基于MCU+FPGA的CCB測試盒實(shí)現(xiàn)方法

在石油測井行業(yè)，csu系統(tǒng)中的地面系統(tǒng)先通過電纜遙測系統(tǒng)(CTS)與遙測儀通信，遙測儀再通過電纜傳輸系統(tǒng)(CCS)與井下儀進(jìn)行通信。CTS—般采用經(jīng)過調(diào)制的雙相差分編碼實(shí)現(xiàn)通信，而CCS則使用3根信號傳輸線來實(shí)現(xiàn)通信,俗稱三總線。CCB測試盒則可以模擬地面系統(tǒng)，它工作于兩種模式下，分別對遙測儀和井下儀進(jìn)行檢測。

CCB測試盒通過預(yù)置撥碼開關(guān)的值來實(shí)現(xiàn)命令下發(fā)，然后從遙測儀或井下儀獲取數(shù)據(jù)，最后顯示在數(shù)碼管上。由于設(shè)計的比較早，原先的CCB測試盒里面通過使用大量的分離元器件來實(shí)現(xiàn)時序控制功能，這直接造成了測試盒體積龐大、設(shè)備笨重的缺點(diǎn)。而現(xiàn)在使用高度集成的FPGA芯片來實(shí)現(xiàn)電路中的邏輯控制功能，可大大簡化電路設(shè)計、降低設(shè)備成本。此外，釆用MCU+鍵盤+液晶顯示屏來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，顯示的信息也更為豐富，輸入的方式更加靈活。

1  MCU+FPGA構(gòu)架

新的CCB測試盒方案采用的MCU+FPGA構(gòu)架系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)中的FPGA專注于邏輯控制和通信的編解碼，而MCU負(fù)責(zé)人機(jī)交互部分。MCU通過8位并口總線來訪問FPGA,可向FPGA中的DDATA存儲區(qū)寫入下發(fā)命令字，并向FrmLen存儲區(qū)寫入“幀長”，然后從UDATA存儲區(qū)讀取上行解碼數(shù)據(jù)。 

為實(shí)現(xiàn)上述功能，MCU選擇帶有外部存儲器擴(kuò)展接口的51類型處理器C8O51F5OO,該處理器采用流水線結(jié)構(gòu)，時鐘頻率最高可達(dá)50MHz。由于該器件的大部分指令僅需要1?2個機(jī)器周期就可執(zhí)行，故該處理器的運(yùn)算速度相對于標(biāo)準(zhǔn)的MCS51處理器提高了幾十倍。FPGA選擇ACTEL公司的現(xiàn)場可編程器件A3P060,它內(nèi)部包含約1500個通用邏輯單元，帶有4塊RAM(每塊4kb)，釆用FLASH結(jié)構(gòu)，故可省去外接配置芯片，也簡化了應(yīng)用復(fù)雜性。

MCU與FPGA之間連接方式框圖見圖2所示。其中FPGA中各個存儲區(qū)塊的地址分配如下： 

2  三總線接口

三總線接口有3根總線，分別是下行命令傳輸線DSIGNAL、上行時鐘傳輸線UCK、上行數(shù)據(jù)傳輸線UDATAGOo

DSIGNAL下行命令傳輸線是用于控制井下儀器工作狀態(tài)的信號線。該線傳輸?shù)氖蔷哂?00KBPS控制信號與100kHz時鐘信號的DCK混合信號。信號電平為0V,+1.2V,—1.2V三種。

UCK上行時鐘傳輸線可作為數(shù)據(jù)上傳的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，其頻率為100kHz,電平為0V和十1.2V,在不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時,此信號線為高電平。

UDADAGO為啟動信號和數(shù)據(jù)信號傳輸線，這是雙向傳輸?shù)男盘柧€。首先由地面下發(fā)啟動信號GO脈沖，接下來由井下儀將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，在GO脈沖后400”,地面下發(fā)出的UCK時鐘作用下，井下數(shù)據(jù)通過UDATAGO信號線上傳。GO的電平為3.6V，脈寬為10”,周期為20ms；UDATA的電平是0V?﹢1.2V。此波形圖如圖3所示。

       由于DSIGNAL信號是雙極性信號，需要由兩路 數(shù)字信號分別控制正負(fù)電源導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)，這里使用DSigP和DSigN來分別控制正、負(fù)電源的導(dǎo)通。下面是用Verilog語言編寫的、可產(chǎn)生DSigP、DSigN 的FPGA程序代碼：

UCK信號的產(chǎn)生比較簡單，使用100kHz的時鐘進(jìn)行門控就可以產(chǎn)生，只是要注意門控信號應(yīng)該在主時鐘的下降沿產(chǎn)生，否則會產(chǎn)生毛刺。

考慮到篇幅限制，這里就不列出UCK生成和UDATA數(shù)據(jù)接收的代碼和仿真波形了。

3  雙相碼接口

當(dāng)CCB測試盒掛接井下遙測儀進(jìn)行檢測工作的時候，測試盒與遙測儀之間可通過電纜調(diào)制信號進(jìn)行通信,這種調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)就變成了雙相編碼信號。測試盒掛接遙測儀和測試盒掛接井下儀采用的是一樣的工作方式,而僅僅是通信方式不一樣。雙相碼的編碼特征是:比特邊界信號跳變，比特中間“1”變“0”不變，圖5所示是其雙相碼的編碼特征波形。

雙向碼解碼過程的具體代碼如下：

雙相碼接口的仿真結(jié)果如圖6所示。

4  測試盒人機(jī)界面

測試盒中的顯示屏可選用金鵬電子有限公司的OCMJ5X10B液晶模塊,該模塊的點(diǎn)陣大小為160X80,模塊內(nèi)部含有GB231215X15中文字庫,并支持光標(biāo)功能，可通過并口與主機(jī)通信。

按鍵可采用4X4矩陣鍵盤直接將鍵盤的8個輸出端連接到MCU的一個并行端口上(需要加上拉電阻)，在有鍵按下時，相應(yīng)的行與列端口會變成低電平，這樣，通過查找鍵碼表格，就可以判斷出按鍵的值，按鍵的編碼如表1所列。

由于按鍵過程中，不可避免地會產(chǎn)生抖動。為了避免由于按鍵抖動產(chǎn)生誤判的現(xiàn)象，本設(shè)計使用了一種軟件消抖的方法。

一般情況下,鍵按下過程中都會產(chǎn)生幾到十幾毫秒的抖動，而鍵維持按下的狀態(tài)時間至少大于20ms,所以，可以利用MCU的20ms定時中斷去檢測按鍵的狀態(tài)。操作時可以設(shè)置4個變量，即上一個周期的按鍵狀態(tài)Key_before、這個周期的按鍵狀態(tài)Key_now、先前有效按鍵狀態(tài)Key_N-l和當(dāng)前判定的有效的按鍵狀態(tài)Key_N,這4者之間的關(guān)系如下：

在定時中斷程序中實(shí)現(xiàn)上面3個公式，便可以通過程序檢測出有效的按鍵狀態(tài),然后再進(jìn)入按鍵處理程序中去進(jìn)行相應(yīng)的功能處理。以往人們消除按鍵抖動時，主要是通過RS觸發(fā)電路的方法，但那樣會增加很多額外的硬件成本，而本文所介紹的這種軟件定時消抖,不僅消抖可靠，而且效率高，容易實(shí)現(xiàn)。

5  結(jié)語

本文給出了一種基于MCU+FPGA設(shè)計的CCB測試盒，詳細(xì)地闡述了測試盒中的三總線接口、雙相碼接口的FPGA實(shí)現(xiàn)方法，然后介紹了測試盒的人機(jī)交互部分,其中重點(diǎn)分析了鍵盤按鍵軟件定時消抖的原理。這種新型的測試盒不僅具有體積小巧、外形美觀的特點(diǎn)，而且成本也得到很大的降低，同時它還具有可升級更新功能的特點(diǎn)，具有很大的靈活性。