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(多图) 用FPGA实现数据远距离的高精度传输

来源:单片机及嵌入式系统应用?? 2007年10月12日 ?? 收藏0

  1 意义

  简单的多机间数据通信在我们的设计中很普遍,一般情况下数据传输距离很短,不会超过百十m,因此仅采用双绞线加RS232或RS485标准就可以有效传输。但有时多机之间的距离也会很远,如我们所设计的一个气象项目,就要求子站遍布在基站1km范围内。因此在考虑成本、不增加很多设备的前提下,有效防止噪声干扰,保证子站与基站的数据高精确传输就很重要。

方案框图

  图1 方案框图

  通常多机短距通信中,可以在收发端加入奇校验、累加和校验等出错就重发的防噪声措施;但以上措施都只能检错,不能纠错,也就是说传输过程中不能容错。在远距离、干扰大、出错概率非常高的情况下,单纯的出错就重发措施会失去工作效率和意义。因此,我们需要一种能容错的数据传输方式,就要对数据编码。因此,不同传输环境的噪声性质不相同,对应的编码方式也不一样,所以我们设计编码时强调更多位的纠错冗余,以适合较多的环境,但相应地就降低了传输速率。另外,出于通用性和简易性的考虑,我们的设计应可直接加载于原有的有线或无线通信系统上,除数据连线外,不需对原有系统做任何改变。

  在此,我们采用了交错编码技术来增加数据传输过程的容错能力

。编解码设备插入加载到通信系统原来的数据收发端口。因此,微处理器要发送的数据由原先的直接经发送端(无线通信为调制器和发送器)发送,变为先经编码设备编码,然后再经原有的发送端发送;同理,接收端(无线通信为接收器和解调器)收到信息,经解码设备解码出数据,再传送给微处理器。

  2 设计方案

  为适应多种信道,要求我们的设计能同时纠随机错和突发错,并且能有多位的纠错冗余。因此,我们基于常用的卷积码和循环码特性,自定义一种简单的线性分组码作为纠错编码,以便我们刻意去提高纠错的位数。同时我们采用交错发送技术来提高纠突发错能力,并利用FPGA去实现该方案。

电路图

  (1)方案的应用范围

  我们所设计的方案用于远距离的多机通信。根据实际经验,本方案默认微处理器收发的数据为8位并行数据+1位同步时钟,因此提供8位数据线和1位同步线。对于串口,则可增加串行转换的移位寄存器来转化。

解码器仿真图

  图3 解码器仿真图

  (2)方案的实现

  方案的实现如图1所示。

  ①在子站、基站的收发端口与微处理器之间分别加入相应的编解码设备,使得子站与基站间传输的数据先经过编解码再传输,以达到增强容错的能力。

  ②用帧结构实现码字的交错。

  ③远距离传输,收发端最好选用同步方式,但这不是本设计的内容,不予以讨论。

编码器仿真器

  图4 编码器仿真器

  (3)基于精度,对数据的每一位单独编码

  实际应用中,对数据精确的定义并非数据的完全重合,而是要求某一个精度。完全重合只对用做标志的数据有意义,对单纯计算用的数据并没有必要。基于精度要求,显然一个数据信息的高位对精度影响远比低位大(如:FFH,当最高位出错变为7FH时,精度变化最大,而最低位出错变为FEH时,精度变化最小)。因此,我们并没有对8位数据信息进行整体编码,而是逐位分开进行编码:高数据位,采用更长的编码,以保证更高的正确率;低数据位,则可采用较短的编码,兼顾效率和设备容量。具体编码如表1所列。

具体编码

  对8个位远逐位编码,8个生成矩阵为1维矢量。因此用FPGA实现编码时,采用查表法更方便,如表2所列。

查表法

  之所以选用010等作为码字,是因为01相间在组合为帧发送时,可以减少连0或连1的出现概率。

  (4)帧结构实现交错发送技术

  为纠突发错,码字要按交错格式发送。因此,用帧实现码字的交错,数据发端按帧发送,数据收端按帧解码。8个码字共48位(6字节),加帧头2字节,所以,帧为8字节。为说明帧结构,暂以字母表示码字各位:

  码字0:a2a1a0; 码字3:d4d3d2ed1d0;

  码字1:b2b1b0; 码字4:e6e5e4e3e2e1e0;

  码字2:c4c3c2c1c0; 码字5:f6f5f4f3f2f1f0;

  码字6:g8g7g6g5g4g3g2g1g0;

  码字7:h8h7h6h5h4h3h2h1h0;

  帧结构如表3所列。

帧结构

纠突发错仿真图

  图5 纠突发错仿真图

  利用帧头1和帧头2的重合特点来检测帧头,因为码字交错发送时相邻两字节对应位基本01相间的。由表3可得,第3字节到第8字节,相邻字节至少有6位不相同。因此可借用汉明距的纠错思想,认为帧头1和2不重合的位在2位以内,则表示正确收到帧头。


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FPGA? 远距传输? 高精度? 交错?

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