三線制同步串行通信控制器接口設(shè)計(jì)

0 引 言
    航天工程領(lǐng)域中，星地通訊等遠(yuǎn)距離遙測遙控是嵌入式衛(wèi)星數(shù)管計(jì)算機(jī)重要功能之一，利用三線制同步串行遙測遙控通道對(duì)指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)操作是通信鏈路的重要環(huán)節(jié)。
    目前許多處理器芯片都已集成了同步串行接口，但基于三線制同步串行接口的處理器并不多。利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所實(shí)現(xiàn)的三線制同步通信硬件電路接口雖然能滿足一般工程設(shè)計(jì)要求，但在“低成本、小體積、低功耗和靈活性”設(shè)計(jì)理念的推動(dòng)下，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)顯然弊大于利。采用可編程邏輯器件CPLD／FPGA技術(shù)，對(duì)三線制同步串行通信接口電路進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以大幅度減小系統(tǒng)體積，降低功耗，提高設(shè)計(jì)的靈活度。同時(shí)，還可以在其中增加其他邏輯功能模塊，并能很方便地應(yīng)用到相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)中。

1 三線制同步串行通信機(jī)理
    三線制同步串行通信時(shí)，發(fā)送端和接收端必須使用共同的時(shí)鐘源才能保持它們之間的準(zhǔn)確同步。為達(dá)到準(zhǔn)確同步的目的，其中一個(gè)方法就是采用編碼和解碼的原理，即在發(fā)送端利用編碼器把要發(fā)送的數(shù)據(jù)和發(fā)送時(shí)鐘組合在一起，通過傳輸線發(fā)送到接收端，在接收端再用解碼器從數(shù)據(jù)流中分離出接收時(shí)鐘。常用的編碼解碼器有曼徹斯特編碼解碼及NRZ-L碼。本文中收發(fā)信號(hào)采用的碼型是NRZ-L碼。
    三線制同步串行通信主要包括三個(gè)信號(hào)：采樣信號(hào)(也叫幀同步信號(hào))、時(shí)鐘信號(hào)和串行數(shù)據(jù)信號(hào)，其時(shí)序邏輯關(guān)系如圖1所示。

    從圖1可看出，數(shù)據(jù)接收或發(fā)送時(shí)，首先幀同步信號(hào)先觸發(fā)一個(gè)瞬時(shí)啟動(dòng)脈沖，之后保持低電平有效，時(shí)鐘信號(hào)緊隨其后，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿保持穩(wěn)定，并開始采樣和傳輸，每個(gè)時(shí)鐘周期收發(fā)一位字符數(shù)據(jù)，串行數(shù)據(jù)成批連續(xù)發(fā)送和接收。

2 三線制同步串行通信控制器接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2．1 基于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路接口實(shí)現(xiàn)
    在三線制同步串行通信控制器接口的傳統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)中，需使用多片元器件來實(shí)現(xiàn)其功能，包括：異步四位計(jì)數(shù)器、移位寄存器、8位D觸發(fā)器、與門、與非門和反相器等主要功能器件，接口電路原理圖在ProteI 99 SE中實(shí)現(xiàn)。
    三線制同步串行通信控制器接收接口硬件電路如圖2所示。

    從圖2中可看到，通過復(fù)位信號(hào)rst n、片選信號(hào)CS、門控信號(hào)strobe和讀寫信號(hào)RW等的不同組合，實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能。通過異步四位計(jì)數(shù)器SN54HC161的計(jì)數(shù)功能，使得移位寄存器SN54HC164順利進(jìn)行數(shù)據(jù)的串／并轉(zhuǎn)換，將8位并行數(shù)據(jù)通過8位D觸發(fā)器SN54HC374鎖存在內(nèi)部總線上等待系統(tǒng)接收。在輸出端，通過雙D觸發(fā)器SN54HC74產(chǎn)生中斷信號(hào)int，通知系統(tǒng)內(nèi)的微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收操作。
    三線制同步串行通信控制器發(fā)送接口硬件電路如圖3所示。
    從圖3可知，系統(tǒng)時(shí)鐘start-clk通過分頻電路模塊產(chǎn)生發(fā)送時(shí)鐘原始信號(hào)code-clk，用于電路的時(shí)鐘狀態(tài)控制。系統(tǒng)內(nèi)的微處理器將要發(fā)送的8位并行數(shù)據(jù)通過8位D觸發(fā)器SN54HC377，將數(shù)據(jù)鎖存在其Q端口等待發(fā)送，然后在異步四位計(jì)數(shù)器SN54HC161的計(jì)數(shù)功能控制下，移位寄存器SN54HC165進(jìn)行數(shù)據(jù)的并／串轉(zhuǎn)換操作。在輸出端，通過雙D觸發(fā)器SN54HC74產(chǎn)生中斷信號(hào)，然后開始通過單向總線驅(qū)動(dòng)器SN54HC244進(jìn)行幀同步信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)及數(shù)據(jù)的發(fā)送操作。
2．2 基于CPLD／FPGA的接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    為解決傳統(tǒng)硬件電路元器件多，功耗大，體積大等缺點(diǎn)，利用CPLD／FPGA技術(shù)，同時(shí)結(jié)合VHDL硬件描述語言設(shè)計(jì)三線制同步串行通信控制器接口已成為一種必然，結(jié)合三線制同步串行通信機(jī)理，設(shè)計(jì)出了基于CPLD／FPGA的三線制同步串行通信控制器接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    整個(gè)三線制同步串行通信控制器接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由時(shí)鐘分頻模塊、系統(tǒng)接口控制邏輯、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊等四大模塊構(gòu)成。
    時(shí)鐘分頻模塊主要用于數(shù)據(jù)收／發(fā)模塊產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號(hào)。系統(tǒng)接口控制邏輯主要用于各種邏輯功能信號(hào)的控制，同時(shí)還可以接收_中斷仲裁邏輯模塊產(chǎn)生的中斷信號(hào)，控制數(shù)據(jù)的接收或者發(fā)送操作。數(shù)據(jù)接收模塊是三線制同步串行通信控制器接口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的核心部分，其模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。
    數(shù)據(jù)接收流程：在幀同步脈沖信號(hào)觸發(fā)下，串行數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)rclk上升沿到來時(shí)保持穩(wěn)定，并通過rdata信號(hào)線進(jìn)入數(shù)據(jù)接收模塊。在該模塊內(nèi)部，串行數(shù)據(jù)經(jīng)過串／并變換,接收FIFO作為數(shù)據(jù)緩沖器，將接收到的數(shù)據(jù)鎖存在VHDL程序指定的兩個(gè)地址寄存器中，一個(gè)地址單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的高八位，另外一個(gè)地址單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的低八位，當(dāng)數(shù)據(jù)存滿這兩個(gè)地址單元后，接口向系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)“接收緩存滿”的接收中斷標(biāo)志int，系統(tǒng)微處理器響應(yīng)后，數(shù)據(jù)被全部取出，并行數(shù)據(jù)被送往系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上，重復(fù)進(jìn)行相同操作，直至連續(xù)接收完所有數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收過程結(jié)束。
    數(shù)據(jù)發(fā)送模塊也是三線制同步串行通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的核心部分，其模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    數(shù)據(jù)發(fā)送流程：在sgate幀同步脈沖信號(hào)觸發(fā)下，系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上的并行數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)sclk上升沿到來時(shí)保持穩(wěn)定，并通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊開始數(shù)據(jù)發(fā)送。在模塊內(nèi)部，首先發(fā)送FIFO數(shù)據(jù)緩沖器，當(dāng)并行數(shù)據(jù)存滿該緩存單元后，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊向系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)“發(fā)送緩存滿”的發(fā)送中斷標(biāo)志int，系統(tǒng)微處理器響應(yīng)后，并行數(shù)據(jù)從發(fā)送FIFO內(nèi)讀出，經(jīng)過并／串變換成串行數(shù)據(jù)，最高位MSB最前，最低位LSB最后，并被送往發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)線Sdata上，發(fā)送至外圍設(shè)備接口，重復(fù)進(jìn)行相同操作，直至發(fā)送完畢所有數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送過程結(jié)束。

3 結(jié) 語
    本文在介紹了三線制同步串行通信機(jī)制基礎(chǔ)上，首先對(duì)三線制同步串行通信接口進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，然后針對(duì)傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方式的不足，構(gòu)建了基于CPLD／FPGA的三線制同步串行通信控制器接口結(jié)構(gòu)，詳述了各個(gè)功能模塊及其工作原理，設(shè)計(jì)合理，并且滿足了實(shí)際應(yīng)用要求。目前，此接口結(jié)構(gòu)模塊已作為FPGA設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵子模塊被成功應(yīng)用于某航天項(xiàng)目及其配套的硬件測試平臺(tái)中。