在XC9500系列CPLD芯片上實(shí)現(xiàn)曼徹斯特碼編解碼器的設(shè)計(jì)

引言

雖然計(jì)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(hào)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(lái)。由于計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的一般都是數(shù)字信號(hào)，因此計(jì)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(jì)的好壞直接影響總線接口的性能。在數(shù)控測(cè)井系統(tǒng)和無(wú)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(jì)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(hào)不論采用哪一種編碼方法，它們的基本信號(hào)都是脈沖信號(hào)，為了減少信號(hào)在傳輸媒質(zhì)上的通信帶寬限制，以及噪音、衰減、時(shí)延等影響，也由于同步技術(shù)的需要，操作時(shí)都需要對(duì)簡(jiǎn)單的脈沖信號(hào)進(jìn)行一些不同的變換，以適合傳輸?shù)男枰?。這樣就會(huì)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(shí)鐘同步；若信號(hào)中“0”或“1”連續(xù)出現(xiàn)，信號(hào)直流分量將累加。這樣就容易產(chǎn)生傳播錯(cuò)誤。曼徹斯特碼（Manchester）的原理是每一位中間都有一個(gè)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(shí)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(duì)應(yīng)一次跳變，因而利于同步信號(hào)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(gè)跳變，每位開始時(shí)有跳變表示“0”，無(wú)跳變表示“1”。位中間跳變表示時(shí)鐘，位前跳變表示數(shù)據(jù)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)鐘、數(shù)據(jù)分離，便于提取。

2 曼徹斯特編解碼器的設(shè)計(jì)

可編程邏輯器件的出現(xiàn)為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)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(jì)語(yǔ)言，可用簡(jiǎn)潔的代碼來(lái)進(jìn)行復(fù)雜控制邏輯的設(shè)計(jì)。為此，本文采用VHDL語(yǔ)言來(lái)對(duì)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(dòng)解碼時(shí)鐘，即通過檢測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)跳變沿來(lái)使能時(shí)鐘。二是對(duì)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(shí)鐘為clkl6x的時(shí)鐘，串行的曼徹斯特碼的數(shù)據(jù)與單倍的時(shí)鐘相對(duì)應(yīng)。首先，串行的曼碼由clk16x的時(shí)鐘采樣，之后再將采樣到的數(shù)據(jù)先后存放在兩個(gè)寄存器中，當(dāng)兩個(gè)寄存器中的值不一致時(shí)，即開始解碼過程，從而完成檢測(cè)數(shù)據(jù)變化的進(jìn)程。分頻計(jì)數(shù)進(jìn)程用來(lái)產(chǎn)生clklx，并用分頻計(jì)數(shù)的結(jié)果來(lái)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(duì)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(dòng)下，控制字計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到8個(gè)clklx之后，計(jì)數(shù)器歸零。解碼進(jìn)程則在clkl6x的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)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(duì)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(jì)到8時(shí)（即8位移位寄存器溢出的時(shí)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(jì)的曼徹斯特碼的時(shí)序仿真波形，clkl6x采用16 MHz的時(shí)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(cè)編碼周期是否開始，以決定產(chǎn)生正跳變沿；二是對(duì)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(shí)鐘（clk2x）為2MHz。當(dāng)寫信號(hào)（wr）為高電平時(shí)，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(duì)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(hào)（wr）為低電平時(shí)，以使clklx_enable為低電平，結(jié)束編碼過程。

圖5所示其編碼時(shí)序仿真波形圖，圖中，clk2x采用2MHz的時(shí)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(jì)的可行性，操作時(shí)必須對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)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(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和綜合。本設(shè)計(jì)采用Synplify7.3進(jìn)行綜合，并采用Active-HDL6.1進(jìn)行時(shí)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(shí)，從而提高整體性能。此外，本設(shè)計(jì)還進(jìn)行了多個(gè)文件的分塊設(shè)計(jì)，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(duì)單個(gè)文件進(jìn)行編寫、仿真和優(yōu)化。在用到組合邏輯時(shí)，Syn-plify會(huì)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(jì)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(duì)CPLD進(jìn)行設(shè)計(jì)、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(lái)自于典型的PAL、GAL器件結(jié)構(gòu)。由于任意一個(gè)組合邏輯都可以用“與一或”表達(dá)式來(lái)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(lái)優(yōu)化速度和面積，較FPGA更適合于EDA芯片設(shè)計(jì)的可編程驗(yàn)證；

（2） 延遲可預(yù)測(cè)能力

CPLD連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了時(shí)序延時(shí)是均勻的和可預(yù)測(cè)的，而FPGA的分段式布線結(jié)構(gòu)則決定了其不可預(yù)測(cè)時(shí)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(lái)越大，實(shí)現(xiàn)功能越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)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(xiǎn)，使用方便。三是通過開發(fā)工具在計(jì)算機(jī)上完成設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)周期短，同時(shí)不需要設(shè)計(jì)人員了解很深的IC知識(shí)，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(jì)，以形成批量生產(chǎn)。

事實(shí)上，本設(shè)計(jì)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(duì)其特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了最后的優(yōu)化。該編解碼器共占用了149個(gè)邏輯單元，占總邏輯資源的8％，因此，十分有利于今后對(duì)其進(jìn)行完善和功能的添加。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，只要對(duì)其讀、寫并對(duì)跳變沿信號(hào)進(jìn)行有效控制，就能使其正常工作。本設(shè)計(jì)十分獨(dú)立，由于選用器件資源比較豐富，故對(duì)其進(jìn)行功能添加也十分方便，只需添加電路設(shè)計(jì)而不必對(duì)原有電路進(jìn)行修改。