高速HDLC數(shù)據(jù)實時接收/測試儀的設(shè)計實現(xiàn)

摘要：介紹了高速HDLC數(shù)據(jù)接收/測試儀的設(shè)計實現(xiàn)方案。該測試儀通過使用現(xiàn)場可編程邏輯電路（FPGA）技術(shù)和多線程軟件結(jié)構(gòu)，將硬件的高速處理特性和軟件的靈活性相結(jié)合。基于PCI總線的硬件接收卡將高速數(shù)據(jù)實時傳送至系統(tǒng)緩沖區(qū)，然后調(diào)用軟件進(jìn)行并行數(shù)據(jù)處理，從數(shù)據(jù)流中提取出測試信息，完成接收與測試功能。

關(guān)鍵詞：HDLC 實時數(shù)據(jù)處理 多線程

在通信系統(tǒng)的測試中，經(jīng)常需要實時接收和處理HDLC格式數(shù)據(jù)。使用自行開發(fā)的高速HDLC數(shù)據(jù)實時接收/測試儀可以很好地保證數(shù)據(jù)處理的靈活性，用戶可以根據(jù)具體的處理環(huán)境來定制測試儀的功能和性能指標(biāo)。本文結(jié)合一個通信誤碼率測試 儀的開發(fā)過程，介紹高速HDLC數(shù)據(jù)接收/測試處理板的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)組成

該高速HDLC數(shù)據(jù)接收/測試儀共分為兩部分，一部分為數(shù)據(jù)接收硬件，由一塊微機(jī)插卡實現(xiàn)；另一部分為接收終端軟件，由運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)平臺的軟件實現(xiàn)。硬件板卡基于PCI總線結(jié)構(gòu)，使用FPGA技術(shù)將數(shù)據(jù)讀寫和HDLC協(xié)議解釋固化于硬件平臺，以提高實時處理性能，同時在終端軟件上采用多線程并行處理技術(shù)減少處理延時，完成實時數(shù)據(jù)處理和指標(biāo)統(tǒng)計。

2 高速HDLC數(shù)據(jù)接收/測試儀硬件設(shè)計

2.1 基本技術(shù)要求

（1）可接收HDLC格式數(shù)據(jù)，也可接收同步觸發(fā)模式數(shù)據(jù)，其工作狀態(tài)可由軟件通過計算機(jī)端口進(jìn)行控制；

（2）接收板可接收的最高數(shù)據(jù)速率為10Mbit/s；

（3）可將HDLC格式數(shù)據(jù)中的空幀過濾掉，也可接收所有數(shù)據(jù)幀，其工作模式由軟件控制；

（4）可工作于自發(fā)自收狀態(tài)，以利于調(diào)試；

（5）接收板的兼容性要好。

2.2 接收板工作原理

數(shù)據(jù)接收板原理框圖如圖1所示。測試數(shù)據(jù)通過RS-422電纜傳送到數(shù)字接收板的數(shù)據(jù)接收端，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，磅給FPGA處理。接收板上由接收芯片MC3486接收RS-422電纜傳輸?shù)牟罘中盘?，并轉(zhuǎn)換為TTL電平輸入FPGA進(jìn)行信號處理。FPGA產(chǎn)生20位地址和寫信號，將8位的數(shù)據(jù)由SDRAM左端口寫入，同時將工作狀態(tài)反映在狀態(tài)控制端口，計算機(jī)查詢端口狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的地址和讀信號，由SDRAM的右端口將數(shù)據(jù)讀出。為協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)到達(dá)的不均勻性和軟件讀寫的均勻性，對SDRAM的讀寫采用“乒乓式”緩沖，即將SDRAM分為高低兩區(qū)，F(xiàn)PGA寫高區(qū)時，計算機(jī)讀低區(qū)；FPGA寫低區(qū)時，計算機(jī)讀高區(qū)。從而保證了讀寫高速進(jìn)行且不會發(fā)生沖突。GAL16V8的作用是對端口地址高8位進(jìn)行譯碼，以保留FPGA管腳資源。

在實現(xiàn)“乒乓式”緩沖讀寫時，具體是讀高區(qū)數(shù)據(jù)（起始地址為d8000）還是讀低區(qū)數(shù)據(jù)（起始地址為d90000），要通過查詢方式判定。測試軟件不斷查詢端口201h的q5，若q5為1，則查詢q7和q2,若q7=1，則讀高區(qū)數(shù)據(jù)，若q2=1，則讀低區(qū)數(shù)據(jù)。為了保證讀取的數(shù)據(jù)不掉幀，系統(tǒng)應(yīng)能在掉幀時發(fā)出警告信息。為此，在FPGA內(nèi)做一4位計數(shù)器，對幀數(shù)計數(shù)，幀計數(shù)器的值傳給端口201h的最低兩位q1和q0。軟件中設(shè)置一參數(shù)counter，首先使counter的值與幀計數(shù)器的值相同，以后每讀一幀數(shù)據(jù)，counter加1（若counter大于3，則置其為0），同時讀取幀計數(shù)器的值（即q1、q0的值），與counter比較，二者不同時則發(fā)出警告信息。

接收板的狀態(tài)控制端口參數(shù)列于表1。

表1 實時HDLC數(shù)據(jù)接收板端口控制參數(shù)

讀取HDLC格式的數(shù)據(jù)時，每幀需從第四個地址單元讀取數(shù)據(jù)，即D8003h和D9003h；讀取固定速率突發(fā)方式的數(shù)據(jù)時，每幀需從第一個地址單元讀取數(shù)據(jù)。讀取的每幀數(shù)據(jù)中包含有該幀數(shù)據(jù)個數(shù)的信息，通過此信息，軟件決定何時讀完幀數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)通通RS-422電纜傳送到插卡的數(shù)據(jù)接收端，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，送給FPGA處理。主要是將HDLC格式和固定速度突發(fā)方式的數(shù)據(jù)解調(diào)，解調(diào)后的有效數(shù)據(jù)以乒乓方式發(fā)生一高速雙口RAM，計算機(jī)通過訪問RAM（地址定為D8000～D9FFFh）來讀取測試數(shù)據(jù)。

3 高速HDLC數(shù)據(jù)接收/測試儀軟件設(shè)計

測試儀軟件負(fù)責(zé)讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并實時處理和顯示。軟件由Visual C++編寫，可運(yùn)行于Win95/98/2000/NT平臺。軟件采用多線程并行處理構(gòu)架，如圖2所示。

3.1 界面線程

界面線程負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果和用戶交互操作。界面線程將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果實時顯示出來，包括統(tǒng)計結(jié)果、數(shù)據(jù)源碼和數(shù)據(jù)段信息等測試內(nèi)容。

3.2 緩沖區(qū)線程

緩沖區(qū)線程負(fù)責(zé)將該緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)及時讀取并鎖定至軟件緩沖區(qū)，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行初始處理。

在整個測試儀軟件中，緩沖區(qū)線程負(fù)責(zé)主要的數(shù)據(jù)處理工作。在緩沖區(qū)線程中，一個處理循環(huán)在不停運(yùn)行，直到界面線程的暫停和終止命令發(fā)生時停止。在該處理循環(huán)中，不停地對端口201h的q5位進(jìn)行查詢，以判別是否有數(shù)據(jù)到達(dá)。如果有數(shù)據(jù)，則判別緩沖區(qū)位置，并將硬件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)及時讀至軟件緩沖區(qū)，等待后續(xù)處理。為協(xié)調(diào)高速數(shù)據(jù)和后緩數(shù)據(jù)處理之間的時間矛盾，軟件采用三級緩沖：第一級緩沖通過板卡將數(shù)據(jù)寫入至系統(tǒng)內(nèi)存；第二級緩沖將系統(tǒng)內(nèi)存管理的硬件緩沖緩沖區(qū)數(shù)據(jù)移至軟件緩沖區(qū)；第三級緩沖將軟件緩沖區(qū)數(shù)據(jù)移至處理緩沖區(qū)。

為提高數(shù)據(jù)處理靈活性，測試儀軟件提供定制緩沖區(qū)功能。通過該功能，操作者可以根據(jù)實際接收的數(shù)據(jù)情況來靈活配置測試儀。對于高頻度短數(shù)據(jù)，采用較大緩沖區(qū)；反之，對于較低頻度長數(shù)據(jù)，采用較小緩沖區(qū)。這樣，可減少數(shù)據(jù)緩沖的時間消耗，提高實時性。

3.3 數(shù)據(jù)處理線程

數(shù)據(jù)處理線程負(fù)責(zé)根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包、信息處理和實時統(tǒng)計。

對于HDLC幀格式數(shù)據(jù)，HDLC協(xié)議層數(shù)據(jù)處理已在硬件FPGA中完成，輸出至緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)直接就是透明數(shù)據(jù)。此時，數(shù)據(jù)處理線程的主要處理對象就是存于數(shù)據(jù)處理緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議，測試儀軟件首先將數(shù)據(jù)組合幀人原始數(shù)據(jù)中取出，并分離出組合幀中包含的總幀長、包含子幀數(shù)等信息。然后根據(jù)這些信息將組合幀拆分成子幀，再根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議將內(nèi)部包含的通信信息取出，并調(diào)用實時統(tǒng)計模塊進(jìn)行指標(biāo)統(tǒng)計。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

本文介紹的高速HDLC數(shù)據(jù)接收/測試儀具有可靠性高、運(yùn)行性能穩(wěn)定、功能定制靈活等優(yōu)點。以它為主要框架的通信誤碼率測試儀已經(jīng)成功應(yīng)用于某衛(wèi)星地面站設(shè)備的出廠測試中。在測試過程中，程序穩(wěn)定可靠運(yùn)行，同時，基于Windows的圖形界面提供了充足的信息顯示和良好的人機(jī)交互接口，提高了測試結(jié)果的可視性。今后，測試儀將從硬件和軟件兩個方面進(jìn)一步提高響應(yīng)能力，提高數(shù)據(jù)吞吐效率，使之更好地滿足實際使用要求。