[发明专利]一种基于FPGA的可扩展多通道串口光端机

权利要求书

1.一种基于FPGA的可扩展多通道串口光端机，其特征在于包括：串口转光纤装置(1)、SFP光纤互联装置(2)和光纤转串口装置(3)；串口转光纤装置(1)完成多通道RS232、RS422串口电信号输入至单根光纤输出的转换，同时完成单根光纤数据流输入至多通道RS232、RS422串口电信号输出的转换；SFP光纤互联装置(2)通过光纤线缆与远端的光纤转串口装置进行连接；光纤转串口装置(3)完成单根光纤数据流输入至多通道RS232、RS422串口电信号输出的转换，同时完成多通道RS232、RS422的串口电信号输入至单根光纤输出的转换功能；其基于FPGA的可扩展多通道串口光端机，具有很灵活的扩展性，实现方法简单，RS232最高支持1Mbps，RS422最高支持10Mbps；

串口转光纤装置(1)包括LED指示灯(10)、FPGA芯片(11)、时钟管理模块(111)、数据包封装模块(112)、串口电平信号采集模块(113)、数据并/串转换模块(114)、数据包解析模块(115)、串口电平信号恢复模块(116)、时钟芯片(12)、EEPROM程序存储芯片(13)、RS232串口芯片1(141)、RS232串口插座1(1411)、RS232串口芯片2(142)、RS232串口插座2(1421)、RS232串口芯片3(143)、RS232串口插座3(1431)、RS422串口芯片A(144)、RS422串口插座A(1441)、RS422串口芯片B(145)、RS422串口插座B(1451)、RS422串口芯片C(146)、RS422串口插座C(1461)；

LED指示灯(10)，由3个独立的LED指示灯组成，3个LED指示灯的颜色分别是红色、黄色和绿色，红色LED灯闪烁则指示串口转光纤装置工作正常，黄色LED灯闪烁则指示串口电信号输入正常，绿色LED灯亮则指示串口转光纤装置的SFP光纤互联连接正常；

FPGA芯片(11)，设计采用Virtex-II Pro系列的FPGA，在单片FPGA内部完成时钟管理模块(111)、数据包封装模块(112)、串口电平信号采集模块(113)、数据并/串转换模块(114)、数据包解析模块(115)、串口电平信号恢复模块(116)的设计；

时钟管理模块(111)，设计采用DCM时钟管理器，完成为数据包封装模块(112)、串口电平信号采集模块(113)、数据并/串转换模块(114)、数据包解析模块(115)、串口电平信号恢复模块(116)提供高精度的156.25MHz时钟；

数据包封装模块(112)，串口数据在光纤数据流中是由串口数据包首引导的，串口数据包首采用一个16位特殊字符“FC17”和一个2位K字符“10”共同表示；串口数据包的长度需为16位(2字节)的倍数，且在每个串口数据包之间，均需要嵌入一定频率的时钟修正序列和字符对齐序列，时钟修正序列和字符对齐序列均采用一个16位特殊字符“FC00”和一个2位K字符“10”共同表示；

串口电平信号采集模块(113)，使用156.25MHz的高精度时钟实时采集串口输入的电平信号，并实时将采集所得的电平值赋给RocketIO IP核16位并行数据的某一位，再将这16位并行数据经过数据包封装模块(112)进行串口数据封装，完成对串口电平信号的采集；

光纤承载串口的通道数量可扩展性，根据嵌入时钟修正序列和字符对齐序列的频率，串口数据包的长度最大可为124字节，即62个16位并行数据，且每16个并行数据最高可配置8个串口通道，其中，发送、接收各对应一位，即光端机的一根光纤最高可承载499个串口通道；

数据并/串转换模块(114)，完成16位并行数据至光纤串行数据流的互相转换，设计采用FPGA内部的RocketIO IP核作为数据并/串转换模块(114)；

数据包解析模块(115)，实时接收光纤数据流并解析出串口数据包；当检测到包首字符“FC17”和K字符“10”时，则将串口数据提取出来，并送至串口电平信号恢复模块(116)进行处理；

串口电平信号恢复模块(116)，实时接收来自数据包解析模块(115)的16位并行数据，将16位并行数据与各个通道的串口进行一一对应，即16位并行数据中的某一位对应一个通道的串口发送端或接收端；使用高精度的156.25MHz时钟对串口电平信号进行实时恢复，将恢复得到串口电平信号输出至对应串口芯片，以完成串口电平信号的恢复；

该基于FPGA的可扩展多通道串口光端机实现串口电信号输入至光纤数据流输出的转换，以及光纤数据流输入至串口电信号输出的转换功能；

该基于FPGA的可扩展多通道串口光端机实现1MHz的高速率、可扩展串口通道数量同时输入至单根光纤输出，以及单根光纤输入至1MHz的高速率、可扩展串口通道数量同时输出的转换功能；

该基于FPGA的可扩展多通道串口光端机实现SFP光纤模块的灵活配置：多模或者单模，传输距离从500米至120千米，扩展了串口、光纤互转换的应用场合；

该基于FPGA的可扩展多通道串口光端机采用光纤作为传输介质，简化现有设备之间的串口配线复杂性，增强系统的抗电磁干扰能力，提高多通道串口传输的稳定性和可靠性。