CN104868953B - 一种基于fpga的可扩展多通道串口光端机 - Google Patents
一种基于fpga的可扩展多通道串口光端机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的可扩展多通道串口光端机，该光端机实现串口电信号输入至光纤数据流输出的转换，以及光纤数据流输入至串口电信号输出的转换功能；实现高速率(1MHz)、可扩展串口通道数量(支持499通道)同时输入至单根光纤输出，以及单根光纤输入至高速率(1MHz)、可扩展串口通道数量(支持499通道)同时输出的转换功能；设计提供了SFP光纤模块的灵活配置，传输距离从500米至120千米，提高了高速串口传输的稳定性和可靠性，增强了高速串口传输的抗电磁干扰能力，节约了成本，满足多种工程应用场合的需求。
Description
技术领域
本发明涉及高速率(1MHz)、高可靠性，通道数量可扩展的串口远距离传输，尤其涉及基于FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的串口与光纤互转换的远距离传输实现。
背景技术
在传统的串口互联传输系统中，设备之间的传输介质都是电线缆进行直接连接的，由于电线缆的抗干扰性差，传输距离短(小于10米)，未能满足远距离传输。近年来，随着光纤互联传输技术的发展，逐渐出现了基于光纤传输的串口装置，但是仅能实现单一的串口输入、输出传输，且传输距离短(约300米)，未能满足工程需要的高速率(1MHz)、高可靠性、可扩展多通道同时远距离传输，未能满足更远距离(100千米及以上)的传输需求。
发明内容
本发明采用FPGA的高速信号采集、处理性能、高速串行传输RocketIO IP核等资源优势，设计出一套串口转光纤装置，SFP光纤互联传输装置，光纤转串口装置，解决了高速率(1MHz)、高可靠性、可扩展多通道串口在单根光纤同时传输的技术难点，突破了远距离(120千米)传输的局限，本发明的光端机可配置SFP光纤模块，提供单模或者多模光纤模块的灵活配置，满足多种工程应用场合的需求。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
基于FPGA的可扩展多通道串口光端机，其特征在于包括：串口转光纤装置1、SFP光纤互联装置2和光纤转串口装置3；串口转光纤装置1完成多通道RS232、RS422串口电信号输入至单根光纤输出的转换，同时完成单根光纤数据流输入至多通道RS232、RS422串口电信号输出的转换；SFP光纤互联装置2通过光纤线缆与远端的光纤转串口装置进行连接；光纤转串口装置3完成单根光纤数据流输入至多通道RS232、RS422串口电信号输出的转换，同时完成多通道RS232、RS422的串口电信号输入至单根光纤输出的转换功能；其基于FPGA的可扩展多通道串口转光纤装置与方法，具有很灵活的扩展性，实现方法简单，RS232最高支持1Mbps，RS422最高支持10Mbps。
串口转光纤装置1包括LED指示灯10、FPGA芯片11、时钟管理模块111、数据包封装模块112、串口电平信号采集模块113、数据并/串转换模块114、数据包解析模块115、串口电平信号恢复模块116、时钟芯片12、EEPROM程序存储芯片13、RS232串口芯片1即141、RS232串口插座1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B145、RS422串口插座B 1451、RS422串口芯片C 146、RS422串口插座C 1461。
LED指示灯10，由3个独立的LED指示灯组成，3个LED指示灯的颜色分别是红色、黄色和绿色，红色LED灯闪烁则指示串口转光纤装置工作正常，黄色LED灯闪烁则指示串口电信号输入正常，绿色LED灯亮则指示串口转光纤装置的SFP光纤互联连接正常。
FPGA芯片11，设计采用Virtex-II Pro系列的FPGA，在单片FPGA内部完成时钟管理模块111、数据包封装模块112、串口电平信号采集模块113、数据并/串转换模块114、数据包解析模块115、串口电平信号恢复模块116的设计。
时钟管理模块111，设计采用DCM时钟管理器，完成为数据包封装模块112、串口电平信号采集模块113、数据并/串转换模块114、数据包解析模块115、串口电平信号恢复模块116提供高精度的156.25MHz时钟。
数据包封装模块112，串口数据在光纤数据流中是由串口数据包首引导的，串口数据包首采用一个16位特殊字符“FC17”和一个2位K字符“10”共同表示；串口数据包的长度需为16位(2字节)的倍数，且在每个串口数据包之间，均需要嵌入一定频率的时钟修正序列和字符对齐序列，时钟修正序列和字符对齐序列均采用一个16位特殊字符“FC00”和一个2位K字符“10”共同表示。
串口电平信号采集模块113，使用156.25MHz的高精度时钟实时采集串口输入的电平信号，并实时将采集所得的电平值赋给RocketIO IP核16位并行数据的某一位，再将这16位并行数据经过数据包封装模块112进行串口数据封装，完成对串口电平信号的采集。
光纤承载串口的通道数量可扩展性，根据嵌入时钟修正序列和字符对齐序列的频率，串口数据包的长度最大可为124字节，即62个16位并行数据，且每16个并行数据最高可配置8个串口通道(发送、接收各对应一位)，即光端机的一根光纤最高可承载499个串口通道。
数据并/串转换模块114，完成16位并行数据至光纤串行数据流的互相转换，设计采用FPGA内部的RocketIO IP核作为数据并/串转换模块114。
数据包解析模块115，实时接收光纤数据流并解析出串口数据包；当检测到包首字符“FC17”和K字符“10”时，则将串口数据提取出来，并送至串口电平信号恢复模块116进行处理。
串口电平信号恢复模块116，实时接收来自数据包解析模块115的16位并行数据，将16位并行数据与各个通道的串口进行一一对应，即16位并行数据中的某一位对应一个通道的串口发送端或接收端；使用高精度的156.25MHz时钟对串口电平信号进行实时恢复，将恢复得到串口电平信号输出至对应串口芯片，以完成串口电平信号的恢复。
时钟芯片12，设计采用IDT5V9885时钟芯片产生高精度的156.25MHz时钟，输出至时钟管理模块111。
EEPROM程序存储芯片13，设计采用Xilinx公司的XCF32P EEPROM程序存储芯片，该芯片完成FPGA程序的存储和上电自动加载。
RS232串口芯片1即141、RS232串口芯片2即142、RS232串口芯片3即143，设计采用Maxim公司的MAX3225串口芯片，该芯片完成RS232串口电平至FPGA电平的互转换。
RS232串口插座1即1411、RS232串口插座2即1421、RS232串口插座3即1431，设计采用4芯插座作为RS232串口的连接接口。
RS422串口芯片A 144、RS422串口芯片B 145、RS422串口芯片C 146，设计采用Maxim公司的MAX3490串口芯片，该芯片完成RS422串口电平至FPGA电平的互转换。
RS422串口插座A 1441、RS422串口插座B 1451、RS422串口插座C 1461，设计采用6芯插座作为RS422串口的连接接口。
SFP光纤互联装置2包括串口转光纤装置的SFP光纤模块221、光纤转串口装置的SFP光纤模块321。
SFP光纤模块221、SFP光纤模块321，采用标准的SFP光纤模块，SFP光纤模块的传输速率为3.125Gb/s，SFP光纤模块能接插SFP多模或者SFP单模光纤模块；SFP多模光纤模块传输距离为500米，传输波长为850nm；SFP单模光纤模块传输距离为120千米，传输波长为1470nm--1610nm。
光纤转串口装置3包括LED指示灯30、FPGA芯片31、时钟管理模块311、数据包解析模块312、串口电平信号恢复模块313、数据串/并转换模块314、数据包封装模块315、串口电平信号采集模块316、时钟芯片32、EEPROM程序存储芯片33、RS232串口芯片1即341、RS232串口插座1即3411、RS232串口芯片2即342、RS232串口插座2即3421、RS232串口芯片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B345、RS422串口插座B 3451、RS422串口芯片C 346、RS422串口插座C 3461。
LED指示灯30，由3个独立的LED指示灯组成，3个LED指示灯的颜色分别是红色、黄色和绿色，红色LED灯闪烁则指示光纤转串口装置工作正常，黄色LED灯闪烁则指示串口电信号输入正常，绿色LED灯亮则指示光纤转串口的SFP光纤互联连接正常。
FPGA芯片31，设计采用Virtex-II Pro系列的FPGA，在单片FPGA内部完成时钟管理模块311、数据包解析模块312、串口电平信号恢复模块313、数据串/并转换模块314、数据包封装模块315、串口电平信号采集模块316。
时钟管理模块311，设计采用DCM时钟管理器，完成为数据包解析模块312、串口电平信号恢复模块313、数据串/并转换模块314、数据包封装模块315、串口电平信号采集模块316提供高精度的156.25MHz时钟。
数据包解析模块312，实时接收光纤数据流并解析出串口数据包；串口数据包首采用一个16位特殊字符“FC17”和一个2位K字符“10”共同表示，数据包解析模块312实时检测接收得到的光纤数据流，当检测到包首字符“FC17”和K字符“10”时，则将串口数据提取出来，并送至串口电平信号恢复模块313进行处理。
串口电平信号恢复模块313，实时接收来自数据包解析模块312的16位并行数据，将16位并行数据与各个通道的串口进行一一对应，即16位并行数据中的某一位对应一个通道的串口发送端；使用高精度的156.25MHz时钟对串口电平信号进行实时恢复，将恢复得到串口电平信号输出至对应串口芯片，以完成串口电平信号的恢复。
数据串/并转换模块314，完成16位并行数据至光纤串行数据流的互相转换，设计采用FPGA内部的RocketIO IP核作为数据并/串转换模块314。
数据包封装模块315，串口数据在光纤数据流中是由串口数据包首引导的，串口数据包首采用一个16位特殊字符“FC17”和一个2位K字符“10”共同表示；串口数据包的长度需为16位(2字节)的倍数，且在每个串口数据包之间，均需要嵌入一定频率的时钟修正序列和字符对齐序列，时钟修正序列和字符对齐序列均采用一个16位特殊字符“FC00”和一个2位K字符“10”共同表示。
串口电平信号采集模块316，使用156.25MHz的高精度时钟实时采集串口输入的电平信号，并实时将采集所得的电平值赋给RocketIO IP核16位并行数据的某一位，再将这16位并行数据经过数据包封装模块315进行串口数据封装，完成对串口电平信号的采集。
时钟芯片32，设计采用IDT5V9885时钟芯片产生高精度的156.25MHz时钟，输出至时钟管理模块311。
EEPROM程序存储芯片33，设计采用Xilinx公司的XCF32P EEPROM程序存储芯片，该芯片完成FPGA程序的存储和上电自动加载。
RS232串口芯片1即341、RS232串口芯片2即342、RS232串口芯片3即343，设计采用Maxim公司的MAX3225串口芯片，该芯片完成RS232串口电平至FPGA电平的互转换。
RS232串口插座1即3411、RS232串口插座2即3421、RS232串口插座3即3431，设计采用4芯插座作为RS232串口的连接接口。
RS422串口芯片A 344、RS422串口芯片B 345、RS422串口芯片C 346，设计采用Maxim公司的MAX3490串口芯片，该芯片完成RS422串口电平至FPGA电平的互转换。
RS422串口插座A 3441、RS422串口插座B 3451、RS422串口插座C 3461，设计采用6芯插座作为RS422串口的连接接口。
本发明能够获得的技术效果为：
1、本发明实现串口电信号输入至光纤数据流输出的转换，以及光纤数据流输入至串口电信号输出的转换功能。
2、本发明实现高速率(1MHz)、可扩展串口通道数量(支持499通道)同时输入至单根光纤输出，以及单根光纤输入至高速率(1MHz)、可扩展串口通道数量(支持499通道)同时输出的转换功能。
3、本发明实现SFP光纤模块的灵活配置(多模或者单模)，传输距离从500米至120千米，扩展了串口、光纤互转换的应用场合。
4、本发明采用光纤作为传输介质，简化现有设备之间的串口配线复杂性，增强系统的抗电磁干扰能力，提高多通道串口传输的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是串口转光纤装置及光纤转串口装置的互联整体结构原理框图；
图2是串口光纤传输协议的特殊字符和K字符类型；
附图标记说明如下：
1--串口转光纤装置，
10--串口转光纤装置的LED指示灯，
11--串口转光纤装置的FPGA芯片，
111--串口转光纤装置的时钟管理模块，
112--串口转光纤装置的数据包封装模块，
113--串口转光纤装置的串口电平信号采集模块，
114--串口转光纤装置的数据并/串转换模块，
115--串口转光纤装置的数据包解析模块，
116--串口转光纤装置的串口电平信号恢复模块，
12--串口转光纤装置的时钟芯片，
13--串口转光纤装置的EEPROM程序存储芯片，
141--串口转光纤装置的RS232串口芯片1，
1411--串口转光纤装置的RS232串口插座1，
142--串口转光纤装置的RS232串口芯片2，
1421--串口转光纤装置的RS232串口插座2，
143--串口转光纤装置的RS232串口芯片3，
1431--串口转光纤装置的RS232串口插座3，
144--串口转光纤装置的RS422串口芯片A，
1441--串口转光纤装置的RS422串口插座A，
145--串口转光纤装置的RS422串口芯片B，
1451--串口转光纤装置的RS422串口插座B，
146--串口转光纤装置的RS422串口芯片C，
1461--串口转光纤装置的RS422串口插座C，
2--SFP光纤互联装置，
221--串口转光纤装置的SFP光纤模块，
3--光纤转串口装置，
30--光纤转串口装置的LED指示灯，
31--光纤转串口装置的FPGA芯片，
311--光纤转串口装置的时钟管理模块，
312--光纤转串口装置的数据包解析模块，
313--光纤转串口装置的串口电平信号恢复模块，
314--光纤转串口装置的数据串/并转换模块，
315--光纤转串口装置的数据包封装模块，
316--光纤转串口装置的串口电平信号采集模块，
32--光纤转串口装置的时钟芯片，
321--光纤转串口装置的SFP光纤模块，
33--光纤转串口装置的EEPROM程序存储芯片，
341--光纤转串口装置的RS232串口芯片1，
3411--光纤转串口装置的RS232串口插座1，
342--光纤转串口装置的RS232串口芯片2，
3421--光纤转串口装置的RS232串口插座2，
343--光纤转串口装置的RS232串口芯片3，
3431--光纤转串口装置的RS232串口插座3，
344--光纤转串口装置的RS422串口芯片A，
3441--光纤转串口装置的RS422串口插座A，
345--光纤转串口装置的RS422串口芯片B，
3451--光纤转串口装置的RS422串口插座B，
346--光纤转串口装置的RS422串口芯片C，
3461--光纤转串口装置的RS422串口插座C，
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明。
本发明采用附图1的串口转光纤装置1、SFP光纤互联装置2以及光纤转串口装置3，搭建了可扩展多通道串口光端机的应用实例。
SFP光纤互联传输装置2通过光纤线缆将串口转光纤装置1与光纤转串口装置3进行互联。
串口转光纤装置1的RS232串口插座1即1411通过电线缆与输入的RS232串口1进行连接，RS232串口插座1即1411的接收端(RX)与输入的RS232串口1的发送端(TX)连接，RS232串口插座1即1411的发送端(TX)与输入的RS232串口1的接收端(RX)连接；RS232串口插座2即1421通过电线缆与输入的RS232串口2进行对接，RS232串口插座2即1421的接收端(RX)与输入的RS232串口2的发送端(TX)连接,RS232串口插座2即1421的接收端(RX)与输入的RS232串口2的发送端(TX)连接；RS232串口插座3即1431通过电线缆与输入的RS232串口3进行对接，RS232串口插座3即1431的接收端(RX)与输入的RS232串口3的发送端(TX)连接,RS232串口插座3即1431的接收端(RX)与输入的RS232串口3的发送端(TX)连接；同理，扩展输入的RS232串口通道按照此对应关系进行连接。
串口转光纤装置1的RS422串口插座A 1441通过电线缆与输入的RS422串口1进行对接，RS422串口插座A 1441的接收端(RX+、RX-)分别与输入的RS422串口1的发送端(TX+、TX-)连接，RS422串口插座A 1441的发送端(TX+、TX-)分别与输入的RS422串口1的接收端(RX+、RX-)连接；RS422串口插座B 1451通过电线缆与输入的RS422串口2进行对接，RS422串口插座B 1451的接收端(RX+、RX-)分别与输入的RS422串口2的发送端(TX+、TX-)连接，RS422串口插座B 1441的发送端(TX+、TX-)分别与输入的RS422串口2的接收端(RX+、RX-)连接；RS422串口插座C 1461通过电线缆与输入的RS422串口3进行对接，RS422串口插座C1461的接收端(RX+、RX-)分别与输入的RS422串口3的发送端(TX+、TX-)连接，RS422串口插座C 1441的发送端(TX+、TX-)分别与输入的RS422串口3的接收端(RX+、RX-)连接；同理，扩展输入的RS422串口通道按照此对应关系进行连接。
光纤转串口装置3的RS232串口插座1即3411通过电线缆与输出的RS232串口1进行连接，RS232串口插座1即3411的接收端(RX)与输出的RS232串口1的发送端(TX)连接，RS232串口插座1即3411的发送端(TX)与输出的RS232串口1的接收端(RX)连接；RS232串口插座2即3421通过电线缆与输出的RS232串口2进行对接，RS232串口插座2即3421的接收端(RX)与输出的RS232串口2的发送端(TX)连接,RS232串口插座2即3421的接收端(RX)与输出的RS232串口2的发送端(TX)连接；RS232串口插座3即3431通过电线缆与输出的RS232串口3进行对接，RS232串口插座3即3431的接收端(RX)与输出的RS232串口3的发送端(TX)连接,RS232串口插座3即3431的接收端(RX)与输出的RS232串口3的发送端(TX)连接；同理，扩展输出的RS232串口通道按照此对应关系进行连接。
光纤转串口装置3的RS422串口插座A 1441通过电线缆与输出的RS422串口1进行对接，RS422串口插座A 1441的接收端(RX+、RX-)分别与输出的RS422串口1的发送端(TX+、TX-)连接，RS422串口插座A 1441的发送端(TX+、TX-)分别与输出的RS422串口1的接收端(RX+、RX-)连接；RS422串口插座B 1451通过电线缆与输出的RS422串口2进行对接，RS422串口插座B 1451的接收端(RX+、RX-)分别与输出的RS422串口2的发送端(TX+、TX-)连接，RS422串口插座B 1441的发送端(TX+、TX-)分别与输出的RS422串口2的接收端(RX+、RX-)连接；RS422串口插座C 1461通过电线缆与输出的RS422串口3进行对接，RS422串口插座C1461的接收端(RX+、RX-)分别与输出的RS422串口3的发送端(TX+、TX-)连接，RS422串口插座C 1441的发送端(TX+、TX-)分别与输出的RS422串口3的接收端(RX+、RX-)连接；同理，扩展输出的RS422串口通道按照此对应关系进行连接。
当串口转光纤装置1和光纤转串口装置3均开启电工作后，各自的LED指示灯10和30的红色LED灯按固定频率闪烁，则串口转光纤装置1和光纤转串口装置3的程序启动均正常；当SFP光纤互联传输装置2通过光纤线缆连接串口转光纤装置1和光纤转串口装置3后，LED指示灯10和30的绿色LED灯是一直亮，则说明光纤互联连接正常；当串口转光纤装置1接收输入串口电信号时，LED指示灯10的黄色LED灯闪烁，当串口转光纤装置1接收输出串口电信号时，LED指示灯30的黄色LED灯闪烁，则说明串口经过光纤转换后输出正常。
参考附图1所示，通过在FPGA内部采用硬件描述语言设计实现相应的硬件模块电路，包括：时钟管理模块111、311,数据包封装模块112、315,串口电平信号采集模块113、316,数据并/串转换模块114、314,数据包解析模块115、312,串口电平信号恢复模块116、313；FPGA 11、31是采用Xilinx公司的Virtex-II Pro系列的XC2VP20-FG676-2芯片。
结合附图1对本发明做进一步的描述：
按照附图1搭建实例所示，将串口转光纤装置1设计生成的比特流文件烧写至EEPROM程序存储芯片13中，给FPGA 11上电后，FPGA 11从EEPROM程序存储芯片13加载已生成的比特流文件，并产生相应的硬件电路；将光纤转串口装置3设计生成的比特流文件烧写至EEPROM程序存储芯片33中，给FPGA 31上电后，FPGA 31从EEPROM程序存储芯片33加载已生成的比特流文件，并产生相应的硬件电路；使用串口调试助手可以观察和分析串口数据收发是否正确、可靠。
Claims (24)
1.一种基于FPGA的可扩展多通道串口光端机，其特征在于包括：串口转光纤装置(1)、SFP光纤互联装置(2)和光纤转串口装置(3)；串口转光纤装置(1)完成多通道RS232、RS422串口电信号输入至单根光纤输出的转换，同时完成单根光纤数据流输入至多通道RS232、RS422串口电信号输出的转换；SFP光纤互联装置(2)通过光纤线缆与远端的光纤转串口装置进行连接；光纤转串口装置(3)完成单根光纤数据流输入至多通道RS232、RS422串口电信号输出的转换，同时完成多通道RS232、RS422的串口电信号输入至单根光纤输出的转换功能；其基于FPGA的可扩展多通道串口光端机，具有很灵活的扩展性，实现方法简单，RS232最高支持1Mbps，RS422最高支持10Mbps；
串口转光纤装置(1)包括LED指示灯(10)、FPGA芯片(11)、时钟管理模块(111)、数据包封装模块(112)、串口电平信号采集模块(113)、数据并/串转换模块(114)、数据包解析模块(115)、串口电平信号恢复模块(116)、时钟芯片(12)、EEPROM程序存储芯片(13)、RS232串口芯片1(141)、RS232串口插座1(1411)、RS232串口芯片2(142)、RS232串口插座2(1421)、RS232串口芯片3(143)、RS232串口插座3(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C(1461)；
LED指示灯(10)，由3个独立的LED指示灯组成，3个LED指示灯的颜色分别是红色、黄色和绿色，红色LED灯闪烁则指示串口转光纤装置工作正常，黄色LED灯闪烁则指示串口电信号输入正常，绿色LED灯亮则指示串口转光纤装置的SFP光纤互联连接正常；
FPGA芯片(11)，设计采用Virtex-II Pro系列的FPGA，在单片FPGA内部完成时钟管理模块(111)、数据包封装模块(112)、串口电平信号采集模块(113)、数据并/串转换模块(114)、数据包解析模块(115)、串口电平信号恢复模块(116)的设计；
时钟管理模块(111)，设计采用DCM时钟管理器，完成为数据包封装模块(112)、串口电平信号采集模块(113)、数据并/串转换模块(114)、数据包解析模块(115)、串口电平信号恢复模块(116)提供高精度的156.25MHz时钟；
数据包封装模块(112)，串口数据在光纤数据流中是由串口数据包首引导的，串口数据包首采用一个16位特殊字符“FC17”和一个2位K字符“10”共同表示；串口数据包的长度需为16位(2字节)的倍数，且在每个串口数据包之间，均需要嵌入一定频率的时钟修正序列和字符对齐序列，时钟修正序列和字符对齐序列均采用一个16位特殊字符“FC00”和一个2位K字符“10”共同表示；
串口电平信号采集模块(113)，使用156.25MHz的高精度时钟实时采集串口输入的电平信号，并实时将采集所得的电平值赋给RocketIO IP核16位并行数据的某一位，再将这16位并行数据经过数据包封装模块(112)进行串口数据封装，完成对串口电平信号的采集；
光纤承载串口的通道数量可扩展性，根据嵌入时钟修正序列和字符对齐序列的频率，串口数据包的长度最大可为124字节，即62个16位并行数据，且每16个并行数据最高可配置8个串口通道，其中，发送、接收各对应一位，即光端机的一根光纤最高可承载499个串口通道；
数据并/串转换模块(114)，完成16位并行数据至光纤串行数据流的互相转换，设计采用FPGA内部的RocketIO IP核作为数据并/串转换模块(114)；
数据包解析模块(115)，实时接收光纤数据流并解析出串口数据包；当检测到包首字符“FC17”和K字符“10”时，则将串口数据提取出来，并送至串口电平信号恢复模块(116)进行处理；
串口电平信号恢复模块(116)，实时接收来自数据包解析模块(115)的16位并行数据，将16位并行数据与各个通道的串口进行一一对应，即16位并行数据中的某一位对应一个通道的串口发送端或接收端；使用高精度的156.25MHz时钟对串口电平信号进行实时恢复，将恢复得到串口电平信号输出至对应串口芯片，以完成串口电平信号的恢复；
该基于FPGA的可扩展多通道串口光端机实现串口电信号输入至光纤数据流输出的转换，以及光纤数据流输入至串口电信号输出的转换功能；
该基于FPGA的可扩展多通道串口光端机实现1MHz的高速率、可扩展串口通道数量同时输入至单根光纤输出，以及单根光纤输入至1MHz的高速率、可扩展串口通道数量同时输出的转换功能；
该基于FPGA的可扩展多通道串口光端机实现SFP光纤模块的灵活配置：多模或者单模，传输距离从500米至120千米，扩展了串口、光纤互转换的应用场合；
该基于FPGA的可扩展多通道串口光端机采用光纤作为传输介质，简化现有设备之间的串口配线复杂性，增强系统的抗电磁干扰能力，提高多通道串口传输的稳定性和可靠性。
2.根据权利要求1所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：时钟芯片(12)，设计采用IDT5V9885时钟芯片产生高精度的156.25MHz时钟，输出至时钟管理模块(111)。
3.根据权利要求1所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：EEPROM程序存储芯片(13)，设计采用Xilinx公司的XCF32P EEPROM程序存储芯片，该芯片完成FPGA程序的存储和上电自动加载。
4.根据权利要求1所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：RS232串口芯片1(141)、RS232串口芯片2(142)、RS232串口芯片3(143)，设计采用Maxim公司的MAX3225串口芯片，该芯片完成RS232串口电平至FPGA电平的互转换。
5.根据权利要求1所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：RS232串口插座1(1411)、RS232串口插座2(1421)、RS232串口插座3(1431)，设计采用4芯插座作为RS232串口的连接接口。
6.根据权利要求1所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：RS422串口芯片A(144)、RS422串口芯片B(145)、RS422串口芯片C(146)，设计采用Maxim公司的MAX3490串口芯片，该芯片完成RS422串口电平至FPGA电平的互转换。
7.根据权利要求1所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：RS422串口插座A(1441)、RS422串口插座B(1451)、RS422串口插座C(1461)，设计采用6芯插座作为RS422串口的连接接口。
8.根据权利要求1所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：SFP光纤互联装置(2)包括串口转光纤装置的SFP光纤模块(221)、光纤转串口装置的SFP光纤模块(321)。
9.根据权利要求7所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：SFP光纤模块(221)、SFP光纤模块(321)，采用标准的SFP光纤模块，SFP光纤模块的传输速率为3.125Gb/s，SFP光纤模块能接插SFP多模或者SFP单模光纤模块；SFP多模光纤模块传输距离为500米，传输波长为850nm；SFP单模光纤模块传输距离为120千米，传输波长为1470nm--1610nm。
10.根据权利要求1所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：光纤转串口装置(3)包括LED指示灯(30)、FPGA芯片(31)、时钟管理模块(311)、数据包解析模块(312)、串口电平信号恢复模块(313)、数据串/并转换模块(314)、数据包封装模块(315)、串口电平信号采集模块(316)、时钟芯片(32)、EEPROM程序存储芯片(33)、RS232串口芯片1(341)、RS232串口插座1(3411)、RS232串口芯片2(342)、RS232串口插座2(3421)、RS232串口芯片3(343)、RS232串口插座3(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C(3461)。
11.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：LED指示灯(30)，由3个独立的LED指示灯组成，3个LED指示灯的颜色分别是红色、黄色和绿色，红色LED灯闪烁则指示光纤转串口装置工作正常，黄色LED灯闪烁则指示串口电信号输入正常，绿色LED灯亮则指示光纤转串口的SFP光纤互联连接正常。
12.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：FPGA芯片(31)，设计采用Virtex-II Pro系列的FPGA，在单片FPGA内部完成时钟管理模块(311)、数据包解析模块(312)、串口电平信号恢复模块(313)、数据串/并转换模块(314)、数据包封装模块(315)、串口电平信号采集模块(316)。
13.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：时钟管理模块(311)，设计采用DCM时钟管理器，完成为数据包解析模块(312)、串口电平信号恢复模块(313)、数据串/并转换模块(314)、数据包封装模块(315)、串口电平信号采集模块(316)提供高精度的156.25MHz时钟。
14.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：数据包解析模块(312)，实时接收光纤数据流并解析出串口数据包；串口数据包首采用一个16位特殊字符“FC17”和一个2位K字符“10”共同表示，数据包解析模块(312)实时检测接收得到的光纤数据流，当检测到包首字符“FC17”和K字符“10”时，则将串口数据提取出来，并送至串口电平信号恢复模块(313)进行处理。
15.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：串口电平信号恢复模块(313)，实时接收来自数据包解析模块(312)的16位并行数据，将16位并行数据与各个通道的串口进行一一对应，即16位并行数据中的某一位对应一个通道的串口发送端；使用高精度的156.25MHz时钟对串口电平信号进行实时恢复，将恢复得到串口电平信号输出至对应串口芯片，以完成串口电平信号的恢复。
16.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：数据串/并转换模块(314)，完成16位并行数据至光纤串行数据流的互相转换，设计采用FPGA内部的RocketIOIP核作为数据并/串转换模块(314)。
17.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：数据包封装模块(315)，串口数据在光纤数据流中是由串口数据包首引导的，串口数据包首采用一个16位特殊字符“FC17”和一个2位K字符“10”共同表示；串口数据包的长度需为16位即2字节的倍数，且在每个串口数据包之间，均需要嵌入一定频率的时钟修正序列和字符对齐序列，时钟修正序列和字符对齐序列均采用一个16位特殊字符“FC00”和一个2位K字符“10”共同表示。
18.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：串口电平信号采集模块(316)，使用156.25MHz的高精度时钟实时采集串口输入的电平信号，并实时将采集所得的电平值赋给RocketIO IP核16位并行数据的某一位，再将这16位并行数据经过数据包封装模块(315)进行串口数据封装，完成对串口电平信号的采集。
19.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：时钟芯片(32)，设计采用IDT5V9885时钟芯片产生高精度的156.25MHz时钟，输出至时钟管理模块(311)。
20.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：EEPROM程序存储芯片(33)，设计采用Xilinx公司的XCF32P EEPROM程序存储芯片，该芯片完成FPGA程序的存储和上电自动加载。
21.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：RS232串口芯片1(341)、RS232串口芯片2(342)、RS232串口芯片3(343)，设计采用Maxim公司的MAX3225串口芯片，该芯片完成RS232串口电平至FPGA电平的互转换。
22.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：RS232串口插座1(3411)、RS232串口插座2(3421)、RS232串口插座3(3431)，设计采用4芯插座作为RS232串口的连接接口。
23.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：RS422串口芯片A(344)、RS422串口芯片B(345)、RS422串口芯片C(346)，设计采用Maxim公司的MAX3490串口芯片，该芯片完成RS422串口电平至FPGA电平的互转换。
24.根据权利要求9所述的可扩展多通道串口光端机，其特征在于：RS422串口插座A(3441)、RS422串口插座B(3451)、RS422串口插座C(3461)，设计采用6芯插座作为RS422串口的连接接口。
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