CN101453468A - 一种适用于星载设备的数据通信协议控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于星载设备的数据通信协议控制器,包括控制寄存器、状态寄存器、输入缓存和输出缓存均与内部总线电连接;控制寄存器1通过信号线与数字量输入时序控制逻辑阵列和数字量输出时序控制逻辑阵列电连接,该数字量输入时序控制逻辑阵列的控制信号与串行输入移位寄存器和外部数字量输入通道电连接;串行输入移位寄存器通过输入并行数据线与输入缓存电连接,数字量输出时序控制逻辑阵列的控制信号与串行输出移位寄存器和外部数字量输出通道电连接,串行输出移位寄存器通过并行输出数据线与输出缓存电连接。本发明数据通信协议控制器解决了对多种通信协议和多路通信通道的自动控制,实现了数据采集器的轻小型化。并且建立在全数字逻辑硬件电路的基础上,因此该控制器可靠性、稳定性能够得到充分的保证。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据通信协议控制器,特别是涉及一种适用于星载设备的数据通信协议控制器。
背景技术
在航天器的数据管理系统中针对串行数字量通信通常制定了特殊的通信协议。数管系统中有专门的数据采集器按照通信协议来管理与之接口的有效载荷单元。数据采集器传统的实现方法采用软件来控制CPU的外部端口来产生协议要求的控制信号,在此端口信号的控制下来接收或发送数据,具体方法可参见文献1中基于ISA总线的同步通信控制器的实现方法(中文核心期刊《微计算机信息》(测控自动化)2005年第21卷第3期,基于ISA总线的同步通信控制器,作者:牛强军,高峰)。依靠软件来控制整个的通信过程就使得通信的效率依靠CPU的处理能力,如文献1中的方法就是依靠地面PC机强大的处理能力上实现的,且只有一路通道。但星载设备CPU的处理能力通常较低,而且需要同时处理多个通道的同步通信过程。因此单台软件实现的数据采集器可以接口的串行数字量通道就很受限制,必须设置多台数据采集器才能管理多个通道或实现高数据率。这样势必要增加航天器的重量和功耗,也使研制、生产和发射的成本大大提高。
发明内容
本发明的目的在于,克服上述已有利用软件来控制电路产生协议要求的控制信号带来的效率低、必须设置多台数据采集器,而增加航天器的重量和功耗的缺陷;为了提高航天器数据管理系统的工作效率和轻小型化,从而提供一种采用FPGA实现的适用于星载设备的数据通信协议控制器。
为了实现上述目的,本发明提供了适用于星载设备的数据通信协议控制器,如图1所示,该控制器包括控制寄存器1、内部总线和CPU;其特征在于,还包括状态寄存器2,数字量输入时序控制逻辑阵列3,数字量输出时序控制阵列4,输入缓存5,输出缓存6,输入串并转换移位寄存器7和输出并串转换移位寄存器8;
其中,所述的控制寄存器1、所述的状态寄存器2、所述的输入缓存5和所述的输出缓存6均与内部总线电连接;所述的内部总线与计算机外部总线电连接,该内部总线包括16位双向数据总线、8位地址总线和2根读写控制总线,其中,所述的CPU通过内部总线访问所述的16位双向数据总线、8位地址总线和2根读写控制总线的寄存器或数据存储单元;所述的控制寄存器1通过信号线与所述的数字量输入时序控制逻辑阵列3和所述的数字量输出时序控制逻辑阵列4电连接,该数字量输入时序控制逻辑阵列3的控制信号与所述的串行输入移位寄存器7和外部数字量输入通道电连接;所述的串行输入移位寄存器7通过并行输入数据线与所述的输入缓存5电连接,所述的数字量输出时序控制逻辑阵列4的控制信号与所述的串行输出移位寄存器8和外部数字量输出通道电连接,所述的串行输入移位寄存器8通过并行输出数据线与输入缓存6电连接。
本发明的适用于星载设备的数据通信协议控制器工作过程为:对于数字量输入通道,CPU通过操作控制寄存器1载荷对应的控制位,则数字量输入时序控制逻辑阵列3会自动产生控制时序信号采集该通道的串行数据,待输入串并转换移位寄存器7完成转换后自动存入输入缓存FIFO5中,待存满一帧数据后置位状态寄存器的相应位,申请CPU中断或供CPU查询;对于数字量输出通道,CPU可直接将8位或16位的并行数据写入输出缓存6中,数字量输出时序控制阵列4可自动产生控制选通和位同步信号,此信号在发送给载荷的同时,也可以控制输出并串转换移位寄存器8输出串行数据。
上述技术方案中,所述的控制寄存器1、状态寄存器2,数字量输入时序控制逻辑阵列3,数字量输出时序控制阵列4,输入缓存5,输出缓存6,输入串并转换移位寄存器7和输出并串转换移位寄存器8的功能模块均在一块FPGA内部实现。
上述技术方案中,所述的控制寄存器1采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
上述技术方案中,所述的状态寄存器2同样采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
上述技术方案中,所述的数字量输入时序控制逻辑阵列3按照有限状态机的原理采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
上述技术方案中,所述的数字量输出时序控制阵列4按照有限状态机的原理采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
上述技术方案中,所述的输入缓存5采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的存储器资源实现。
上述技术方案中,所述的输出缓存6采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的存储器资源实现。
上述技术方案中,所述的输入串并转换移位寄存器7采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
上述技术方案中,所述的输出并串转换移位寄存器8采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
本发明的优点在于:
1.本发明的适用于星载设备的数据通信协议控制器,由于将控制寄存器1、状态寄存器2,数字量输入时序控制逻辑阵列3,数字量输出时序控制阵列4,输入缓存5,输出缓存6,输入串并转换移位寄存器7和输出并串转换移位寄存器8的功能模块均在一块FPGA内部实现。因此克服了传统的数据采集器是采用软件来控制电路产生协议要求的控制信号,在此信号的控制下来接收或发送数据;这样依靠软件来控制整个的通信过程就使得通信的效率很低。而且,还必须设置多台数据采集器才能管理多个通道或实现高数据率,对于航天器的重量和功耗就大大地增加了,也使研制、生产和发射的成本大大提高。所以本发明的控制器与已有的控制器相比具有通信效率高、可靠性、稳定性高。
2、本发明解决了对多种通信协议和多路通信通道的自动控制,实现了数据采集器的轻小型化。
3、本发明建立在全数字逻辑硬件电路的基础上,因此可靠性、稳定性能够得到充分的保证。
附图说明
图1是本发明的适用于星载设备的数据通信协议控制器组成框图;
图2是本发明的数据通信协议控制器中数字量输入通信协议波形图;
其中图2中:t1≥62.5μs
t2=9.5 t4周期
t3=125±5μs
t4=62.5±5μs
图3是本发明的数据通信协议控制器中数字量输出通信协议波形图
图3中:t1≥62.5μs
t2=9.5 t4周期
t3=125±5μs
t4=62.5±5μs;
图4是本发明的数据通信协议控制器中的控制寄存器组成图
图5是本发明的数据通信协议控制器中的状态寄存器组成图
图6数字量输入时序控制逻辑状态转换图;
图7数字量输出时序控制逻辑状态转换图;
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明的适用于航天应用的数据通信协议控制器进行详细地描述。
如图1所示,制作一适用于航天应用的数据通信协议控制器。
本实施例的数据通信协议控制器的控制寄存器1、状态寄存器2,数字量输入时序控制逻辑阵列3,数字量输出时序控制阵列4,输入缓存5,输出缓存6,输入串并转换移位寄存器7和输出并串转换移位寄存器8的功能模块均在一块FPGA内部实现。其中,控制寄存器1采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本寄存器逻辑资源实现,该控制寄存器长度为8位,工作方式为同步写入异步复位。状态寄存器2同样采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本寄存器逻辑资源实现,该状态寄存器长度为8位,工作方式为同步写入异步复位。数字量输入时序控制逻辑阵列3按照有限状态机的原理采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现,状态机共有6种状态,状态转换受复位信号、时钟信号、控制寄存器相应位的逻辑电平和输入缓存的‘满’信号控制,另外状态转换时钟周期为图2中t4的二分之一,状态具体描述及流程如下图6所示:空闲态不做任何操作;当控制寄存器电平为‘1’时,进入起始态,采样信号和采样时钟均输出逻辑‘1’电平;一个状态转换时钟后无条件进入中间状态1,对应图2中波形图的B0,采样信号输出逻辑电平‘0’,此状态将持续4个状态转换时钟周期;进入中间状态2则立即将采样时钟输出置为逻辑‘0’;一个状态转换时钟后无条件进入中间状态3,采样时钟逻辑电平置为‘1’;之后再进入中间状态2,如此循环7次,既可产生图2中B1~B7的控制波形;当循环完成后,由中间状态2进入停止态,采样信号和采样时钟同时置为逻辑‘1’;最后再次进入空闲态。数字量输出时序控制阵列4按照有限状态机的原理采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。状态机共有5种状态,状态转换受复位信号、时钟信号、控制寄存器相应位的逻辑电平和输入缓存的‘空’信号控制,状态转换时钟周期为图2中t3,状态具体描述及流程如下图7所示:空闲态不做任何操作;当控制寄存器电平为‘1’时,进入起始态,采样信号和采样时钟均输出逻辑‘1’电平;一个状态转换时钟后无条件进入中间状态1,采样信号输出逻辑电平‘0’;一个状态转换时钟后无条件进入中间状态2,采样时钟逻辑电平置为‘0’;之后再进入中间状态1,如此循环8次,既可产生图2中B0~B7的控制波形;当循环完成后,由中间状态1进入停止态,采样信号和采样时钟同时置为逻辑‘1’;最后再次进入空闲态。输入缓存5采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的先入先出存储器(FIFO)资源实现,存储深度依需求而定。输出缓存6采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的先入先出存储器(FIFO)资源实现,存储深度依需求而定。输入串并转换移位寄存器7采用VHDL语言描述的方式利用8路FPGA内部的异步复位D触发器资源级联实现。输出并串转换移位寄存器8采用VHDL语言描述的方式也利用8路FPGA内部的异步复位D触发器资源级联实现;这对于本领域技术人员来说是可以胜任的。内部总线包括16位双向数据总线、8位地址总线和2根读写控制总线,这些都是本专业技术人员通常使用的公知技术。
其中,所述的控制寄存器1、所述的状态寄存器2、所述的输入缓存5和所述的输出缓存6均与内部总线电连接;所述的内部总线与计算机外部总线电连接,该内部总线包括16位双向数据总线、8位地址总线和2根读写控制总线,其中,所述的CPU通过内部总线访问所述的16位双向数据总线、8位地址总线和2根读写控制总线的寄存器或数据存储单元。所述的控制寄存器1通过信号线与所述的数字量输入时序控制逻辑阵列3和所述的数字量输出时序控制逻辑阵列4电连接,该数字量输入时序控制逻辑阵列3的控制信号与所述的串行输入移位寄存器7和外部数字量输入通道电连接;所述的串行输入移位寄存器7通过并行输入数据线与所述的输入缓存5电连接,所述的数字量输出时序控制逻辑阵列4的控制信号与所述的串行输出移位寄存器8和外部数字量输出通道电连接,所述的串行输入移位寄存器8通过并行输出数据线与输入缓存6电连接。适用于星载设备的数据通信协议控制器工作过程为:对于数字量输入通道,CPU通过操作控制寄存器1载荷对应的控制位,则数字量输入时序控制逻辑阵列3会自动产生控制时序信号采集该通道的串行数据,待输入串并转换移位寄存器7完成转换后自动存入输入缓存FIFO5中,待存满一帧数据后置位状态寄存器的相应位,申请CPU中断或供CPU查询;对于数字量输出通道,CPU可直接将8位或16位的并行数据写入输出缓存6中,数字量输出时序控制阵列4可自动产生控制选通和位同步信号,此信号在发送给载荷的同时,也可以控制输出并串转换移位寄存器8输出串行数据。
控制寄存器1的作用是CPU通过对控制寄存器相应通道对应控制位写‘1’操作就可以启动一次单通道或多通道串行数据帧的读取,并且在数据帧读取完成后由数字量输入时序控制逻辑阵列3硬件自动清零控制寄存器1的控制位,具体控制位的说明见图4所示,控制位1为通道0输入选通控制,控制位2为通道1输入选通控制,控制位3为通道2输入选通控制。状态寄存器2可以表明各输入和输出通道的当前状态,具体状态位的说明见图5所示,状态位1~3为通道0~2的输入状态,‘1’表示输入一帧数据接收完成,待CPU将数据读取完成后由硬件自动清零,状态位4~6为通道0~2的输出状态,‘1’表示输出缓存FIFO为非空,待数据发送完成后由硬件自动清零。数字量输入时序控制逻辑阵列3和数字量输出时序控制阵列4的作用是自动产生如图2和图3通信协议要求的信号控制时序,通过它们产生的控制信号可以主动采集或发送相应通道的数据,而且同时也可以控制内部的输入缓存5,输出缓存6,输入串并转换移位寄存器7和输出并串转换移位寄存器8的功能操作。
Claims (10)
1.一种适用于星载设备的数据通信协议控制器,包括控制寄存器(1)、内部总线和CPU;其特征在于,还包括状态寄存器(2),数字量输入时序控制逻辑阵列(3),数字量输出时序控制阵列(4),输入缓存(5),输出缓存(6),输入串并转换移位寄存器(7)和输出并串转换移位寄存器(8);
其中,所述的控制寄存器(1)、所述的状态寄存器(2)、所述的输入缓存(5)和所述的输出缓存(6)均与内部总线电连接;所述的内部总线与计算机外部总线电连接,该内部总线包括16位双向数据总线、8位地址总线和2根读写控制总线,其中,所述的CPU通过内部总线访问所述的16位双向数据总线、8位地址总线和2根读写控制总线的寄存器或数据存储单元;所述的控制寄存器(1)通过信号线与所述的数字量输入时序控制逻辑阵列(3)和所述的数字量输出时序控制逻辑阵列(4)电连接,该数字量输入时序控制逻辑阵列(3)的控制信号与所述的串行输入移位寄存器(7)和外部数字量输入通道电连接;所述的串行输入移位寄存器(7)通过并行输入数据线与所述的输入缓存(5)电连接,所述的数字量输出时序控制逻辑阵列(4)的控制信号与所述的串行输出移位寄存器(8)和外部数字量输出通道电连接,所述的串行输入移位寄存器(8)通过并行输出数据线与输入缓存(6)电连接。
2.按权利要求1所述的适用于航天应用的数据通信协议控制器,其特征在于,所述的控制寄存器(1)、状态寄存器(2),数字量输入时序控制逻辑阵列(3),数字量输出时序控制阵列(4),输入缓存(5),输出缓存(6),输入串并转换移位寄存器(7)和输出并串转换移位寄存器(8)的功能模块均在一块FPGA内部实现。
3.按权利要求1所述的适用于航天应用的数据通信协议控制器,其特征在于,所述的控制寄存器(1)采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
4.按权利要求1所述的适用于航天应用的数据通信协议控制器,其特征在于,所述的状态寄存器(2)采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
5.按权利要求1所述的适用于航天应用的数据通信协议控制器,其特征在于,所述的数字量输入时序控制逻辑阵列(3)按照有限状态机的原理采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
6.按权利要求1所述的适用于航天应用的数据通信协议控制器,其特征在于,所述的数字量输出时序控制阵列(4)按照有限状态机的原理采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
7.按权利要求1所述的适用于航天应用的数据通信协议控制器,其特征在于,所述的输入缓存(5)采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的存储器资源实现。
8.按权利要求1所述的适用于航天应用的数据通信协议控制器,其特征在于,所述的输出缓存(6)采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的存储器资源实现。
9.按权利要求1所述的适用于航天应用的数据通信协议控制器,其特征在于,所述的输入串并转换移位寄存器(7)采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
10.按权利要求1所述的适用于航天应用的数据通信协议控制器,其特征在于,所述的输出并串转换移位寄存器(8)采用VHDL语言描述的方式利用FPGA内部的基本逻辑单元实现。
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