引言
在油田測井中,井下儀在井下采集大量信息,并傳送給地面測井系統(tǒng);但井下儀到地面這段信道的傳輸性能并不好,常用的NRZ碼不適合在這樣的信道里傳輸,而且NRZ碼含有豐富的直流分量,容易引起滾筒的磁化,因而選用了另外一種編碼——曼徹斯特碼。曼徹斯特編碼是串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重要的編碼方式。和最常用的NRZ碼相比,曼徹斯特碼具有很多優(yōu)點。例如,消除了NRZ碼的直流成分,具有時鐘恢復和更好的抗干擾性能,這使它更適合于信道傳輸。
但曼徹斯特碼的時序比較復雜,實現(xiàn)編解碼器和單片機的接口需要添加大量的邏輯電路,給電路設計和調試帶來很多困難。使用CPLD可大大簡化這一過程。CPLD(ComplexProgrammableLogicDevices)具有用戶可編程、時序可預測、速度高和容易使用等優(yōu)點,這幾年得到了飛速發(fā)展和廣泛應用。上至高性能CPU,下至簡單的74電路,都可以用CPLD來實現(xiàn)。而且CPLD的可編程性,使修改和產(chǎn)品升級變得十分方便。用戶可以根
據(jù)原理圖或硬件描述語言自由地設計一個數(shù)字系統(tǒng),然后通過軟件仿真,事先驗證設計的正確性。PCB完成以后,還可以利用PLD的在線修改能力,隨時修改設計而不必改動硬件電路,從而大大縮短了設計和調試時間,減少了PCB面積,提高了系統(tǒng)的可靠性。
1選用器件和開發(fā)軟件
1.1選用器件
?。?)XC95144
Xilinx公司的XC9500系列產(chǎn)品具有業(yè)界領先的速度,同時,具有增強引腳鎖定結構和支持全面的IEEEStd.1149.1JTAG邊界掃描,向用戶提供了更高的靈活性。XC9500體系由多個同一功能塊組成,每個功能塊內含18個宏單元,引腳到引腳速度最快支持到5ns;支持125MHz時鐘速率,I/O口接口電平5V、3.3V或兩者皆可。其中XC95144內部有144個宏單元。
?。?)HD-6408和HD-6409
HD-6408和HD-6409是Intersil公司的產(chǎn)品,兩者均是曼徹斯特編解碼器。
HD-6408編碼器轉換串行NRZ數(shù)據(jù)(通常來自移位寄存器)為曼徹斯特編碼,增加一個同步頭和一個奇偶位。解碼器識別這個同步頭,并判斷出這是數(shù)據(jù)同步,還是命令同步,數(shù)據(jù)解碼后移出NRZ碼(通常送到移位寄存器中)。最后檢查奇偶校驗位。如果沒有編碼或奇偶校驗方面的錯誤,解碼器將輸出一個有效信號,表明接收到一個有效的字。解碼器能夠向輸入的曼徹斯特碼字以很高的速率提供時鐘恢復和優(yōu)異的抗干擾能力。HD-6408使用在很多商業(yè)應用場合,例如安全系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)及串行數(shù)據(jù)鏈等。它的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1Mb/s,開銷很小,20位中有16位可用來傳輸數(shù)據(jù)。
HD-6409曼徹斯特編解碼器使用原理與HD-6408略有差別,但基本相似。
1.2使用軟件
CPLD編程軟件選擇XilinxFoundation3.1i。該軟件界面友好,功能強大,提供了開發(fā)CPLD所需的整個流程,包括:編輯、綜合、實現(xiàn)、仿真及下載等。該軟件可人工指定引腳,編譯各個子模塊文件,并提供了兩種仿真:功能仿真和時序仿真。其中時序仿真對時序提出了要求,是更嚴格的仿真。
2曼碼控制系統(tǒng)設計
系統(tǒng)中,HD-6408以T2模式(20.8Kb/s)從地面接收數(shù)據(jù),HD-6409以T5模式(93.75Kb/s)向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。
接收時,HD-6408接收外部傳來的曼碼數(shù)據(jù),轉換成NRZ碼在CPLD里進行串并轉換,轉換完成后產(chǎn)生接收中斷,通知單片機取數(shù)據(jù);發(fā)送時,單片機送給CPLD數(shù)據(jù),進行并串轉換,移位輸出到HD-6409的輸入端,由HD-6409編碼發(fā)送出去。接收地址和發(fā)送地址均由CPLD解碼產(chǎn)生。HD-6408和HD-6409所需的外部時鐘源,通過CPLD對外部晶振分頻得到。
2.2CPLD內部功能設計
2.2.1系統(tǒng)總體框圖
設計CPLD內部電路時,采用了模塊化設計方法,內含5個模塊:16位串并轉換器、16位并串轉換器、分頻器、解碼器及控制器。系統(tǒng)頂層邏輯框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)頂層邏輯框圖
以上模塊均采用VHDL語言描述??刂破魇呛诵牟糠?,實現(xiàn)對HD-6408接收和HD-6409發(fā)送的時序控制。 2.2.2 HD-6408解碼時序
HD-6408的接收時序如圖2所示。
圖2 HD-6408的接收時序圖
1)引腳定義
VW:輸出字有效信號。DSC:解碼移位時鐘。TD:接收數(shù)據(jù)信號。SDO:串行數(shù)據(jù)輸出。BZI、BOI:雙極性數(shù)據(jù)輸入。
(2)解碼時序過程
解碼器一直監(jiān)視數(shù)據(jù)輸入線,當接收到有效的同步頭和兩個有效的曼徹斯特碼數(shù)據(jù)位后,便開始輸出。當同步頭被識別后,CDS引腳輸出同步的類型:如果接收的是命令,便輸出高并保持16個DSC周期;如果接收的是數(shù)據(jù),就繼續(xù)保持低電平。TD變高,并在SDO輸出NRZ數(shù)據(jù)期間一直為高。SDO輸出一個字后,開始檢驗奇偶位。如果曼徹斯特碼和奇偶位都正確,VW信號輸出高,此時解碼器開始尋找新的同步頭,開始下一個接收周期。接收到新的有效的同步頭和兩個曼徹斯特碼位后,VW信號被復位;否則,在持續(xù)大約20個DSC周期后,VW信號變低。
2.2.3HD-6409發(fā)送時序
HD-6409發(fā)送時序如圖3所示?!?/p>
圖3 HD-6409發(fā)送時序圖
1)引腳定義
SD/CDS:串行NRZ碼數(shù)據(jù)輸入。CTS:清除準備發(fā)送信號。ECLK:編碼時鐘。BZO、BOO:曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)輸出。
?。?)編碼時序過程
CTS信號高無效,低有效。在CTS信號的下降沿,引腳BZO和BOO開始發(fā)送同步序列(8個曼碼“0”組成)。同步序列后就是命令同步脈沖(由1.5位高電平和1.5位低電平組成)。在輸出命令同步脈沖時,NRZ數(shù)據(jù)在ECLK的下降沿通過SD/CDS引腳輸入,這些數(shù)據(jù)編碼后在命令同步序列后持續(xù)輸出。這些碼字沒有奇偶校驗和字結構。編碼數(shù)據(jù)塊的長度由CTS決定。
2.2.4VHDL源程序
控制器的VHDL源文件如下(程序較長,附核心部分):
process(controlcs)beginif(controlcsventandcontrolcs=1)thencontrol_data<=databus;endif;endprocess;
ee08<=resetandcontrol_data(0);lclk595<=nottd08;sclk595<=td08anddsc08;lclk597<=control_data(3)andqq_out;sclk597<=(not(esc08andsd08))and(noteclk09);tdd08<=not(td08);cdss08<=not(cds08);cts09<=control_data(1);load<=(ee_bitor(not(control_data(1))))andqq_out;dr08<=control_data(2);ss08<=control_data(4);mr08<=control_data(5);
信號說明如下:control_data——8位控制寄存器;controlcs——控制寄存器片選信號,低有效;mr08——hd-6408的主復位信號,高有效;dr08——hd-6408的編碼器復位信號,高有效;ee08——hd-6408的使能信號,高有效;ss08——編碼同步頭選擇;cts09——hd-6409的使能信號,低有效;lclk595——串并轉換器的載入數(shù)據(jù)信號;sclk595——串并轉換器的時鐘信號;lclk597——并串轉換器的載入數(shù)據(jù)信號;sclk597——并串轉換器的時鐘信號;load——16位計數(shù)器載入初值信號;qq_out——16位邊界指示器;tdd08——觸發(fā)中斷信號。
3仿真與實現(xiàn)
本系統(tǒng)采用Xilinx公司生產(chǎn)的XC95144芯片,使用XilinxFoudation3.1i軟件進行開發(fā)。所用VHDL程序通過時序仿真和下載后,觀察波形并進行實際驗證,可以正確地接收和發(fā)送曼徹斯特碼,符合設計要求。
4結論
本系統(tǒng)時序配合嚴格,運行可靠,易于修改;可以根據(jù)需要,靈活地加入各種各樣的使用曼徹斯特碼通信的系統(tǒng)中。