基于CPLD的曼徹斯特編碼技術(shù)

摘 要： 研究了曼徹斯特編解碼方法，采用VHDL語言在CPLD上實(shí)現(xiàn)了編解碼，使系統(tǒng)的功能高度集成，提高了系統(tǒng)的靈活性與兼容性。通過MAX+PLUS II仿真了2 MB/s速率下的編解碼，結(jié)果和理論分析一致，驗(yàn)證了編解碼電路設(shè)計(jì)的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞：CPLD；曼徹斯特編解碼；MAX+PLUS II

在工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)中，曼徹斯特碼由于編碼方式簡單易行、無直流分量，且含有豐富的時(shí)鐘信息，常被用作高速基帶數(shù)據(jù)傳輸。曼徹斯特編碼已經(jīng)廣泛應(yīng)用在數(shù)控測井和無線監(jiān)控等領(lǐng)域。
要實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編解碼，專業(yè)的編解碼器必不可少，目前曼徹斯特編解碼器HD-6408、HD-6409最高速率只有1 MB/s，而且這種器件是對串行信號進(jìn)行編解碼，在電路設(shè)計(jì)中需要專門的并/串、串/并轉(zhuǎn)換支持，增加了設(shè)計(jì)成本。
本文主要介紹一種通過CPLD來實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編解碼的方法，在CPLD內(nèi)部完成并/串、串/并轉(zhuǎn)換以及曼徹斯特編解碼，提高了編解碼的通用性，大大節(jié)省了開發(fā)成本，并且可以實(shí)現(xiàn)更高的編碼速率。
1 曼徹斯特碼
　 在曼徹斯特編碼［1-2］中，每一位的中間有一個(gè)跳變，位中間的跳變既作時(shí)鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號。從高到低跳變表示“0”，從低到高跳變表示“1”。
　 從曼徹斯特碼的特點(diǎn)可以看出曼徹斯特碼是一種自同步碼，且沒有直流分量，因此抗干擾能力強(qiáng)。但其缺點(diǎn)是編碼后每一個(gè)碼元都被調(diào)成2個(gè)電平，所以數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1/2。
2 可編程邏輯器件的選擇
　 系統(tǒng)中CPLD器件選擇Altera公司的MAX7000系列［3］的EPM7128AETC100-10。EPM7128AE系列CPLD具有2 500個(gè)可用門，內(nèi)部具有128個(gè)宏單元，最多可用I/O引腳100個(gè)，時(shí)鐘最高可達(dá)192.3 MHz，使用3.3 V電壓供電。
　 本文的編解碼分別在2個(gè)CPLD中完成。編碼端的CPLD內(nèi)部程序框圖如圖1所示，首先鎖存并行信號，然后根據(jù)編碼時(shí)鐘把并行數(shù)據(jù)用移位寄存器進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，最后曼徹斯特編碼模塊對串行NRZ數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼輸出。

　 解碼端的CPLD內(nèi)部程序框圖如圖2所示，首先曼徹斯特解碼模塊把輸入的曼徹斯特碼解碼成NRZ碼，并從碼元中提取同步時(shí)鐘，然后在移位寄存器中對串行NRZ碼完成串/并轉(zhuǎn)換，最后把并行信號鎖存到鎖存器中并輸出。

3 曼徹斯特編解碼器設(shè)計(jì)
　 在編解碼器的設(shè)計(jì)中，VHDL設(shè)計(jì)語言和原理圖方式混合使用，提高了軟件設(shè)計(jì)的靈活性。
3.1 編碼器設(shè)計(jì)
　 (1)同步頭
　 解碼時(shí)，何時(shí)開始一個(gè)解碼周期是解碼正確與否的關(guān)鍵，為此在曼徹斯特碼的前面增加了4個(gè)時(shí)鐘周期(此時(shí)鐘是數(shù)據(jù)傳輸速率的2倍)的高電平作為同步頭。編碼時(shí)首先輸出同步頭，接著輸出曼徹斯特碼元。解碼器檢測到此同步頭時(shí)啟動一個(gè)解碼周期。
　 本文中采用的曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示，第1~2位為高電平，作為數(shù)據(jù)幀的同步頭；第3~18位是16個(gè)經(jīng)過曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù)位。

　 (2)曼徹斯特編碼
　 根據(jù)曼徹斯特碼的特點(diǎn)，常規(guī)設(shè)計(jì)方法是將NRZ碼和時(shí)鐘信號相異或進(jìn)行編碼，這種方法的缺點(diǎn)是會在數(shù)據(jù)的跳變沿產(chǎn)生毛刺。設(shè)計(jì)中采用如下編碼方式：
　 選用二倍頻于數(shù)據(jù)傳輸速率的時(shí)鐘，當(dāng)時(shí)鐘個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí),曼徹斯特碼等于NRZ碼；當(dāng)時(shí)鐘個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí),曼徹斯特碼等于NRZ碼取反。
　 這種編碼方式簡單易行，而且解決了常規(guī)通過異或方式編碼產(chǎn)生的毛刺現(xiàn)象。
3.2 解碼器設(shè)計(jì)
　 曼徹斯特解碼框圖如圖4所示，主要分為4個(gè)部分：同步頭檢測電路、同步時(shí)鐘提取器、解碼的判決器和計(jì)數(shù)器。

　 其中同步頭檢測電路和判決器采用VHDL語言設(shè)計(jì)，同步時(shí)鐘提取器和計(jì)數(shù)器使用原理圖方式設(shè)計(jì)。下面分別介紹這4部分：
(1)同步頭檢測電路
同步頭檢測電路有2個(gè)功能：檢測同步頭和去掉同步頭。這部分電路不斷對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到同步頭后，向其他3部分發(fā)送使能信號，控制這3個(gè)部分開始工作，并且同步頭檢測電路還將去掉同步頭后的標(biāo)準(zhǔn)曼徹斯特碼發(fā)送給判決器，由判決器對接收到的曼徹斯特碼解碼。
(2)同步時(shí)鐘提取器［4］
　 曼徹斯特碼的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是本身含有時(shí)鐘信息，可以很方便地進(jìn)行位同步。時(shí)鐘提取器就是要從曼徹斯特碼中提取出同步時(shí)鐘。從曼徹斯特碼的特點(diǎn)可以看出每個(gè)碼元中間都有一次跳變，時(shí)鐘提取電路提取出跳變信息，以此來恢復(fù)出位同步時(shí)鐘。
　 同步時(shí)鐘提取電路如圖5所示，DataIn是輸入的曼徹斯特碼；CLK16x是解碼用的高倍時(shí)鐘；DataIn2是曼徹斯特碼經(jīng)過2次時(shí)延后的信號，此信號與經(jīng)過1次時(shí)延的信號異或運(yùn)算得到曼徹斯特碼的跳變信息；CLR是從曼徹斯特碼中提取出的跳變信息，把這個(gè)跳變信息作為計(jì)數(shù)器的清零信號，同時(shí)利用高倍時(shí)鐘就可以從輸入的曼徹斯特碼中恢復(fù)出同步時(shí)鐘，圖5中CLKOUT是同步時(shí)鐘的輸出端，可用于電路的其他部分。

　 (3)判決器
　 判決器是曼徹斯特解碼的核心部分，采用16倍頻于傳輸速率的時(shí)鐘作為解碼時(shí)鐘。解碼流程圖如圖6所示。在接收到曼徹斯特碼后使用16倍頻的時(shí)鐘對信號進(jìn)行采樣，為了正確解碼出一位NRZ碼，需要進(jìn)行16次采樣，即一個(gè)解碼周期等于16個(gè)時(shí)鐘周期。

　 解碼時(shí)設(shè)置了2個(gè)計(jì)數(shù)器：tHigh和tClock。tHigh用于記錄每16次采樣時(shí)前8次采樣的高電平的個(gè)數(shù)。如果tHigh等于8，那么原始碼元就是“1”，反之為“0”。在每次采樣時(shí)tClock都會加1，記錄采樣的次數(shù)。當(dāng)tClock等于16時(shí)，一個(gè)解碼周期完成，將tHigh和tClock清零。
　 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了提高對解碼的抗干擾能力，將tHigh的判決門限設(shè)定為8-2，即6，當(dāng)tHigh≥6就認(rèn)為原始信號是“1”，反之為“0”。
(4)計(jì)數(shù)器
　 計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘是從曼徹斯特碼恢復(fù)出的同步時(shí)鐘，主要用來記錄解碼的位數(shù)，當(dāng)解碼完16位時(shí)，表明一幀數(shù)據(jù)解碼完成，產(chǎn)生解碼完成信號，可用這個(gè)信號通知外部處理單元對解碼后的信號進(jìn)行讀取。
3.3 軟件仿真
(1)編碼仿真［5］
本文使用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用MAX+PLUS II進(jìn)行仿真，仿真的數(shù)據(jù)編碼速率設(shè)為2 MB/s，仿真圖形如圖7所示。其中D[0..5]是發(fā)送端的并行信號；DSP_CLK是由外部提供的40 MHz的時(shí)鐘信號，在CPLD中進(jìn)行10分頻，產(chǎn)生需要的4 MHz的二倍頻時(shí)鐘信號；MAN_OUT是最終的曼徹斯特碼。從圖7可以看出，曼徹斯特碼的最前面有4個(gè)時(shí)鐘周期的高電平，是編碼信號的同步頭。
　 從圖7中還可以看出，輸入的并行信號是0xA756，由于程序中使數(shù)據(jù)的最低位在前，最高位在后，因此進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后的NRZ碼是0110，1010，1110，0101，對應(yīng)的曼徹斯特碼為01 10 10 01，10 01 10 01，10 10 10 01，01 10 01 10(如圖7中MAN_OUT所示)。

　 (2)解碼仿真
　 仿真時(shí)所用的解碼時(shí)鐘是16 MHz，仿真圖如圖8所示。其中，DataIn是輸入的曼徹斯特碼，速率是原始數(shù)據(jù)速率的2倍，即4 MB/s；DataIn2是由輸入信號延遲一個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生的；CLK16x是外部提供的16 MHz高倍時(shí)鐘信號；CLR是從曼徹斯特碼提取的跳變信息；CLKOUT是恢復(fù)出的時(shí)鐘信號；enable是同步頭檢測電路產(chǎn)生的使能信號；NRZ是判決器輸出的NRZ碼；q[0..15]是解碼出的數(shù)據(jù)，從圖8中可以看出其值為0xA756，正確解碼了輸入的曼徹斯特碼。
　 本文使用VHDL語言在Altera公司的EMP7128AETC100-10實(shí)現(xiàn)了曼徹斯特編解碼，在MAX+PLUS II下正確實(shí)現(xiàn)了2 MHz時(shí)鐘下的編解碼。比專用器件具有更高的速率和更好的靈活性。大大增加了曼徹斯特編解碼的可移植性，并且為編解碼器的擴(kuò)展預(yù)留了足夠的空間。
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