NiosII系統(tǒng)是Altera公司的SOPC解決方案，HDLC協(xié)議是通信領(lǐng)域中面向比特的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程。
介紹了基于NiosII軟核的HDLC通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，并在協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，完成了對(duì)無(wú)人值守基站系統(tǒng)的監(jiān)控與管理。基站端的功能由基于NiosII軟核的SoPC完成，PC機(jī)作為監(jiān)控中心完成對(duì)基站的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。本系統(tǒng)在保證雙方可靠通信的前提下，最終實(shí)現(xiàn)PC主控機(jī)與基站之間實(shí)時(shí)、可靠的信息交互與監(jiān)控管理功能。
一 引言
HDLC（High-level Data Link Control)協(xié)議是通信領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的協(xié)議之一，是面向比特的高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程，具有強(qiáng)大的差錯(cuò)檢測(cè)功能和同步傳輸特點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸[3]。市場(chǎng)上很多專用的HDLC芯片因追求功能的完備，而使芯片的控制變得復(fù)雜。實(shí)際上對(duì)某些特殊的場(chǎng)合，可選擇HDLC協(xié)議中最符合系統(tǒng)要求的部分功能，設(shè)計(jì)一種功能相對(duì)簡(jiǎn)單、使用靈活的控制器。
NiosII系統(tǒng)是Altera公司的SoPC解決方案，它是一個(gè)運(yùn)行在FPGA上的32位RSIC處理器。Altera公司對(duì)于NiosII的開發(fā)提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)QuartusII、SOPC Builder以及NiosII IDE[2] [4]。這樣，硬件電路與外設(shè)的連接，NiosII軟核的配置，C語(yǔ)言編寫與調(diào)試可有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，大大提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，便于系統(tǒng)的更新與升級(jí)。
本設(shè)計(jì)即是采用Altera公司的CYCLONEII芯片ＥＰ2C35-672 FPGA實(shí)現(xiàn)基于NiosII的HDLC協(xié)議控制系統(tǒng)。在完成通信協(xié)議、保證可靠通信的前提下，最終實(shí)現(xiàn)主控機(jī)與基站終端之間實(shí)時(shí)、可靠的信息交互與監(jiān)控管理功能[1]。
二 HDLC協(xié)議說(shuō)明[3]
HDLC協(xié)議具有以下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)報(bào)文可透明傳輸；全雙工通訊；采用窗口機(jī)制和捎帶應(yīng)答；采用幀校驗(yàn)序列，并對(duì)信息幀進(jìn)行順序編號(hào)，防止漏收或重收，傳輸可靠性高；傳輸控制功能和處理功能分離，應(yīng)用非常靈活。HDLC執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸控制功能，一般分為3個(gè)階段：數(shù)據(jù)鏈路建立階段、信息幀傳送階段、數(shù)據(jù)鏈路釋放階段。
HDLC協(xié)議以幀為基本信息單位傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)論是傳輸數(shù)據(jù)信息或是控制信息，每個(gè)幀都采用統(tǒng)一的幀格式，如圖1所示：
圖1 HDLC幀格式
1． 標(biāo)志字段（F）
HDLC協(xié)議規(guī)定，所有信息的傳輸必須以一個(gè)標(biāo)志字開始，且以同一個(gè)標(biāo)志字結(jié)束，這個(gè)標(biāo)志字就是01111110。接收方可以通過(guò)搜索01111110來(lái)判斷幀的開始和結(jié)束，以此建立幀同步。
2． 地址字段（A）
地址字段表示鏈路上站的地址。地址字段為8位，也可用8的倍數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，用于標(biāo)識(shí)接收該幀的站地址。
3． 控制字段（C）
控制字段為8位，用來(lái)表示幀類型、幀編號(hào)以及命令、響應(yīng)等。由圖1知，由于C字段的構(gòu)成不同，可以把HDLC幀分為三種類型：信息(I)幀、監(jiān)控(S)幀、無(wú)編號(hào)(U)幀。在控制字段中，第1位是“0”的為I幀，第1、2位是“10”的為S幀，第1、2位是“11”的為U幀。
4． 信息字段（I）
信息字段內(nèi)包含了用戶的數(shù)據(jù)信息和來(lái)自上層的各種控制信息。在I幀和某些U幀中，具有該字段。HDLC幀的信息長(zhǎng)度是可變的，其長(zhǎng)度由收發(fā)站緩沖器的大小和線路的差錯(cuò)情況決定，但必須是8bit的整數(shù)倍。它可傳送標(biāo)志字以外的任意二進(jìn)制信息。
5．幀校驗(yàn)序列字段（FCS）
幀校驗(yàn)序列用于對(duì)幀進(jìn)行CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)。在HDLC協(xié)議中采用16位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼進(jìn)行差錯(cuò)控制，其校驗(yàn)范圍從地址字段的第1比特到信息字段的最后1比特的序列，并且規(guī)定為了透明傳輸而插入的“0”不在校驗(yàn)范圍內(nèi)。它的生成多項(xiàng)式為g(x)=X16+X12+X5+1。
三 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
基站系統(tǒng)往往被安置在比較分散、環(huán)境比較惡劣且無(wú)人值守的地方，因此它運(yùn)行的可靠性就顯得尤為重要。SOPC的諸多特點(diǎn)滿足了此類系統(tǒng)的要求。基于此定位，該系統(tǒng)選用pc機(jī)作為監(jiān)控中心，SOPC片上系統(tǒng)作基站端，它們之間采用HDLC協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠通信。監(jiān)控中心完成建立和斷開鏈路的功能，SOPC基站系統(tǒng)除了接收、執(zhí)行監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的命令外，還要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集控制，并將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心。
對(duì)于通信雙方，數(shù)據(jù)都有發(fā)送與接收兩個(gè)傳輸方向，即上行數(shù)據(jù)流和下行數(shù)據(jù)流。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，按照HDLC協(xié)議，先將數(shù)據(jù)封裝成幀，即加上幀頭、地址字段、控制字段、信息字段、CRC校驗(yàn)段、幀尾，當(dāng)緩沖區(qū)有空間時(shí)，將成幀數(shù)據(jù)送交緩沖區(qū)待發(fā)送，數(shù)據(jù)幀再經(jīng)UART送到對(duì)方的RS-232接口，數(shù)據(jù)進(jìn)入收方的緩沖區(qū)，收方則執(zhí)行與發(fā)送相反的操作，即從緩沖區(qū)讀出數(shù)據(jù)、對(duì)其解幀、CRC校驗(yàn)判斷、解碼，并按照所提取的信息執(zhí)行相應(yīng)操作。完整的系統(tǒng)總框圖如圖2所示：
圖2 系統(tǒng)框圖
四 基于NiosII的SOPC功能設(shè)計(jì)
分為硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，分別在QuartusII、SOPC Builder和NiosII IDE中完成。
1 硬件設(shè)計(jì)
(1) 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括RS-232接口、PIO接口、顯示模塊和自定義CRC校驗(yàn)指令，這些部分都是用NiosII軟核來(lái)配置的。NiosII作為系統(tǒng)的流程控制中心，其作用是不言而喻的，通過(guò)采用SOPC Builder對(duì)NiosII進(jìn)行定制，極大的減少了系統(tǒng)的使用資源。整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示：
圖3 NiosII硬件原理圖
（2）NiosII軟核配置
利用QuartusII軟件中的SOPC Builder，添加處理器、總線、片內(nèi)ROM、PIO、UART、NiosII其它外設(shè)及接口。系統(tǒng)的頂層模塊由NiosII軟核處理器標(biāo)準(zhǔn)版和系統(tǒng)時(shí)鐘組成，系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)鎖相環(huán)PLL再分配給各外設(shè)及SDRAM。
（3）自定義CRC校驗(yàn)指令
可編程軟核處理器最大的特點(diǎn)是靈活到可以方便的增加指令，這樣可以把系統(tǒng)中用軟件處理耗時(shí)多的關(guān)鍵算法用硬件邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。自定義指令其實(shí)就是用戶讓NiosII軟核完成的一個(gè)功能，這個(gè)功能由采用HDL語(yǔ)言描述的電路模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊被連接到NiosII軟核的算術(shù)邏輯部件上。
CRC校驗(yàn)的一般算法需要大量的邏輯與循環(huán)運(yùn)算，如果用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)則要占用很多個(gè)時(shí)鐘周期，使系統(tǒng)的效率降低，而用硬件完成則僅需要幾個(gè)時(shí)鐘周期。NiosII正好提供了用戶自定義指令的功能，因此給NiosII添加自定義CRC校驗(yàn)指令來(lái)完成該部分功能，大大提高了系統(tǒng)的效率。
2 NiosII應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
NiosII應(yīng)用軟件用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，完成了HDLC協(xié)議和對(duì)基站系統(tǒng)的控制兩個(gè)任務(wù)。首先完成HDLC協(xié)議中所要求的解幀校驗(yàn)處理、數(shù)據(jù)重新打包轉(zhuǎn)發(fā)、錯(cuò)誤處理等操作，確保通訊的暢通與可靠。基站端在接收到監(jiān)控中心的命令后，在應(yīng)用軟件的控制下，驅(qū)動(dòng)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)操作，主要是對(duì)溫度、濕度、電壓、煙感度等參數(shù)的讀取及環(huán)境參數(shù)的調(diào)整，執(zhí)行完畢后將結(jié)果反饋回監(jiān)控中心。基于此思想，NiosII軟件分為HDLC協(xié)議實(shí)現(xiàn)部分和命令執(zhí)行部分。
（1） 協(xié)議實(shí)現(xiàn)部分
a、接收數(shù)據(jù)
首先，建立鏈路完成對(duì)幀序列、各種外設(shè)參量、標(biāo)志位等變量的初始化。函數(shù)void DeFrame( )用于每收到一幀后的解幀處理，即包括幀長(zhǎng)度的判斷、CRC 校驗(yàn)、幀類型辨認(rèn)、幀序號(hào)的對(duì)照。CRC校驗(yàn)碼的運(yùn)算由函數(shù)ALT_CI_CRC_CCITT( )完成，具體操作是調(diào)用配置的自定義CRC校驗(yàn)指令，賦數(shù)據(jù)值，然后通過(guò)硬件運(yùn)算返回計(jì)算的CRC碼，再和數(shù)據(jù)幀中的校驗(yàn)碼對(duì)比，相同則是正確信息，不等則判為錯(cuò)誤信息。
b、發(fā)送數(shù)據(jù)
定義變量volatile int edge_capture來(lái)進(jìn)行基站環(huán)境參數(shù)信息的捕捉，如溫度、濕度、電壓等。NiosII應(yīng)用軟件根據(jù)對(duì)環(huán)境參量的讀取和判斷，還要對(duì)異常狀況做特殊處理。比如，如果某參量出現(xiàn)超標(biāo)則必需立刻發(fā)送信息幀進(jìn)行告警，以使用戶進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。
具體發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)先裝幀再送入緩沖區(qū)等待。為了防止幀丟失造成通訊雙方處于僵滯的等待狀態(tài)，引入計(jì)時(shí)器，即每發(fā)一次信息幀都要啟動(dòng)計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，若計(jì)時(shí)器溢出，重發(fā)上一幀并重新計(jì)時(shí)。以發(fā)送電壓值為例，對(duì)其具體過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明：
void InfoVoltageFrame( )； //裝電壓幀
void SendBuf(unsigned char Frame[],int SendDataLen)； //幀送緩沖區(qū)
void TimeDelay( )； //啟動(dòng)計(jì)時(shí)器
若超時(shí)，置超時(shí)標(biāo)志DelayFlag=1；
在此條件下，調(diào)用函數(shù)ReSendFrame( )； //重發(fā)上一幀
再次啟動(dòng)計(jì)時(shí)器TimeDelay( )；
c、HDLC協(xié)議中滑動(dòng)窗口的處理
只將滑動(dòng)窗口協(xié)議中最關(guān)鍵的幀序號(hào)變化的具體代碼呈現(xiàn)出來(lái)：
……
If ((RvByte(2) And &HF)/2)=VR Then 'NS與VR作比較，相等則接收并發(fā)送確認(rèn)幀
VR = ((VR + 1) And & H7)
……
If (RvByte(2) And &HF) = 1 Then '收到確認(rèn)S幀
SysTime.Enabled = False
VS = ((VS + 1) And & H7)
……
（2）命令執(zhí)行軟件部分
這部分軟件主要是驅(qū)動(dòng)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)命令。一方面，監(jiān)控中心啟動(dòng)自動(dòng)監(jiān)控功能， NiosII每隔5秒會(huì)接收到監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的讀取參量信息命令，NiosII執(zhí)行命令并讀取外設(shè)參量送至發(fā)送緩存；另一方面，若環(huán)境參量發(fā)生變化，NiosII會(huì)對(duì)其進(jìn)行判斷，如果超標(biāo)則立即主動(dòng)發(fā)告警信息幀給監(jiān)控中心。
五 結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種基于ＦＰＧＡ的ＨＤＬＣ協(xié)議控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并利用Altera公司的CYCLONEII芯片ＥＰ2C35-672來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐表明，利用NiosII實(shí)現(xiàn)的HDLC協(xié)議控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、使用靈活，能夠很好地應(yīng)用于各種小型通信設(shè)備。通過(guò)不同階段大量的測(cè)試，系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，完成了實(shí)時(shí)可靠的通訊與準(zhǔn)確的控制。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):
1、 技術(shù)手段的創(chuàng)新：使用NiosII這種新型的SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了ＨＤＬＣ協(xié)議。
2、 應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新：實(shí)現(xiàn)了對(duì)基站各種信息（如工作電壓、環(huán)境溫度、濕度、煙感度等）的實(shí)時(shí)監(jiān)控與可靠管理。
參考文獻(xiàn)
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