【doc】基于FPGA的曼彻斯特码编解码器的实现

【doc】基于FPGA的曼彻斯特码编解码器的实现 基于FPGA的曼彻斯特码编解码器的实现 2011年第25卷第5期 石油仪器 PETR0LEUMINSTRUMENTS ? 计算机与通讯技术? 基于FPGA的曼彻斯特码编解码器的实现 王铁男 (测试技术服务分公司监测技术研发中心黑龙江大庆) 摘要:文章介绍了用FPGA设计实现的曼彻斯特码编解码器.该设计采用VerilogHDL硬件描述语言编程,同时用 Synptify进行综合,用Active—HDL进行仿真,将该模块与脉冲中子能谱测井仪通讯系统对接,取代了HD15530曼彻斯特 码编解码器,降低了仪器制造和维护成本,降低了功耗,提高了系统可靠性. 关键词:FPGA;曼彻斯特码;硬件描述语言 中图法分类号:P631.8+3文献标识码:B文章编号:1004.9134(2011)05—0071.03 O引言 在油田测井中,很多种仪器都采用曼彻斯特码将 所采集的大量信息传送给地面测井系统.曼彻斯特编 码是串行数据传输的一种重要的编码方式,具有很好 的抗干扰性能,通常情况下通过HD15530曼彻斯特码 编译码器来实现.利用FPGA来实现HD15530的功 能可以提高系统的集成度,降低功耗,增加系统设计的 灵活性,缩短设计时间以及减少系统开发的成本.另 外,由于国外HD15530生产厂家限产,国内该芯片价 格昂贵,致使目前测井仪器制造和维护成本增加,更增 加了用FPGA来实现其逻辑功能的迫切性. 1VerilogHDL硬件描述语言 VerilogHDL是目前应用最为广泛的硬件描述语 言,可以在算法级,门级到开关级的多种抽象设计层次 上对数字系统建模,然后利用电子设计自动化工具进 行仿真,再自动综合到门级电路,最后用FPGA实现其 功能.VerilogHDL进行设计最大的优点是其工艺无 关性.这使得工程师在功能设计,逻辑验证阶段可以 不必过多考虑门级及工艺实现的具体细节,只需根据 系统设计的要求施加不同的约束条件,即可设计出实 际电路J. 2曼彻斯特码编解码器的总体设计 变原来通讯电路的情况下,将该模块与脉冲中子能谱 测井仪通讯系统对接,实现了用FPGA替代HD15530 的目的. 曼彻斯特码是对每个二进制代码分别利用2个具 有不同相位的二进制新码去取代的码,码型结构如图 1所示.编码规则之一是(曼彻斯特码?编码)它在 每个码位中点存在一个跳变.1信号是一个由1到0 的负跳沿,而0信号是由0到1的正跳沿[.其特点 是使用两个电平,既能提供足够的定时分量,又无直流 漂移. 图1曼彻斯特码?编码的码型结构 2.1编码设计与实现 编码过程具体可分为三部分:(1)检测编码周期是 否开始,并辨别同步头信号(命令/数据)产生相应的同 步信号;(2)对16位数据进行编码;(3)附加奇偶校验 位[3]3,编码周期结束.整个编码过程可分为四个状态 实现,其状态转换如图2所示. 图2编码状态转换图 本文的设计遵循曼彻斯特码编译码规则,实现了由于编码方式是用电平的跳变来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示一个码元, HD15530曼彻斯特码编译码器的逻辑功能.在不改因此编码器必须要有一个2倍 频于所传数据速率的时 第一作者简介:王铁男,男,1980年生,工程师,2003年毕业于齐齐哈尔大学自动化系 专业,现在大庆油田测试技术服务分公司监测技术研发中心 地面装备室从事电子电路设计工作.邮编:163453 石油仪器 PETR0LEUMINSTRUMENTS2011年10月 钟.在本文中由编码时钟端输入,当编码移位时钟的 下降沿到来时并且编码使能端为高电平时,编码开始; 这个周期持续40个编码时钟周期;在紧接着的上升 沿,检测同步选择;当同步选择为高电平时,产生一个 命令同步头(111000);同步选择为低电平时,产生一个 数据同步头(000111);然后将串行输入的数据赋值给 FPGA内部寄存器,通过复杂的逻辑变换转化成曼彻 斯特码数据,同时产生16位位移时钟供单片机读取数 据使用. 2.2解码设计与实现 解码的过程分为三个部分:(1)检测同步头;(2) 解码;(3)检验传输是否正确并扣除同步头. 解码的关键在于首先必须检测出同步头,才可以 开始解码周期,所以解码器必须不停地将输入端的数 据与同步头作比较.命令的同步头是111000,而数据 步信号置1;当检测到是数据时,解码器将同步信号置 0;单片机由此来判断它要读的是命令还是数据.检测 到同步头以后,解码器将对后面的数据进行解码,产生 解码位移时钟.每一位解码位移时钟对应解得的一位 数据.单片机通过对解码位移时钟计数并产生的中断 将解得的数据取走. 3曼彻斯特码编解码器仿真 为了提高芯片的性能及资源利用率,要采用专门 的综合软件对设计进行优化及综合.为了确保设计的 可行性,对系统和各模块都进行了功能仿真和时序仿 真.编码和解码时序仿真波形如图3和图4所示.在 对编码模块进行仿真时,输入的数据是"0x1234"见图 6中datain信号.csw—dw—se为高表示命令同步字,输 出端BZO在前6个enc—clk为"111000",输出的曼码 的同步头是000111.当检测到是命令时,解码器将同数据也为"0x1234". iBZ0.0曼彻斯特码厂——]『]厂]厂一1厂]r]厂_厂{厂]广]r]n厂—] IBZ1I;llIll『1fl厂]lf『lf?jr]lllJIlI -T1位移时钟 ]nnn几nn几几厂]几几r]厂]n几 . -- --CSWdwse1同步命令,数据 =datain串行数据 nn广]厂_] R=oncgn厂] R:rstn 图3编码时序仿真波形图 ,-esw— dw步命令/数据 l ,,serialdata1曼彻斯特码 l__]nn厂]n广]门几厂]r_1广]n厂] dataoutl串行输出数据广—]厂—1广——]广—]广一 .TOl位移时钟ll?Il?_l-IIIll?II {悼俏便能R=dec —en1 {译码复位 图4解码时序仿真波形图 在对解码模块进行仿真时,将编码模块的输出的利用率仅为6%,共占用7个脚.测 试时将曼彻斯特 曼彻斯特码作为解码模块的输入信号.图4中serial一码信号与解码模块输入端相 连,通过测量MachXO器 data信号为解码模块输入信号"0x1234".解码模块检件上的输出信号,得到测试的 结果如图5所示.从图 测完同步字后确认为"命令",将CSW—dw置1.在输出 端dataout输出解得的数据为"0x1234". 4FPGA实现及测试 为了检验曼彻斯特码编译码器的设计正确与否, 将程序下载到MachXO器件中.选用的芯片是 LCMX02280C,共144脚.该芯片不但集成了 HD15530的功能,而且还具有脉冲幅度分析(PHA),累 加器(ACC),时序发生器(SYS),FIFO,地址译码器,串 并寄存器和并串寄存器的功能.其中曼码模块的资源图5解码波形图 2011年第25卷第5期王铁男:基于FPGA的曼彻斯特码编解码器的实现?73? 中可以看到解码器的输出,上面的是曼彻斯特码输入 信号,下面的是解码后得到的信号. 从图6中可以看到编码器的输出,头三个字位是 由高到低的同步字头,紧接着是16位数据位,由于输 图6编码波形图 人的是0000H,所以该域都是由低到高跳变的位,最后 的奇校验位是"0",也是由低到高的跳变.这完全符合 曼彻斯特码的编码要求.同时,逻辑分析仪中显示一 个字位时间变为50s.这也符合了传输速率20.83 kb/s的要求. 经过测试,证明采用FPGA的设计成功实现了曼 彻斯特码编译码器的全部功能,设计及实现方法正确. 5结束语 利用FPGA实现曼彻斯特码的编译码,可以取代 专用的曼彻斯特码编解码芯片HD15530,降低了仪器 制造和维护成本,减小了测井仪器数控电路板的长度, 提高了系统可靠性.通过设置编,解码器内部控制寄 存器,可以在硬件不变的条件下,通过设置工作方式控 制字选择不同传输速率,即可挂接到各种曼码遥测短 节,使仪器具有了较好的通用性. 参考文献 [1][美]SamirPalnitkar.VerilogHDL数字设计与综合[M]. 北京:电子工业出版社,2004 [2]石红梅,姬劳,谢栓勤.用FPGA实现1553B总线接121 中的曼码编解码器[J].单片机与嵌入式系统应用,2004, 11(4) [3]唐剑,王勇.MIL—STD一1553B总线曼彻斯特码编码 器的CPLD实现[J].技术与市场,2008,18(2) (收稿日期:2011—04—02编辑:刘雅铭) (上接第70页) 表1测试数据 2)N量误差 本系统的测量误差主要由2个部分引起,这可以 通过式(2)得出.主要误差由GPS时间和计数晶振本 身引起.由于GPS信号本身时间精度很高,所以这里 不考虑GPS本身引起的误差.那么系统误差主要与 计数器的晶振稳定性和频率有关系.考虑到本系统测 量精度要求优于1s,本系统晶振频率为10MHz有 源,理论误差为2个CLK,由于系统其他误差和温度影 响,实际测量中误差不大于1Its,完全满足设计需要. 5结束语 定期检验数字遥爆系统HV信号和PTB信号的时 差是个非常重要的事情,它是判断震源激发和数据采 集启动是否同步的重要指标,根据该要求我们研制的 检测器采用GPS授时技术,解决了数字遥爆系统检测 精度的问题,还满足编译码器在不同地点也可进行测 试要求,并具有完全的知识产权. 参考文献 [1]李天文.GPS原理及应用[M].北京:科学出版社,2003 [3]崔保延.GPS软件接收机基础[M].北京:电子工业出版 社,2007 [2]SeismicSOtlYceCo.MSP430x13x,MSP430x14x, MSP430xl4xlMIXEDSIGNALMICROCONTROU正R. 2004(资料) [4]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用 [M].北京:北京航空航天大学出版社,2000 [5]SeismicsourceCo.BoomBoxManual,2004(资料) (收稿日期:2011—03—18编辑:高红霞)