的軟件[11-13]，實現復雜且成本昂貴，而且如果系統中FPGA數量眾多，則需要解決多個FPGA調試與配置的通信沖突問題[14]。

復雜系統中眾多FPGA遠程調試與配置需要解決的問題是多點組網后的有序通信以及信息長距離的可靠傳輸，同時應盡量保證信號數據協議的一致性[15]，以確保無需開發其他配套軟件就可直接使用FPGA廠商提供的配置軟件和調試工具[16]。本文設計思想是搭建一個裝置，該裝置采用某種通信方式來傳輸JTAG模式下的調試與配置數據，該通信方式具有傳輸距離遠、可靠性高且可實現同步數據通信，同時該裝置還具有組網節點多的特點，可解決多點組網后的通信沖突問題。

2 總體設計與實現

2.1 RS422和CAN總線

RS422總線是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸總線[17]。它采用差分傳輸方式，抗干擾能力強，傳輸距離遠，而且只規定了接收端和發送端的電氣特性，沒有規定或推薦任何數據協議[18]，因此可用來實現指定數據協議的同步通信，滿足設計所需的高可靠和長距離通信，且可實現同步數據傳輸的要求。在多節點組網方面，由于接收器的輸入阻抗和發送器的驅動能力有限，一般在相同傳輸線上最多可接十多個節點，同時，總線上存在多個接收器和發送器，若無有效的隔離和調度措施，這些接收器和發送器很容易發生通信沖突，因此在FPGA芯片過多的系統中，則無法進行有序通信，需要考慮可組網節點多的總線形式。

CAN總線是一種支持分布式控制的串行通信網絡，具有突出的可靠性和靈活性[19]。CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術，只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播的傳送數據，組網節點數普遍可達110個[20]，具有有效的隔離和調度措施，是一種非常適合組建多節點的總線網絡。但CAN總線具有特定的數據協議，無法實現指定數據協議的同步通信。

本文考慮綜合利用CAN總線通信可靠性高和組網節點多、RS422總線通信抗干擾能力強和可實現同步數據通信的特點，來實現FPGA遠程調試與配置。

2.2 方案設計

為解決RS422總線的通信沖突問題并增加其所能掛接的節點數，選用一種具有使能控制的RS422總線接收器和發送器，該接收器和發送器在使能狀態時可正常參與通信，在關閉狀態時，收發端口呈現高阻狀態。通過將連接所需調試FPGA芯片的接收器和發送器使能，將連接其他FPGA芯片的接收器和發送器關閉，實現FPGA調試與配置軟件與所需調試FPGA芯片之間點對點通信鏈路的導通，而且其他接收器和發送器都是關閉狀態，其接收和發送端口都呈現高阻狀態，解決總線上存在多個接收器和發送器造成的通信沖突問題。同時由于大部分接收器端口呈現高阻狀態，導致這些接收器所需的輸入電流變小，可提高總線可掛接的節點數，解決總線上存在多個接收器造成驅動能力不足的問題。

對RS422總線接收器和發送器的使能控制則可通過微控制器進行，而遠程調試控制端與眾多微控制器的通信剛好可以利用CAN總線來完成。

設計的FPGA遠程調試與配置的方案框圖如圖2所示。

圖2 FPGA遠程調試與配置方案

整個設計由人機交互模塊、CAN總線模塊、RS422總線模塊和多個遠程調試與配置模塊組成。

遠程控制時，在人機交互模塊中的遠程調試控制軟件上選擇需要調試和配置的FPGA芯片，通過CAN總線將FPGA芯片的位置信息廣播到所有的遠程調試與配置模塊，各個遠程調試與配置模塊根據位置信息來判斷所需調試和配置FPGA芯片的具體位置，并控制相應的通信模塊。選通所需調試與配置FPGA芯片與RS422總線模塊的通信鏈路，實現人機交互模塊的FPGA調試和配置軟件與所需調試和配置FPGA芯片之間點對點通信鏈路的導通；FPGA調試與配置時，由人機交互模塊的FPGA調試與配置軟件通過FPGA下載器，以JTAG配置模式，通過RS422總線模塊將調試與配置數據傳輸到所需調試與配置的FPGA芯片，同時監控FPGA內核邏輯，通過RS422總線模塊回傳FPGA內核邏輯信息并在人機交互模塊的FPGA調試與配置軟件上顯示，實現FPGA遠程調試與配置的功能。

2.3 硬件構建

整個設計的硬件構成主要包括CAN總線模塊，RS422總線模塊和多個遠程調試與配置模塊。

CAN總線模塊由CAN調試器和CAN總線網絡組成，負責將人機交互模塊傳送過來的所需調試FPGA芯片位置信息轉換為CAN總線形式，通過CAN總線網絡進行廣播，傳送給所有的遠程調試與配置模塊，同時接收遠程調試與配置模塊的狀態信息，轉換為特定接口形式的信息回告給人機交互模塊。

RS422總線模塊由RS422調試器和RS422總線網絡組成，負責將人機交互模塊傳送過來的FPGA調試與配置數據轉換為RS422總線形式，通過RS422總線網絡進行廣播，傳送給所有的遠程調試與配置模塊，同時接收所需調試與配置FPGA芯片的內核邏輯信息，轉換為TTL電平形式回傳給人機交互模塊并在FPGA調試與配置軟件上顯示。

2個總線網絡以特定的拓撲結構來組成一個多節點雙工通信控制網絡，各個節點設備擺放位置合理布線，各分支線盡量短，減少信號發射，匹配電阻獨立連接在總線兩端。

遠程調試與配置模塊由遠程控制模塊、多個通信模塊以及多個FPGA組成。遠程調試與配置模塊的電路框圖如圖3所示。

圖3 遠程調試與配置模塊電路

遠程控制模塊接收所需調試FPGA芯片的位置信息，并根據該信息判斷所需調試FPGA芯片是否屬于本遠程調試與配置模塊，若屬于，則將與該FPGA芯片對應的RS422接收器和RS422發送器使能，將其他RS422接收器和RS422發送器關閉，同時回告本遠程調試與配置模塊的狀態信息；若不屬于，則將本模塊中所有的RS422接收器和RS422發送器全部關閉，從而實現FPGA調試與配置軟件與所需調試與配置FPGA芯片之間點對點通信鏈路的導通。

通信模塊由RS422接收器和RS422發送器組成，負責相關電平形式的轉換。FPGA芯片的JTAG配置管腳與對應的RS422接收器和RS422發送器連接，接收FPGA調試與配置數據，并將所需調試與配置FPGA芯片內核邏輯信息傳送給RS422總線模塊。

2.4 軟件設計

人機交互模塊由遠程調試控制軟件，FPGA調試與配置軟件和FPGA下載器組成。

FPGA調試與配置軟件和FPGA下載器是由FPGA器件廠商或者第三方商家提供的FPGA開發配套軟件，該軟件與FPGA芯片廠家和型號有關，這里采用的FPGA調試與配置軟件為Xilinx公司的ChipScope Pro Analyzer，采用的FPGA下載器為Platform Cable USB II。

遠程調試控制軟件用于選擇需要調試和配置的FPGA芯片，并將FPGA芯片所處位置信息通過接口發送給CAN總線模塊，同時接收從CAN總線模塊回傳過來的遠程調試與配置模塊的狀態信息。遠程調試控制軟件在Visual Studio 2010環境下開發，軟件界面如圖4所示。

圖4 遠程調試控制軟件界面

3 應用驗證

在某預研雷達項目中，按所設計的方案構建包含16片FPGA芯片的遠程調試與配置網絡，并得到成功應用。通過遠程調試控制軟件對該雷達某單元的FPGA芯片進行選擇，然后通過ChipScope Pro Analyzer軟件對該FPGA芯片進行遠程調試與配置，具體調試結果如圖5所示。

圖5 ChipScope軟件調試結果

從調試結果可以看出，采用所設計的方案，在無需設計與FPGA調試工具對接的軟件情況下，即可直接利用FPGA廠商提供的軟件對設備中多個FPGA進行遠程調試與配置，解決了系統中FPGA數量眾多和特殊結構等因素導致FPGA調試困難的問題。經過近半年聯調與試驗，該系統運行穩定，功能可靠，為調試工作帶來了極大的方便。

4 結束語

本文針對特殊場景中FPGA調試不便的情況并結合工程研制的實際需求，給出了一種基于CAN和RS422總線實現FPGA遠程調試與配置方案，并詳述了方案的構建和電路的設計與實現。該方案具有可組網的FPGA芯片個數多、硬件組成簡單，且無需設計與FPGA調試工具對接的軟件，具有易于集成、通用性和移植性強等特點，并在研制項目中得到有效應用，運行穩定可靠。鑒于所研制項目擴展需要，系統包含的FPGA芯片將達到上百片，下一步擬將構建節點數更多的遠程調試與配置網絡，以滿足后續需求。

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