基于Nios II的被復線傳輸設備方案設計

本文介紹了一種采用Altera公司NIOS II嵌入式微處理器實現的被復線傳輸設備。通過將NIOS II軟核處理器、自定義FPGA專用模塊、存儲器和I/O集成到單塊低成本的FPGA上， 組成一個SOPC（片上可編程系統） 系統，實現了E1接口與遠傳接口之間的相互轉換功能。與采用傳統ASIC處理器加軟件來實現被復線傳輸設備的方案相比，該方案降低了系統的成本，復雜性和功耗。該設備的遠傳接口采用美國敏迅公司的CX28945芯片組實現，符合G.SHDSL標準。

【關鍵詞】FPGA E1接口 以太網 G.SHDSL

E1接口作為數字傳輸系統一次群標準，可用于傳送語音、數據、圖像等業務，也可用于交換機之間的數字中繼。目前，E1接口在分組網、幀中繼網、GSM移動基站及軍事通信網中得到了廣泛的應用。

被復線以其結構強度高、導電性好、線外絕緣皮抗嚴寒、抗高溫、不易老化等特點，被廣泛應用于惡劣環境和軍事通信中。文中設計的被復線傳輸設備可方便地實現具有E1接口設備間的語音、數據和圖像等遠距離傳輸，也可以利用被復線為遠端用戶提供高速網絡接入等服務。

1 系統總體設計

被復線傳輸設備主要由E1接口、E1接口控制模塊、FPGA處理單元、遠傳接口控制模塊、遠傳接口、面板控制及顯示電路和電源模塊組成，設備系統框圖如圖1所示。

系統中，E1接口和遠傳接口作為用戶接入接口提供E1接口用戶和G.SHDSL接口用戶的接入。E1接口控制模塊由E1幀收發器和變壓器組成，主要完成E1幀的成幀和解幀處理。在接收方向，E1幀收發器從線路上的HDB3碼流中恢復出E1幀時鐘和數據。在發送方向，E1幀收發器則進行與上述過程相反的操作。遠傳接口控制模塊主要由DSL幀收發信機芯片和AFE（模擬前端）驅動芯片組成，完成DSL幀的收發控制。E1接口控制模塊和遠傳接口控制模塊之間通過PCM接口連接，完成E1接口與遠傳接口間的數據收發。

FPGA處理單元由Altera公司的EP4CE40F23I7N和外圍電路組成。該設備采用了SOPC設計方案，利用FPGA內部的軟核處理器，完成了E1幀收發器芯片和遠傳接口控制套片的初始化。FPGA專用邏輯模塊則完成了接口控制面板的模式檢測，速率檢測和狀態控制等功能。

2 接口電路方案設計

2.1 E1接口電路方案設計

E1接口電路采用PMC公司開發的E1幀收發器芯片PM4351實現。主要由E1幀收發器PM4351和變壓器T1137組成，主要完成E1接口數據的碼型變換和時鐘恢復。在接收方向，E1幀收發器將線路上的HDB3碼流變換為NRZ碼型的時鐘和數據，然后通過PCM接口送到遠傳模塊處理。在發送方向，E1幀收發器PM4351通過PCM接口接收遠傳模塊發送的數據，然后將NRZ碼型的時鐘和數據轉化為適合線路傳輸的HDB3碼流。E1接口實現方案如圖2所示。

2.2 遠傳接口電路方案設計

遠傳接口電路主要由美國敏訊公司開發的CX28945芯片組和接口變壓器構成。該芯片組包括2個芯片：一個是DSL幀收發信機芯片，另一個是AFE（模擬前端）驅動芯片。CX28945芯片組功能框圖如圖3所示。

模擬部分AFE芯片的主要功能包括A/D和D/A變換、數據變換的反混跌、信號濾波、增益控制和線路驅動等。AFE芯片對外提供數字接口和模擬接口，采用DSP接口與DSL幀收發信機CX28945內部的DSP相連，用于數據傳輸。模擬接口及DSL傳輸鏈路接口與雙絞線相連，由線路驅動反饋電阻、阻抗匹配電阻、平衡混合電路、變壓器和抗雷擊保護電路組成。DSL幀收發信機芯片作為芯片組的核心，包含以下4大功能模塊：ATM層傳輸匯聚功能模塊、DSL成幀器功能模塊、采用16-PAM（16電平格柵編碼脈沖寬度調制）的DSP模塊及8051處理器內核。本設計方案中采用該芯片組的PCM接口與E1接口電路連接。遠傳接口實現方案如圖4所示。

2.3 電源模塊方案設計

電源模塊部分采用TPS54310PWP芯片來實現。該芯片支持3V～6V的輸入電壓，輸出電壓范圍為0.9V～3.3V，擁有內部集成的60MΩ的MOSFET開關電路，通過SS/ENA引腳控制電壓的輸出，它采用PWM技術，具有3A的驅動能力，能夠滿足設計要求。

3 FPGA軟件方案設計

本方案中的FPGA處理器單元主要由Altera公司的低功耗FPGA芯片EP4CE40F23I7N和外圍電路組成。由于處理器采用軟核形式進行設計， 具有很大的靈活性。本文提出的方案是采用內嵌NIOS II微處理器的單塊低成本FPGA芯片來實現。利用FPGA內部的NIOS II軟核處理器，完成E1幀收發芯片PM4351和遠傳套片CX28945芯片組的初始化和配置。FPGA專用邏輯模塊則完成接口模式檢測，速率檢測以及狀態控制等功能。Nios II軟核處理器與外圍接口電路的連接框圖如圖5所示。

系統上電完成后，FPGA內部的專用邏輯模塊根據控制面板的接口速率選擇和主從控制輸入，生成遠傳接口套片的初始配置指令。FPGA內部的Nios II軟核處理器在完成E1幀收發芯片PM4351和遠傳套片CX28945芯片組初始化后，通過Host Port或RS232接口將配置指令下載到遠傳套片CX28945芯片組中。為了簡化設計，設計中的NIOS II處理器通過RS232接口完成對遠傳套片芯片組的配置。軟件配置完成，遠傳套片CX28945芯片組激活后即可實現E1接口與遠傳接口之間的數據收發功能。設備在進行數據收發的同時，可通過觀察設備狀態指示燈來判斷設備的工作狀態。

4 結語

根據現實需求，提出了一種基于Nios II的被復線傳輸設備設計方案。詳細介紹了傳輸設備接口電路設計方案和FPGA軟件設計方案。經調試證明，該設備工作正常、穩定，能夠實現E1接口和G.SHDSL接口用戶間的遠距離通信，滿足了設計要求。

參考文獻

[1]相少華.衛星調制解調器E1接口設計[J]. 中國科技博覽，2014（22）：20-20.

[2]袁揚，譚月輝，孫慧賢，等.基于FPGA的G.SHDSL接口設計與實現[J].計算機測量與控制，2015（11）：3727-3730.

[3]宋躍，盧俊平，雷瑞庭，等.基于NiosII的液晶屏控制器SOPC設計[J].液晶與顯示，2014，29（1）：48-54.

[4]李鑫，黃海生，張斌，等.一種E1時鐘數據恢復電路的設計[J].西安郵電大學學報，2012，17（3）：67-72.

[5]張晶，李心廣，王金礦.AD73322與C54X DSP接口設計[J].計算機測量與控制， 2010，18（4）：935-937.

[6]鄧木生，陳新喜，李華柏.基于PWM技術蓄電池充放電與檢測系統設計[J].現代電子技術，2011，34（14）：207-210.

[7]孔德春，施慧彬.基于Nios II軟核的多核處理器系統的設計與實現[J].電子產品世界，2014（5）：36-38.

[8]崔宏敏，黃戰武，何惠森.基于RS232接口標準的SMT數據采集技術[J].現代電子技術，2010，33（3）：186-187.

作者簡介

聶永軍（1982-），男，現為深圳電器公司技術中心工程師。主要研究方向為基于FPGA的嵌入式系統設計。

作者單位

深圳電器公司技術中心 廣東省深圳市 518001