基于國產FPGA的信息化適配設備硬件與軟件設計

陳澤宇,趙嘉禾,宋潤泉, 許惟超, 李文博

(1. 海裝上海局駐上海地區第六軍事代表室，上海 201100；2. 上海航天電子技術研究所，上海 201108)

0 引言

串口通訊在計算機通信領域一直是重要的通信方式[1]。雖然因為其傳輸速率等缺陷在民用領域逐漸被淘汰，但其在可靠性和易用性等方面的優勢使其在軍事領域一直被長期使用。軍事信息化是我軍建設的發展方向[2]，以太網協議在穩定性、通用性、高速性和廉價性方面具有優勢[3]，成為軍事信息化的重要基礎。目前，以太網的協議標準發展得十分完善，且已在新型的國產化信息設備中得到全面支持。

目前，現役的眾多型號裝備不具備以太網通信的功能，本身無法接入信息化網絡中，這成為信息化指揮與控制的痛點。為了將無網絡通信功能的裝備直接或間接接入信息化網絡中，在兩者的中間層可設計一種適配設備，一方面面向該裝備發送控制信息和接收處理回告信息，另一方面面向網絡或接入網絡的其他信息設備發送裝備的回告信息并接收上位機的控制命令。本文設計的信息化適配設備支持RS422/485通信、UDP通信等通信協議，用于與上位計算機通訊，具備繼電器控制、電平信號采集等功能用于控制受控裝備和接收處理其回告信號，可以用于實現上述功能。

為了兼容不同的系統架構，本文設計的信息化適配設備在硬件上支持的功能接口數量和種類多樣性上滿足了各種型號的需求。為了實現小型化和智能化，硬件平臺使用國產FPGA 作為控制核心。相較于單片機，FPGA 具備豐富的邏輯資源和并行處理能力[4]，能夠有效地連接軟件和硬件，且功能易更新。

1 系統設計

本文設計實現了一種基于國產FPGA的小型化信息化適配設備，具備與上位機進行串口通信、千兆以太網通信，具備控制內部繼電器、電平收發等功能與受控設備進行交互。圖1 展示了該型適配設備的核心板。

圖1 國產信息化適配設備核心板（正面）

該設計選用深圳國微SMQ7K410型號FPGA作為控制核心，外圍關鍵器件選用88E1111作為以太網物理層芯片，DS26LV32和DS26LV31分別作為RS422串口的收發元件。使用的全部元器件實現國產化替代，避免了使用進口器件的潛在安全風險[5]。在軟件設計方面使用Verilog 硬件描述語言進行，設計了包括UART、UDP、IP、ARP 和MAC 模塊的通信功能[6]，以及加斷電控制、回告指示等用于FPGA 驅動外圍器件的控制模塊。整體設計框圖如圖2所示。

圖2 系統整體設計架構

2 硬件設計

RS422 可用于實現多點通信和差分數據傳輸。如圖3 所示，本文設計的RS422 硬件使用DS26LV31和DS26LV32兩種芯片的國產替代型號分別實現發送和接收功能，可以實現最多16 路并行接收和24 路并行發送。

圖3 RS422收發芯片原理圖

以太網功能實現使用了國產物理層芯片88E11 11 與FPGA 的MAC 模塊通信。在設計中將物理層芯片配置為GMII 模式下工作，可與外部網絡設備進行千兆以太網通信。為了使FPGA 能夠控制受控裝備并接收其回告信號，硬件上選用AQV212、JGC-3036 和MAX1490 的國產替代型號分別實現繼電器通斷控制、電平信號采集和高隔離度準秒脈沖接收功能。

3 軟件設計

如圖2 所示，本文使用Verilog 硬件描述語言設計頂層邏輯和UART 模塊、UDP通信模塊等功能模塊。

3.1 UART功能模塊

UART 功能模塊包含發送和接收功能，分別由UART_TX和UART_RX兩個子模塊實現，用于控制圖3所示的板載芯片收發RS422報文。該模塊采用標準UART 異步串行協議，1 位起始位，8 位數據位，1 位停止位，數據字節先發低位后發高位，波特率和字節校驗可由頂層邏輯配置。

UART_TX 模塊發送時序如圖4a)所示，發送開始時拉高wr_en 信號，將din 數據字節寫入模塊內部FIFO 中。模塊每個時鐘上升沿檢測FIFO 狀態，當FIFO非空時，模塊驅動底層發送功能輸出串行數據。

圖4 UART功能模塊時序圖

UART_RX 模塊接收時序如圖4b)所示，當接收字節數據rxd_data 接收到起始位開始接收，當收到停止位，且配置有校驗位的情況下校驗正確時，模塊輸出接收字節rec_data，并在下一個時鐘發出接收確認脈沖rec_en。

3.2 UDP功能模塊

UDP功能模塊可以由用戶配置IP地址和MAC地址，實現千兆以太網通信的功能。模塊遵守以太網IEEE802.3 標準，其協議框架由OSI 七層模型發展到現在的TCP/IP 五層模型，如表1 所示，TCP/IP 協議簇包含HTTP、TCP、UDP、IP、ARP 等協議。UDP 功能模塊實現了傳輸層、網絡層、數據鏈路層共三層，UDP數據由FPGA頂層邏輯打包，故不存在應用層；物理層由于需要模擬器件，由88E1111芯片實現。

表1 TCP/IP模型及功能描述

模塊在收到發送命令后，首先對數據進行幀封裝，由UDP 模塊添加UDP 首部。UDP 首部共8 字節，包括源端口號、目的端口號、報文長度、校驗值各2字節。在UDP 模塊中設計有一個狀態機，將UDP 封裝過程分為6個狀態：等待狀態、添加首部狀態、計算寫入校驗高字節、計算寫入校驗低字節、封包狀態、寫入緩存。6 個狀態依次進行，并最終回到等待狀態，UDP數據包發送到IP 模塊。在接收過程中，IP 模塊將接收命令和UDP 數據幀發送給UDP 模塊進行解包得到用戶發送數據。

IP 模塊將UDP數據包進一步封裝，加入IP 首部發送至MAC層。本模塊設置IP首部共20個字節，包括首部長度、總長度、標識、首部校驗和、源IP 地址、目的IP 地址等。IP 幀發送過程包含下述狀態：等待狀態、添加首部狀態、計算寫入校驗高字節、計算寫入校驗低字節、寫入RAM。狀態依次進行，并最終回到等待狀態，IP 數據包發送到MAC 模塊。在接收過程中，MAC 模塊將接收命令和IP 數據幀發送給IP模塊進行解包得到UDP 數據幀。IP模塊中包含ICMP功能，用于與上位機進行通信請求與應答功能。

MAC模塊發送時將MAC幀首部封裝到IP數據包頭，并驅動物理層芯片；在接收時收到物理層芯片的數據進行解包發送到IP模塊。ARP模塊通過MAC模塊和物理層芯片，向以太網發送地址解析協議(Address Resolution Protocol，ARP) 報文和接收應答消息，建立FPGA到上位計算機的以太網連接。ARP模塊在找不到IP 地址對應的MAC 地址時，會向以太網當前網段廣播包含本機的IP 地址、MAC 地址和請求的目的IP 地址的ARP 報文。目的IP 地址計算機接收到ARP 報文后將本機MAC 地址單播發到ARP 模塊，由ARP模塊建立ARP表。

4 仿真與驗證

本節在上述信息化適配設備硬件平臺和UART、UDP 軟件功能模塊的基礎上，設計了軟件頂層邏輯，實現轉發接收到的RS422導航報文信息、根據接收的RS422 報文控制輸出設備加電和通過UDP 與上位機雙向通信的功能。

如圖5 所示，UART_RX 模塊通過“rxd_data1”“rxd_data2”收到握手報文后約12ms，UART_TX 模塊發出報文向計算機1、2；當從“txd_out_dh”收到導航數據后，UART_TX 模塊向計算機1、2 和照射轉發導航數據。

圖5 發送報文和導航信息

如圖6 所示，在約50ms 時刻FPGA 接收到特定報文命令后，通過“ld_out”為3臺受控裝備加電。

圖6 接收報文為設備加電

如圖7 所示，FPGA 端軟件配置IP 為192.168.0.2，上位機配置IP 為192.168.0.1，通信使用6100 端口。將上位機通過以太網連接到信息化適配設備后，兩者可以通過UDP協議正常通信。

圖7 UDP通信功能

5 結論

本文設計了基于國產FPGA 的信息化適配設備，在其基礎上開發了驅動RS422 和千兆以太網等軟件模塊，實現了計算機與FPGA的RS422、千兆以太網的通信功能。此設備能夠作為適配設備連接遠程計算機和受控裝備，既能根據上位計算機的控制命令控制受控裝備，又能將受控裝備的回告狀態信息根據通信協議發送到計算機和網絡。通過仿真和驗證，上述功能得到了確認。