一種基于CPLD的曼徹斯特編解碼器設(shè)計

引言

　　雖然計算機(jī)通信的方法和手段多種多樣，但都必須依靠數(shù)據(jù)通信技術(shù)。數(shù)據(jù)通信就是將數(shù)據(jù)信號加到數(shù)據(jù)傳輸信道上進(jìn)行傳輸，并在接收點(diǎn)將原始發(fā)送的數(shù)據(jù)正確地恢復(fù)過來。由于計算機(jī)產(chǎn)生的一般都是數(shù)字信號，因此計算機(jī)之間的通信實(shí)際上都屬于數(shù)據(jù)通信。曼徹斯特碼編解碼器是1553B總線接口中不可缺少的重要組成部分。曼徹斯特碼編解碼器設(shè)計的好壞直接影響總線接口的性能。在數(shù)控測井系統(tǒng)和無線監(jiān)控等領(lǐng)域，曼徹斯特碼編解碼器都有廣泛應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖1所示是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成。在計算機(jī)通信中，通信雙方傳遞的信息必須進(jìn)行量化并以某種形式進(jìn)行編碼后才能進(jìn)行傳輸。機(jī)內(nèi)信號不論采用哪一種編碼方法，它們的基本信號都是脈沖信號，為了減少信號在傳輸媒質(zhì)上的通信帶寬限制，以及噪音、衰減、時延等影響，也由于同步技術(shù)的需要，操作時都需要對簡單的脈沖信號進(jìn)行一些不同的變換，以適合傳輸?shù)男枰?。這樣就會產(chǎn)生許多不同的代碼，通常有不歸零電平(NRZ-L)碼，逢“1”反轉(zhuǎn)(NRZ-1)碼，曼徹斯特碼和差分曼徹斯特等。圖2所示是部分編碼方式的波形圖。

　　由圖2可知，不歸零碼的制碼原理是用負(fù)電平表 
示“0”，正電平表示“1”，其缺點(diǎn)是難以分辨一位的結(jié)束和另一位的開始；發(fā)送方和接收方必須有時鐘同步；若信號中“0”或“1”連續(xù)出現(xiàn)，信號直流分量將累加。這樣就容易產(chǎn)生傳播錯誤。曼徹斯特碼(Manchester)的原理是每一位中間都有一個跳變，從低跳到高表示“0”，從高跳到低表示“1”。這種編碼方式克服了NRZ碼的不足。每位中間的跳變即可作為數(shù)據(jù)，又可作為時鐘，因而能夠自同步。曼徹斯特編碼特點(diǎn)是每傳輸一位數(shù)據(jù)都對應(yīng)一次跳變，因而利于同步信號的提取，而且直流分量恒定不變。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)編碼后，脈沖頻率為數(shù)據(jù)傳輸速度的2倍。差分曼徹斯特碼(Differential Manchester)的原理是每一位中間都有一個跳變，每位開始時有跳變表示“0”，無跳變表示“1”。位中間跳變表示時鐘，位前跳變表示數(shù)據(jù)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是時鐘、數(shù)據(jù)分離，便于提取。

2 曼徹斯特編解碼器的設(shè)計

　　可編程邏輯器件的出現(xiàn)為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計帶來了很大的靈活性．而VHDL (VHSIC HardwareDescription Language)是一種功能強(qiáng)大的硬件設(shè)計語言，可用簡潔的代碼來進(jìn)行復(fù)雜控制邏輯的設(shè)計。為此，本文采用VHDL語言來對曼徹斯特編解碼器進(jìn)行描述，并用Active-HDL進(jìn)行編譯，最后用Synplify進(jìn)行綜合。

2.1 解碼

　　根據(jù)曼徹斯特碼的特點(diǎn)，可將該碼的解碼過程分成三部分：一是啟動解碼時鐘，即通過檢測一個數(shù)據(jù)跳變沿來使能時鐘。二是對曼徹斯特碼形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。三是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。解碼器的邏輯框圖如圖3所示。

　　該邏輯可南進(jìn)程實(shí)現(xiàn)。輸人的時鐘為clkl6x的時鐘，串行的曼徹斯特碼的數(shù)據(jù)與單倍的時鐘相對應(yīng)。首先，串行的曼碼由clk16x的時鐘采樣，之后再將采樣到的數(shù)據(jù)先后存放在兩個寄存器中，當(dāng)兩個寄存器中的值不一致時，即開始解碼過程，從而完成檢測數(shù)據(jù)變化的進(jìn)程。分頻計數(shù)進(jìn)程用來產(chǎn)生clklx，并用分頻計數(shù)的結(jié)果來實(shí)現(xiàn)1／4和3／4點(diǎn)的采樣。根據(jù)曼徹斯特碼的性質(zhì)，對1／4和3／4點(diǎn)采樣可以準(zhǔn)確的恢復(fù)成NRZ碼。此后在clklx的驅(qū)動下，控制字計數(shù)器開始計數(shù)，直到8個clklx之后，計數(shù)器歸零。解碼進(jìn)程則在clkl6x的驅(qū)動下，對1／4和3／4采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，從而得到曼碼相對應(yīng)的NRZ碼。緊接著將解碼得到的每一位NRZ碼移入8位的移位寄存器，當(dāng)控制字寄存器計到8時(即8位移位寄存器溢出的時候)，再將8位NRZ碼一起輸出到數(shù)據(jù)寄存器，最后輸出數(shù)據(jù)寄存器中被解碼好的NRZ碼。

　　圖4所示是采用該設(shè)計的曼徹斯特碼的時序仿真波形，clkl6x采用16 MHz的時鐘，mdi為輸入的曼碼(10101100)。最后輸出dout為十六進(jìn)制AC，這說明該解碼過程是正確的。

2.2 編碼

　　編碼是解碼的逆過程。編碼的過程也可以分為兩部分：一是檢測編碼周期是否開始，以決定產(chǎn)生正跳變沿；二是對串行的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，之后編碼周期結(jié)束。編碼器的輸入時鐘(clk2x)為2MHz。當(dāng)寫信號(wr)為高電平時，開始產(chǎn)生正跳變沿，并使clklx-enable為高電平，這樣，正跳變沿產(chǎn)生完成即開始編碼過程。將clk2x進(jìn)行二分頻可得到clklx，這樣可使歸零制的數(shù)據(jù)(nrz)與clklx相對應(yīng)。此后再在clklx_enable高電平和clk2x正跳變的情況下，將歸零制碼(nrz)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的曼徹斯特碼(meo)。最后，當(dāng)寫信號(wr)為低電平時，以使clklx_enable為低電平，結(jié)束編碼過程。

　　圖5所示其編碼時序仿真波形圖，圖中，clk2x采用2MHz的時鐘，nrz為串行輸入的歸零制碼(10101100)，meo為串行輸出的曼徹斯特碼。由圖可見，從剛開始的跳變沿之后，輸出meo也為10101100，證明編碼過程正確。

3 基于CPLD的曼徹斯特碼實(shí)現(xiàn)

　　為了確保設(shè)計的可行性，操作時必須對設(shè)計進(jìn)行時序仿真。為了提高CPLD芯片的性能及資源利用率，應(yīng)采用專門的綜合軟件來對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和綜合。本設(shè)計采用Synplify7.3進(jìn)行綜合，并采用Active-HDL6.1進(jìn)行時序仿真。在Synplify中使用有效的代碼可以優(yōu)化組合邏輯、減少邏輯延時，從而提高整體性能。此外，本設(shè)計還進(jìn)行了多個文件的分塊設(shè)計，然后將這些文件映射到頂層文件進(jìn)行綜合，并運(yùn)用VHDL對單個文件進(jìn)行編寫、仿真和優(yōu)化。在用到組合邏輯時，Syn-plify會盡量避免鎖存器的出現(xiàn)，節(jié)省邏輯單元。Synplify和其它綜合軟件一樣，編譯后所生成的電子設(shè)計交換格式文件(EDIF)可以在Active-HDL中進(jìn)行編譯、仿真、分配引腳和其它優(yōu)化處理。因此，采用Active-HDL6.1和Synplify7.3相結(jié)合對CPLD進(jìn)行設(shè)計、優(yōu)化、綜合，可以提高系統(tǒng)性能和 
芯片資源的利用率。

　　CPLD(Complex Programmable Logic Device復(fù)雜可編程邏輯器件)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為“與或陣列”。該結(jié)構(gòu)來自于典型的PAL、GAL器件結(jié)構(gòu)。由于任意一個組合邏輯都可以用“與一或”表達(dá)式來描述，所以該“與或陣列”結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)大量的組合邏輯功能。CPLD和FPGA的主要區(qū)別如下：

(1) 布線能力

　　CPLD內(nèi)連率高，不需要人工布局布線來優(yōu)化速度和面積，較FPGA更適合于EDA芯片設(shè)計的可編程驗(yàn)證；

(2) 延遲可預(yù)測能力

　　CPLD連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了時序延時是均勻的和可預(yù)測的，而FPGA的分段式布線結(jié)構(gòu)則決定了其不可預(yù)測時間延遲；

(3) 集成度的不同

　　CPLD的集成度一般在500～50000門。而FP-GA的集成度一般在1K～10M門；

(4) 應(yīng)用范圍的不同

　　CPLD邏輯能力強(qiáng)而寄存器少，適用于控制密集型系統(tǒng)，而FPGA邏輯能力較弱但寄存器多，適于數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng)。

　　CPLD和FPGA的共同優(yōu)點(diǎn)一是規(guī)模越來越大，實(shí)現(xiàn)功能越來越強(qiáng)，同時可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。二是研制開發(fā)費(fèi)用低，不承擔(dān)投片風(fēng)險，使用方便。三是通過開發(fā)工具在計算機(jī)上完成設(shè)計，電路設(shè)計周期短，同時不需要設(shè)計人員了解很深的IC知識，EDA軟件易學(xué)易用。此外通過FPGA和CPLD開發(fā)的系統(tǒng)成熟后，還可以進(jìn)行A-SIC設(shè)計，以形成批量生產(chǎn)。

　　事實(shí)上，本設(shè)計在Xilinx公司的XC9500系列CPLD(xc95108pq100-7)芯片上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。并針對其特點(diǎn)對設(shè)計進(jìn)行了最后的優(yōu)化。該編解碼器共占用了149個邏輯單元，占總邏輯資源的8％，因此，十分有利于今后對其進(jìn)行完善和功能的添加。

4 結(jié)束語

　　本設(shè)計具有一定的通用性，它的邏輯大部分只涉及到編、解碼器本身；而它與外部的接口十分簡單，只要對其讀、寫并對跳變沿信號進(jìn)行有效控制，就能使其正常工作。本設(shè)計十分獨(dú)立，由于選用器件資源比較豐富，故對其進(jìn)行功能添加也十分方便，只需添加電路設(shè)計而不必對原有電路進(jìn)行修改。