NiosII系統是Altera公司的SOPC解決方案，HDLC協議是通信領域中面向比特的高級數據鏈路控制規程。
介紹了基于NiosII軟核的HDLC通信協議的實現方法，并在協議實現的基礎上，完成了對無人值守基站系統的監控與管理。基站端的功能由基于NiosII軟核的SoPC完成，PC機作為監控中心完成對基站的遠程監控與管理。本系統在保證雙方可靠通信的前提下，最終實現PC主控機與基站之間實時、可靠的信息交互與監控管理功能。
一 引言
HDLC（High-level Data Link Control)協議是通信領域中應用最廣泛的協議之一，是面向比特的高級數據鏈路控制規程，具有強大的差錯檢測功能和同步傳輸特點，保證數據的可靠傳輸[3]。市場上很多專用的HDLC芯片因追求功能的完備，而使芯片的控制變得復雜。實際上對某些特殊的場合，可選擇HDLC協議中最符合系統要求的部分功能，設計一種功能相對簡單、使用靈活的控制器。
NiosII系統是Altera公司的SoPC解決方案，它是一個運行在FPGA上的32位RSIC處理器。Altera公司對于NiosII的開發提供了強大的設計開發平臺QuartusII、SOPC Builder以及NiosII IDE[2] [4]。這樣，硬件電路與外設的連接，NiosII軟核的配置，C語言編寫與調試可有機地結合起來，大大提高了系統設計的效率，便于系統的更新與升級。
本設計即是采用Altera公司的CYCLONEII芯片ＥＰ2C35-672 FPGA實現基于NiosII的HDLC協議控制系統。在完成通信協議、保證可靠通信的前提下，最終實現主控機與基站終端之間實時、可靠的信息交互與監控管理功能[1]。
二 HDLC協議說明[3]
HDLC協議具有以下特點：數據報文可透明傳輸；全雙工通訊；采用窗口機制和捎帶應答；采用幀校驗序列，并對信息幀進行順序編號，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，應用非常靈活。HDLC執行數據傳輸控制功能，一般分為3個階段：數據鏈路建立階段、信息幀傳送階段、數據鏈路釋放階段。
HDLC協議以幀為基本信息單位傳輸數據，無論是傳輸數據信息或是控制信息，每個幀都采用統一的幀格式，如圖1所示：
圖1 HDLC幀格式
1． 標志字段（F）
HDLC協議規定，所有信息的傳輸必須以一個標志字開始，且以同一個標志字結束，這個標志字就是01111110。接收方可以通過搜索01111110來判斷幀的開始和結束，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的倍數進行擴展，用于標識接收該幀的站地址。
3． 控制字段（C）
控制字段為8位，用來表示幀類型、幀編號以及命令、響應等。由圖1知，由于C字段的構成不同，可以把HDLC幀分為三種類型：信息(I)幀、監控(S)幀、無編號(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）
信息字段內包含了用戶的數據信息和來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幀的信息長度是可變的，其長度由收發站緩沖器的大小和線路的差錯情況決定，但必須是8bit的整數倍。它可傳送標志字以外的任意二進制信息。
5．幀校驗序列字段（FCS）
幀校驗序列用于對幀進行CRC循環冗余校驗。在HDLC協議中采用16位循環冗余校驗碼進行差錯控制，其校驗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，并且規定為了透明傳輸而插入的“0”不在校驗范圍內。它的生成多項式為g(x)=X16+X12+X5+1。
三 系統簡介
基站系統往往被安置在比較分散、環境比較惡劣且無人值守的地方，因此它運行的可靠性就顯得尤為重要。SOPC的諸多特點滿足了此類系統的要求。基于此定位，該系統選用pc機作為監控中心，SOPC片上系統作基站端，它們之間采用HDLC協議來實現可靠通信。監控中心完成建立和斷開鏈路的功能，SOPC基站系統除了接收、執行監控中心發來的命令外，還要完成現場數據的采集控制，并將數據上傳至監控中心。
對于通信雙方，數據都有發送與接收兩個傳輸方向，即上行數據流和下行數據流。發送數據時，按照HDLC協議，先將數據封裝成幀，即加上幀頭、地址字段、控制字段、信息字段、CRC校驗段、幀尾，當緩沖區有空間時，將成幀數據送交緩沖區待發送，數據幀再經UART送到對方的RS-232接口，數據進入收方的緩沖區，收方則執行與發送相反的操作，即從緩沖區讀出數據、對其解幀、CRC校驗判斷、解碼，并按照所提取的信息執行相應操作。完整的系統總框圖如圖2所示：
圖2 系統框圖
四 基于NiosII的SOPC功能設計
分為硬件設計與軟件設計，分別在QuartusII、SOPC Builder和NiosII IDE中完成。
1 硬件設計
(1) 硬件設計結構
硬件設計結構包括RS-232接口、PIO接口、顯示模塊和自定義CRC校驗指令，這些部分都是用NiosII軟核來配置的。NiosII作為系統的流程控制中心，其作用是不言而喻的，通過采用SOPC Builder對NiosII進行定制，極大的減少了系統的使用資源。整個系統硬件設計框圖如圖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ROM、PIO、UART、NiosII其它外設及接口。系統的頂層模塊由NiosII軟核處理器標準版和系統時鐘組成，系統時鐘通過鎖相環PLL再分配給各外設及SDRAM。
（3）自定義CRC校驗指令
可編程軟核處理器最大的特點是靈活到可以方便的增加指令，這樣可以把系統中用軟件處理耗時多的關鍵算法用硬件邏輯電路來實現。自定義指令其實就是用戶讓NiosII軟核完成的一個功能，這個功能由采用HDL語言描述的電路模塊來實現，該模塊被連接到NiosII軟核的算術邏輯部件上。
CRC校驗的一般算法需要大量的邏輯與循環運算，如果用軟件來實現則要占用很多個時鐘周期，使系統的效率降低，而用硬件完成則僅需要幾個時鐘周期。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校驗指令來完成該部分功能，大大提高了系統的效率。
2 NiosII應用軟件設計
NiosII應用軟件用C語言實現，完成了HDLC協議和對基站系統的控制兩個任務。首先完成HDLC協議中所要求的解幀校驗處理、數據重新打包轉發、錯誤處理等操作，確保通訊的暢通與可靠。基站端在接收到監控中心的命令后，在應用軟件的控制下，驅動設備執行相應操作，主要是對溫度、濕度、電壓、煙感度等參數的讀取及環境參數的調整，執行完畢后將結果反饋回監控中心。基于此思想，NiosII軟件分為HDLC協議實現部分和命令執行部分。
（1） 協議實現部分
a、接收數據
首先，建立鏈路完成對幀序列、各種外設參量、標志位等變量的初始化。函數void DeFrame( )用于每收到一幀后的解幀處理，即包括幀長度的判斷、CRC 校驗、幀類型辨認、幀序號的對照。CRC校驗碼的運算由函數ALT_CI_CRC_CCITT( )完成，具體操作是調用配置的自定義CRC校驗指令，賦數據值，然后通過硬件運算返回計算的CRC碼，再和數據幀中的校驗碼對比，相同則是正確信息，不等則判為錯誤信息。
b、發送數據
定義變量volatile int edge_capture來進行基站環境參數信息的捕捉，如溫度、濕度、電壓等。NiosII應用軟件根據對環境參量的讀取和判斷，還要對異常狀況做特殊處理。比如，如果某參量出現超標則必需立刻發送信息幀進行告警，以使用戶進行及時的調整。
具體發送時，數據先裝幀再送入緩沖區等待。為了防止幀丟失造成通訊雙方處于僵滯的等待狀態，引入計時器，即每發一次信息幀都要啟動計時器進行計時，若計時器溢出，重發上一幀并重新計時。以發送電壓值為例，對其具體過程進行說明：
void InfoVoltageFrame( )； //裝電壓幀
void SendBuf(unsigned char Frame[],int SendDataLen)； //幀送緩沖區
void TimeDelay( )； //啟動計時器
若超時，置超時標志DelayFlag=1；
在此條件下，調用函數ReSendFrame( )； //重發上一幀
再次啟動計時器TimeDelay( )；
c、HDLC協議中滑動窗口的處理
只將滑動窗口協議中最關鍵的幀序號變化的具體代碼呈現出來：
……
If ((RvByte(2) And &HF)/2)=VR Then 'NS與VR作比較，相等則接收并發送確認幀
VR = ((VR + 1) And & H7)
……
If (RvByte(2) And &HF) = 1 Then '收到確認S幀
SysTime.Enabled = False
VS = ((VS + 1) And & H7)
……
（2）命令執行軟件部分
這部分軟件主要是驅動設備執行相應命令。一方面，監控中心啟動自動監控功能， NiosII每隔5秒會接收到監控中心發來的讀取參量信息命令，NiosII執行命令并讀取外設參量送至發送緩存；另一方面，若環境參量發生變化，NiosII會對其進行判斷，如果超標則立即主動發告警信息幀給監控中心。
五 結束語
本文提出了一種基于ＦＰＧＡ的ＨＤＬＣ協議控制系統設計方案，并利用Altera公司的CYCLONEII芯片ＥＰ2C35-672來實現。實踐表明，利用NiosII實現的HDLC協議控制系統操作簡單、使用靈活，能夠很好地應用于各種小型通信設備。通過不同階段大量的測試，系統工作可靠、穩定，完成了實時可靠的通訊與準確的控制。
本文作者創新點:
1、 技術手段的創新：使用NiosII這種新型的SOPC技術實現了ＨＤＬＣ協議。
2、 應用領域的創新：實現了對基站各種信息（如工作電壓、環境溫度、濕度、煙感度等）的實時監控與可靠管理。
參考文獻
1羅朝霞,張高記 基于TMS320F2407A DSP的MODBUS通信協議的實現 微計算機信息2005 No.20 P.138-139,
2任愛鋒，初秀琴 等．基于FPGA的嵌入式系統設計．西安電子科技大學出版社．2004
3謝希仁．計算機網絡教程．人民郵電出版社．2002
4 Altera．NiosII Processor Reference Handbook．2006