一種基于fpga的可擴(kuò)展多通道串口光端機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高速率(IMHz)、高可靠性，通道數(shù)量可擴(kuò)展的串口遠(yuǎn)距離傳輸，尤其涉及基于FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)的串口與光纖互轉(zhuǎn)換的遠(yuǎn)距離傳輸實(shí)現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的串口互聯(lián)傳輸系統(tǒng)中，設(shè)備之間的傳輸介質(zhì)都是電線纜進(jìn)行直接連接的，由于電線纜的抗干擾性差，傳輸距離短(小于10米)，未能滿足遠(yuǎn)距離傳輸。近年來，隨著光纖互聯(lián)傳輸技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了基于光纖傳輸?shù)拇谘b置，但是僅能實(shí)現(xiàn)單一的串口輸入、輸出傳輸，且傳輸距離短(約300米)，未能滿足工程需要的高速率(IMHz)、高可靠性、可擴(kuò)展多通道同時(shí)遠(yuǎn)距離傳輸，未能滿足更遠(yuǎn)距離(100千米及以上)的傳輸需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明采用FPGA的高速信號采集、處理性能、高速串行傳輸Rocket1 IP核等資源優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出一套串口轉(zhuǎn)光纖裝置，SFP光纖互聯(lián)傳輸裝置，光纖轉(zhuǎn)串口裝置，解決了高速率(IMHz)、高可靠性、可擴(kuò)展多通道串口在單根光纖同時(shí)傳輸?shù)募夹g(shù)難點(diǎn)，突破了遠(yuǎn)距離(120千米)傳輸?shù)木窒?，本發(fā)明的光端機(jī)可配置SFP光纖模塊，提供單?；蛘叨嗄９饫w模塊的靈活配置，滿足多種工程應(yīng)用場合的需求。
[0004]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]基于FPGA的可擴(kuò)展多通道串口光端機(jī)，其特征在于包括:串口轉(zhuǎn)光纖裝置1、SFP光纖互聯(lián)裝置2和光纖轉(zhuǎn)串口裝置3 ；串口轉(zhuǎn)光纖裝置I完成多通道RS232、RS422串口電信號輸入至單根光纖輸出的轉(zhuǎn)換，同時(shí)完成單根光纖數(shù)據(jù)流輸入至多通道RS232、RS422串口電信號輸出的轉(zhuǎn)換；SFP光纖互聯(lián)裝置2通過光纖線纜與遠(yuǎn)端的光纖轉(zhuǎn)串口裝置進(jìn)行連接；光纖轉(zhuǎn)串口裝置3完成單根光纖數(shù)據(jù)流輸入至多通道RS232、RS422串口電信號輸出的轉(zhuǎn)換，同時(shí)完成多通道RS232、RS422的串口電信號輸入至單根光纖輸出的轉(zhuǎn)換功能；其基于FPGA的可擴(kuò)展多通道串口轉(zhuǎn)光纖裝置與方法，具有很靈活的擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)方法簡單，RS232最高支持1Mbps，RS422最高支持10Mbps。
[0006]串口轉(zhuǎn)光纖裝置I包括LED指示燈10、FPGA芯片11、時(shí)鐘管理模塊111、數(shù)據(jù)包封裝模塊112、串口電平信號采集模塊113、數(shù)據(jù)并/串轉(zhuǎn)換模塊114、數(shù)據(jù)包解析模塊115、串口電平信號恢復(fù)模塊116、時(shí)鐘芯片12、EEPR0M程序存儲(chǔ)芯片13、RS232串口芯片I即141、RS232 串口插座 I 即 1411、RS232 串口芯片 2 即 142、RS232 串口插座 2 即 1421、RS232 串口芯片 3 即 143、RS232 串口插座 3 即 1431、RS422 串口芯片 A 144、RS422 串口插座 A 1441、RS422 串口芯片 B 145、RS422 串口插座 B 1451、RS422 串口芯片 C 146、RS422 串口插座 C1461。
[0007]LED指示燈10，由3個(gè)獨(dú)立的LED指示燈組成，3個(gè)LED指示燈的顏色分別是紅色、黃色和綠色，紅色LED燈閃爍則指示串口轉(zhuǎn)光纖裝置工作正常，黃色LED燈閃爍則指示串口電信號輸入正常，綠色LED燈亮則指示串口轉(zhuǎn)光纖裝置的SFP光纖互聯(lián)連接正常。
[0008]FPGA芯片11，設(shè)計(jì)采用Virtex-1I Pro系列的FPGA，在單片F(xiàn)PGA內(nèi)部完成時(shí)鐘管理模塊111、數(shù)據(jù)包封裝模塊112、串口電平信號采集模塊113、數(shù)據(jù)并/串轉(zhuǎn)換模塊114、數(shù)據(jù)包解析模塊115、串口電平信號恢復(fù)模塊116的設(shè)計(jì)。
[0009]時(shí)鐘管理模塊111，設(shè)計(jì)采用DCM時(shí)鐘管理器，完成為數(shù)據(jù)包封裝模塊112、串口電平信號采集模塊113、數(shù)據(jù)并/串轉(zhuǎn)換模塊114、數(shù)據(jù)包解析模塊115、串口電平信號恢復(fù)模塊116提供高精度的156.25MHz時(shí)鐘。
[0010]數(shù)據(jù)包封裝模塊112，串口數(shù)據(jù)在光纖數(shù)據(jù)流中是由串口數(shù)據(jù)包首引導(dǎo)的，串口數(shù)據(jù)包首采用一個(gè)16位特殊字符“FC17”和一個(gè)2位K字符“10”共同表示；串口數(shù)據(jù)包的長度需為16位(2字節(jié))的倍數(shù)，且在每個(gè)串口數(shù)據(jù)包之間，均需要嵌入一定頻率的時(shí)鐘修正序列和字符對齊序列，時(shí)鐘修正序列和字符對齊序列均采用一個(gè)16位特殊字符“FC00”和一個(gè)2位K字符“10”共同表示。
[0011]串口電平信號采集模塊113，使用156.25MHz的高精度時(shí)鐘實(shí)時(shí)采集串口輸入的電平信號，并實(shí)時(shí)將采集所得的電平值賦給Rocket1 IP核16位并行數(shù)據(jù)的某一位，再將這16位并行數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)包封裝模塊112進(jìn)行串口數(shù)據(jù)封裝，完成對串口電平信號的采集。
[0012]光纖承載串口的通道數(shù)量可擴(kuò)展性，根據(jù)嵌入時(shí)鐘修正序列和字符對齊序列的頻率，串口數(shù)據(jù)包的長度最大可為124字節(jié)，即62個(gè)16位并行數(shù)據(jù)，且每16個(gè)并行數(shù)據(jù)最高可配置8個(gè)串口通道(發(fā)送、接收各對應(yīng)一位)，即光端機(jī)的一根光纖最高可承載499個(gè)串口通道。
[0013]數(shù)據(jù)并/串轉(zhuǎn)換模塊114，完成16位并行數(shù)據(jù)至光纖串行數(shù)據(jù)流的互相轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)采用FPGA內(nèi)部的Rocket1 IP核作為數(shù)據(jù)并/串轉(zhuǎn)換模塊114。
[0014]數(shù)據(jù)包解析模塊115，實(shí)時(shí)接收光纖數(shù)據(jù)流并解析出串口數(shù)據(jù)包；當(dāng)檢測到包首字符“FC17”和K字符“10”時(shí)，則將串口數(shù)據(jù)提取出來，并送至串口電平信號恢復(fù)模塊116進(jìn)行處理。
[0015]串口電平信號恢復(fù)模塊116，實(shí)時(shí)接收來自數(shù)據(jù)包解析模塊115的16位并行數(shù)據(jù)，將16位并行數(shù)據(jù)與各個(gè)通道的串口進(jìn)行一一對應(yīng)，即16位并行數(shù)據(jù)中的某一位對應(yīng)一個(gè)通道的串口發(fā)送端或接收端；使用高精度的156.25MHz時(shí)鐘對串口電平信號進(jìn)行實(shí)時(shí)恢復(fù)，將恢復(fù)得到串口電平信號輸出至對應(yīng)串口芯片，以完成串口電平信號的恢復(fù)。
[0016]時(shí)鐘芯片12，設(shè)計(jì)采用IDT5V9885時(shí)鐘芯片產(chǎn)生高精度的156.25MHz時(shí)鐘，輸出至?xí)r鐘管理模塊111。
[0017]EEPROM程序存儲(chǔ)芯片13，設(shè)計(jì)采用Xilinx公司的XCF32P EEPROM程序存儲(chǔ)芯片，該芯片完成FPGA程序的存儲(chǔ)和上電自動(dòng)加載。
[0018]RS232串口芯片I即14URS232串口芯片2即142、RS232串口芯片3即143，設(shè)計(jì)采用Maxim公司的MAX3225串口芯片，該芯片完成RS232串口電平至FPGA電平的互轉(zhuǎn)換。
[0019]RS232 串口插座 I 即 1411、RS232 串口插座 2 即 1421、RS232 串口插座 3 即 1431，設(shè)計(jì)采用4芯插座作為RS232串口的連接接口。
[0020]RS422串口芯片A 144、RS422串口芯片B 145、RS422串口芯片C 146，設(shè)計(jì)采用Maxim公司的MAX3490串口芯片，該芯片完成RS422串口電平至FPGA電平的互轉(zhuǎn)換。
[0021]RS422 串口插座 A 1441、RS422 串口插座 B 1451、RS422 串口插座 C 1461，設(shè)計(jì)采用6芯插座作為RS422串口的連接接口。
[0022]SFP光纖互聯(lián)裝置2包括串口轉(zhuǎn)光纖裝置的SFP光纖模塊221、光纖轉(zhuǎn)串口裝置的SFP光纖模塊321。
[0023]SFP光纖模塊221、SFP光纖模塊321，采用標(biāo)準(zhǔn)的SFP光纖模塊，SFP光纖模塊的傳輸速率為3.125Gb/s，SFP光纖模塊能接插SFP多?；蛘逽FP單模光纖模塊；SFP多模光纖模塊傳輸距離為500米，傳輸波長為850nm ；SFP單模光纖模塊傳輸距離為120千米，傳輸波長為 1470nm—1610nm。
[0024]光纖轉(zhuǎn)串口裝置3包括LED指示燈30、FPGA芯片31、時(shí)鐘管理模塊311、數(shù)據(jù)包解析模塊312、串口電平信號恢復(fù)模塊313、數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換模塊314、數(shù)據(jù)包封裝模塊315、串口電平信號采集模塊316、時(shí)鐘芯片32、EEPROM程序存儲(chǔ)芯片33、RS232串口芯片I即341、RS232串口插座I即341URS232串口芯片2即342、RS232串口插座2即342URS232串P芯片 3 即 343、RS232 串口插座 3 即 3431、RS422 串口芯片 A 344、RS422 串口插座 A 3441、RS422 串口芯片 B 345、RS422 串口插座 B 3451、RS422 串口芯片 C 346、RS422 串口插座 C3461ο
[0025]LED指示燈30，由3個(gè)獨(dú)立的LED指示燈組成，3個(gè)LED指示燈的顏色分別是紅色、黃色和綠色，紅色LED燈閃爍則指示光纖轉(zhuǎn)串口裝置工作正常，黃色LED燈閃爍則指示串口電信號輸入正常，綠色LED燈亮則指示光纖轉(zhuǎn)串口的SFP光纖互聯(lián)連接正常。
[0026]FPGA芯片31，設(shè)計(jì)采用Virtex-1I Pro系列的FPGA，在單片F(xiàn)PGA內(nèi)部完成時(shí)鐘管理模塊311、數(shù)據(jù)包解析模塊312、串口電平信號恢復(fù)模塊313、數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換模塊314、數(shù)據(jù)包封裝模塊315、串口電平信號采集模塊316。
[0027]時(shí)鐘管理模塊311，設(shè)計(jì)采用DCM時(shí)鐘管理器，完成為數(shù)據(jù)包解析模塊312、串口電平信號恢復(fù)模塊313、數(shù)據(jù)串/并轉(zhuǎn)換模塊314、數(shù)據(jù)包封裝模塊315、串口電平信號采集模塊316提供高精度的156.25MHz時(shí)鐘。
[0028]數(shù)據(jù)包解析模塊312，實(shí)時(shí)接收光纖數(shù)據(jù)流并解析出串口數(shù)據(jù)包；串口數(shù)據(jù)包首采用一個(gè)16位特殊字符“FC17”和一個(gè)2位K字符“10”共同表示，數(shù)據(jù)包解析模塊312實(shí)時(shí)檢測接收得到的光纖數(shù)據(jù)流，當(dāng)檢測