基于HDLC协议的数字图像传输链路设计

苏桂芝 杨志谦 邵 威 夏 勇

(中国电子科技集团第三十八研究所 合肥 230088)

1 引言

数字图像是由模拟图像转换而来的一组数据矩阵信息［1］，可以对其进行特征提取、图像分析、图像处理以及图像识别等工作。在现代化的工业生产中，正越来越多的使用数字图像技术对目标进行检测、跟踪和定位，从而大大的提高了工作的效率。一般情况下，数字图像通过电缆从采集点传送到信息处理中心，但是在一些难以使用电缆的场合，如旋转、移动的图像采集设备或大范围、远距离的视频监控系统中，则大多采用无线通信作为有效的传输方法［2］。无线通信方式虽然可以不受地形等因素的限制，但极易受到周围电磁环境的影响，并且数字图像的数据量一般都较大，在无线传输链路中容易产生误码和丢帧的现象，使得最终的显示结果出现较大的失真。HDLC协议是一种高级数据链路控制协议，它具有差错检测功能强大、实时和同步传输的特点。为了在图像传输过程中降低误码率，并且保证其高速性和实时性，本文设计了一种基于HDLC协议的传输链路。

2 数字图像的表示形式

通常人眼观察到，未经采样与量化的图像称为模拟图像，但是计算机无法接受模拟图像，因而必须对它进行采样和量化使之转换成为数字图像才能被处理，即图像的数字化［3］。

取样是将模拟图像在空间上离散化，是将一幅连续图像在空间上分割成M×N个网格，把取样网格点上对应的连续亮度转换为单个特定数码的过程，称之为量化。行数、列数和量化等级都取2的整数次幂，且每级只取整数值。这样就形成一个矩阵，其每个元素称为图像元素，简称象素。象素的值称为灰度级，通常量化为 256级，用 0、1、2、…、255表示［4］。图像上每一点的灰度级与其亮度相对应。一般说来，灰度级越大，图像越亮，颜色越浅，这样就得到一幅数字图像。

在数字图像的无线传输过程中，数字图像采用函数的形式来表示。黑白图像可以应用二维函数f(x，y)表示，x，y是平面的两个轴的坐标，f(x，y)表示点(x，y)的亮度值(灰度值)。彩色图像可用f(x，y，λ)表示，λ为波长。活动彩色图像可用f(x，y，λ，t)表示，λ 为波长，t表示时间。

在准备传送前，将数字图像的象素信息按照八方向链表形式进行编码，形成一组数据。正东方向零度为000，逆时针方向依次为001——111。按照后点相对于前点的方向进行编码，如图1所示。

图1 八方向链表

3 HDLC协议模型

HDLC(High Level Data Link Control)协议是国际标准化组织(ISO)推出的高级数据链路控制协议［5］。HDLC是面向位的链路控制规程，在 HDLC协议中，采用帧结构传输数据，用一帧表示一组完整的信息，如图2所示，它既可以用于通信的控制，也可以用于数据的传输。

HDLC协议规定，所有信息的传输必须以个标志字开始，且以同一个标志字结束，这个标志字就是0x7E。接收方可以通过搜索0x7E来判断帧的开始和结束，以此建立帧同步［6］。地址字段表示链路上站的地址，控制字段实现了HDLC的许多重要功能，根据其最前面两个位的取值，可将HDLC帧划分为:信息帧(I)、监督帧(S)和无编号帧(U)。信息字段为所要传输的数据。帧校验采用循环冗余校验码CRC［7］，对地址、控制和信息字段进行校验，插入的“0”不在校验范围。16位帧校验序列码多项式为:

32位帧校验序列码多项式为:

HDLC协议包含帧发送控制和帧接收控制，因确定0x7E(01111110)为控制字符时，传输的帧的比特序列中就不能出现与它相同的比特序列，否则就会出现判断的错误。这也就是帧数据传输的透明性问题。同样，在两个01111110的标志字段之间的比特序列中，如果出现了和标志字段一样的比特组合，那么就会误认为是帧的边界。为了避免出现这种错误，HDLC规定采用插零/删零的方法。

图2 HDLC帧结构

插零/删零的方法规定:发送端在两个标志字段之间的比特序列中，如果检查出连续的5个1，不管它后面的比特位是0或1，都增加一个0;那么在接收过程中，在2个标志字段之间的比特序列中检查出连续的5个1之后就删除一个0。在数据发送端，经过0比特插入后的数据就可以保证不会出现6个连续1。在接收一个帧时，首先找到标志字段以确定帧的边界，接着再对其中的比特序列进行检查，每当发现5个连续1时，就将这五个连续1后的一个0删除，以便将数据还原成原来的比特。这样就保证了在所传送的比特序列中，不管出现什么样的比特组合，也不至于引起帧边界的判断错误。采用插零/删零的方法后，帧内就可以传送任意组合的比特序列，即可以实现数据链路层的透明传输。具体发送接收流程如图3所示。

图3 传输链路流程

4 传输链路设计

将HDLC协议用于无线的数字图像传输，一方面要保证数据的同步通讯，另一方面要实现数据的透明传输。

4.1 FPGA内部流程

图像数据信息经过数据总线和地址总线不断的从CPU传送至FPGA，由FPGA将大量的数据按照HDLC协议的格式进行打包，发送出去［8］。为了保证数据传输的同步性，在发送数据的同时，提供数据的同步时钟，且时钟的连续性和时钟频率是可控的，在接收数据时就可以通过同步时钟来判断数据流的标志位，实现帧同步。FPGA内部的HDLC协议处理流程如图4所示。

图4 HDLC协议处理流程

4.2 数据透明传输

HDLC的帧同步方式利用“0比特插入法”对数据实现透明传输，传输信息的比特组合无任何限制。在发送端和接收端相应地进行“插零”及“删零”操作。这样使得HDLC具有良好的透明传输特性。

实现“插零”和“删零”操作的部分源代码如下:

通过示波器观察发送出来的数据，波形如图5。

图5 HDLC数据与时钟

5 仿真及试验结果

首先对设计的HDLC链路进行仿真测试，采用无线电台发送一组0～255连续有序数据，在接收端CPCI计算机接收数据并存文件，将发送端的数据与接收到的数据加以比较，以测试整个链路的有效性。

采用MATLAB进行数据分析，由图6可看出，收到数据和发出数据完全重合，证明该链路是有效的。

图6 模拟传输测试图

当仿真测试完全正确后，还需对真实的图像数据进行传输测试，为了证明HDLC协议的有效性，分别采用普通方法传输和本文设计的链路进行无线传输，并对发送和接收到的数据进行比较，如图7、图8所示。

图7 实际图像传输比较(普通)

分析图7和图8，可以看出，在普通方式下传输图像数据，收到的数据和实际发送的数据存在明显的差别，即误码较多，而运用HDLC协议的传输链路收到的数据和实际传输的数据完全吻合，大大的降低了传输的误码率，满足数字图像数据的无线传输要求。

图8 实际图像传输比较(HDLC)

6 结束语

数字图象传输具有数据量大、实时性要求高的特点。本文将HDLC协议应用在数字图像的无线传输中，实验结果表明，本方法是可行、有效的，并且相比普通的无线传输，其误码率较低，传输过程稳定、可靠。

［1］ 沈兰荪.图象编码与异步传输［M］.北京:人民邮电出版社，1998.

［2］申长军，吴庆宏.低功耗无线数字传输块的设计与应用［J］.电子技术应用，2004(9).

［3］ 杨新伟，计欣华，陈金龙.三维白光数字图象频域分析法及其应用［J］.机械强度，2009(04).

［4］ 王剑.基于MATLAB的小波变换在图象压缩中的应用［J］.计算机工程与应用，2003，(01).

［5］CHEN He，HAN Yue qiu.ASIC Design of High-Speed Low-Power HDLC Controller［J］.JournalofBeijing Institute ofTechnology，2003，vol.12.

［6］ 文冠果.一种新型的128路多通道HDLC引擎设计［J］.微电子学与计算机，2004，21，(9).

［7］ 石建平，黄乡生.基于FPGA的循环冗余校验算法实现［J］.信息与电子工程，2008，6，(5).

［8］ 谈国文，张炜，朱丹，顾英.基于HDLC协议的实时通信软件的设计与实现［J］.计算机工程与科学，2000，(04).