[发明专利]可扩展的自适应N×N通道数据通信系统

说明书

本发明公开了一种可扩展的自适应N×N通道数据通信系统。其微控制器在由GPS接收机提供的PPS信号的触发下开始工作，数据收发通道中的PLL产生时钟电路被数据中的时间信息触发，产生不同频率的时钟信号，一部分用来驱动数据读写控制模块控制收发通道对数据的读写操作，一部分通过多路选通器驱动收发通道模块中的各器件工作。收发通道拥有N个收发通道的前端与外界元器件连接时使用N位并行数据总线，在后端则能连接N个元器件进行容量的扩展。本发明利用FPGA实现通道扩展，使数据采集精度和传输速率大幅提高，既能提高传输时的数据带宽，也能提高系统的负载能力，FPGA可现场编程的特性能实现系统的远程维护和升级。

技术领域

本发明涉及通道可扩展的高速通信技术，特别涉及一种可扩展的自适应N×N通道数据通信系统。

背景技术

随着通信技术的发展，串口通信是一种已迅速发展成为热点的通信技术，为高速获取和传递数据提供了重要手段，常常会被用于微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)之间的通信。传统的串口通信通常采用单片机或数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)及外围芯片等来实现,各种功能要靠软件的运行来实现,这就使得执行的速度和效率受到了很大的限制。同时MCU只带少量串口，无法满足多路通信要求，并且一般MCU的串口在接收大量数据时会频繁地处理中断，降低了MCU的工作效率。

在高速串行数据通信中，现场可编程门阵列 (Field Programmable GateArrays，FPGA)拥有硬件可定制特点，所有功能可以利用硬件实现，使得数据采集精度和传输速率大幅度提高，灵活性和扩展性得以优化。同时利用FPGA可现场编程的特性可方便实现系统的远程维护和升级。

总之，现有技术的缺陷主要体现在：系统时钟频率低，接口种类少，造成系统采集通道数有限，传输速率低，接口种类单一，灵活性差，且移植性较差，调试比较繁琐需进行多次系统联试来验证其正确性。如果运用复杂的算法对这些数据进行处理，需要较长的时间，也会给硬件设备带来较大的负担。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种可扩展的自适应N×N通道数据通信系统，利用FPGA实现通道扩展，使系统应用更加灵活，既可以提高传输时的数据带宽，也能提高系统的负载能力。

本发明的可扩展的自适应N×N通道高速通信系统包括：获取数据模块和FPGA逻辑。

获取数据模块由主控制器模块和GPS接收机构成。其中主控制器模块由微控制器、计时器和存储器组成。

FPGA逻辑由时钟模块、数据读写控制模块、收发通道模块和数据存储模块构成。其中收发通道模块包括接收通道模块和发送通道模块，拥有N个收发通道的前端与外界元器件连接时使用N位并行数据总线，在后端则可连接N个元器件进行容量的扩展；发送通道模块的任务是将并行数据转换为串行数据，以提高数据速率进行传输，接收通道模块的任务与发送通道模块相反，且比发送通道模块复杂，它含有更多子模块，而且更复杂。

获取数据模块与收发通道模块相连接，其中收发通道模块有上、下两个时钟模块，提供必要的高速和低速时钟来驱动收发通道工作。

所述获取数据模块工作流程：

（1）GPS接收机用于提供秒脉冲信号（Pulses Per Second，PPS）用于启动微控制器工作。

（2）微控制器作为本测量系统的控制中心，在PPS信号的触发下开始工作，控制计时器开始计时，读取GPS接收机接收到的信息，并把信息加上时间同步标签保存入存储器。

（3）存储器中的数据以并行的方式进入收发通道，数据中的时间信息触发FPGA逻辑中的时钟模块工作，进而驱动FPGA逻辑中的其他模块工作。

所述FPGA逻辑工作流程：