[发明专利]基于FPGA的容错异步串行收发器装置

说明书

技术领域

本发明涉及通信和抗辐射容错技术领域。主要涉及利用FPGA实现抗辐射容错异步串行收发器。

背景技术

随着现代信息技术的不断发展，高速信息传输和高可靠性传输成为信息传输的主要发展方向。在星载设备、医疗设备中高可靠性传输尤为重要。不断进步的集成电路工艺使超大规模集成电路(VLSI)的集成度越来越高，速度越来越快，功耗越来越低，但同时也使VLSI的节点尺寸越来越小，导致临界电荷下降，降低了VLSI的单粒子效应(Single Event Effect，SEE)阈值，严重限制了高性能VLSI在太空等辐射环境中的应用。另外，由于器件工作在辐射环境，传输线路也要受到噪声的干扰。

UART的全称是通用异步收发器，是实现设备之间低速数据通信的标准协议。它具有使用简单，接线简单等优点。UART是广泛使用的串行数据传输协议。基本的UART通信只需2根信号线（RXD、TXD）就可以完成数据的相互通信。但现有的UART协议，只有一位奇偶校验位，只能检测传输过程中发生的错误，不能纠正因信道干扰造成的数据错误。另一方面，现有的UART接收器和发送器不具有容错能力，当器件发生单粒子翻转（Single Event Upset，SEU）时，整个电路便不能正常工作。

针对UART的存在的问题，雷斌，王宁等人于2009年12月在西安工业大学学报第29卷第6期发表《FPGA的汉明码数据传输系统的设计》，提出的汉明传输系统能够使得数据在信道中提高抗干扰能力，对发送错误的数据能够纠错，但发送器和接收器不具有抗SEU的能力，且只能纠正一位错误。另一方面，韩月涛，潘伟萍等人于2011年3月在电子测量技术杂志上发表《基于FPGA的三模冗余UART电路设计》，提出了UART发送器和接收器加固方法，但文章只对串并转换和并串转换部分，做了局部的三模冗余。整个设计的多数表决器是单点，如果它受到单粒子的影响发生错误，导致整个输出会产生错误。特别对SRAM型FPGA而言，器件更容易受到SEU的影响。

针对以上两种设计的不足，本发明提出了一种基于FPGA的容错异步串行收发器装置，整个设计做三模冗余加固（Triple Modular Redundancy,TMR），包括通过对接收器、发送器以及输入/输出（I/O）口等，TMR是指对功能单元采用3个完全相同的模块，互为备份，以达到最佳的抗单粒子翻转效果，使得接收器和发送器具有抗辐射性能。同时，为了提高通信性能，使传输信号更好地抵抗噪声、干扰的影响，对发送信息数据进行信道编码，接收到的数据进行信道解码，使得数据传输更具有可靠性。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足，提供了一种基于FPGA的容错异步串行收发器装置。以解决UART的发送器和接收器受到高能射线的照射而发生单粒子翻转（SEU）和数据通信中检错和纠错的问题。