基于FPGA的曼徹斯特編解碼器設(shè)計

湯曉曦，尹 蕾，許 晏，陳泉根

（中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621900）

1553B總線是廣泛應(yīng)用于飛機綜合航電系統(tǒng)、外掛物管理與集成系統(tǒng)的總線系統(tǒng)。并逐步擴展到飛行控制等系統(tǒng)及坦克、艦船、航天等領(lǐng)域。我國于1987年頒布了相應(yīng)的軍標GJB289《數(shù)字式時分制指令/響應(yīng)型多路傳輸數(shù)據(jù)總線》。但是由于該標準的核心技術(shù)為歐美公司所壟斷，因此，倘若能夠自主研發(fā)基于1553B總線標準的協(xié)議芯片或產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略和經(jīng)濟意義[1]。隨著可編程邏輯器件的高速發(fā)展，越來越多的設(shè)計者在FPGA、CPLD等的硬件基礎(chǔ)上開展設(shè)計研究。本文基于FPGA的硬件基礎(chǔ)設(shè)計實現(xiàn)了1553B總線中曼徹斯特II型碼的編解碼器。

1 1553B總線

MIL-STD-1553B總線網(wǎng)絡(luò)由終端、子系統(tǒng)和總線傳輸介質(zhì)組成。終端是使數(shù)據(jù)總線和子系統(tǒng)相連接的電子組件。子系統(tǒng)為從多路數(shù)據(jù)總線上接收數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的裝置或功能單元[2]?？偩€控制器（BC）是總線系統(tǒng)組織信息傳輸?shù)慕K端?？偩€監(jiān)視器（BM）是總線系統(tǒng)中指定作接收且記錄總線上傳輸?shù)男畔⒉⒂羞x擇地提取信息以備后用的終端。遠程終端（RT）是總線系統(tǒng)中不作為總線控制器或總線監(jiān)視器的所有終端[3]。

1553B總線的傳輸速度是1 Mb/s，采用曼切斯特Ⅱ型編碼，半雙工工作方式。信號以串行數(shù)字脈沖編碼調(diào)制（PCM）形式在數(shù)據(jù)總線上傳輸。邏輯1為雙極編碼信號1/0，即一個正脈沖繼之一個負脈沖，邏輯0為雙極編碼信號0/1[4]，即一個負脈沖繼之一個正脈沖。

圖1 曼徹斯特II型碼與NRZ碼對比Fig.1 Compare of the Manchester II code and NRZ code

2 1553信號的3種傳輸方式

1553B信息流由一串1553B消息構(gòu)成。1553B消息由命令字、數(shù)據(jù)字、狀態(tài)字組成。所有1553B字都是20 bit[5]長，每個字都應(yīng)是：

3位同步頭+16位數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)位+1位奇偶校驗

3 曼徹斯特解碼器設(shè)計以及仿真結(jié)果

解碼器的工作方式就是從收發(fā)器接收曼徹斯特II型編碼的串行數(shù)據(jù)，然后以并行數(shù)據(jù)的方式送出。而為實現(xiàn)，首先得實現(xiàn)同步頭的檢出，通過同步頭來區(qū)別命令字數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字。然后解碼串行數(shù)據(jù)，通過末尾的奇偶校驗之后，再并行輸出。

圖2 1553B的3種數(shù)據(jù)傳輸格式Fig.2 3 formats of 1553B transmit in

根據(jù)圖2可以得知，1553B的同步頭分為兩種，而根據(jù)1553B協(xié)議，傳輸速率為1 Mb/s，因為一個有效的同步頭占3個bit，它的傳輸時長應(yīng)該為3 000 ns，而因為同步頭前后電平的不同，以數(shù)據(jù)字同步頭為例，分為以下幾種情況[2]。

圖3 數(shù)據(jù)幀同步頭可能出現(xiàn)的情況Fig.3 Possible results of data-frame syncode

解碼部分首先因該由判斷同步頭開始，這里用狀態(tài)機來實現(xiàn)同步頭的檢測，而狀態(tài)機的狀態(tài)變化由在相應(yīng)時間內(nèi)有多少個連續(xù)相同電平的采樣點決定。本次設(shè)計的采樣與解碼時鐘頻率均可采用5 MHz。這樣以一個時鐘上升沿作為采樣點的間隔為200 ns。那么無論同步頭的前半或者后半部分都應(yīng)該采到大于7次，若少于7次，則判定為同步頭檢測失敗，不能進入下一狀態(tài)。而整個同步頭應(yīng)該采樣15次。圖3顯示了數(shù)據(jù)字可能遇到的幾種同步頭的情況。

圖3中A為理想情況的同步頭。在檢測出有效同步頭后即進入數(shù)據(jù)接收解碼狀態(tài)。

圖3中B為同步頭開始前一直為低電平的情況，這需要狀態(tài)機在第一個同步頭計數(shù)器采樣到7后如果采集點還為同樣電平則一直將計數(shù)器置7，直道出現(xiàn)跳變再繼續(xù)計數(shù)進入同步頭的后半部分檢測。

圖3中C為在有效頭部頭之前有一個長度大于1 500 ns的干擾信號會直接導(dǎo)致狀態(tài)機進入狀態(tài)字或者數(shù)據(jù)字檢測完畢的狀態(tài)，這時需要在第一次采樣時糾錯，在進入預(yù)計的同步完畢的情況下（其實是誤碼干擾），若第一次采樣的結(jié)果為同1或者（即采集到了同步頭的真正后半部分），則狀態(tài)機修正狀態(tài)從判斷為狀態(tài)字或命令字進入數(shù)據(jù)字（或者從數(shù)據(jù)字進入命令字或者狀態(tài)字），而所采集的第一個誤碼bit的數(shù)據(jù)會在下次采集時被覆蓋。為下面介紹下本次設(shè)計的數(shù)據(jù)采樣方式。

由于1553B使用的是曼徹斯特碼II型碼。不論傳輸?shù)氖?還是1，在該bit中間位置都會產(chǎn)生跳變，所以我用一個寄存器data2將該bit復(fù)制并延后半個bit位。然后同時對原信號data1和延后的data2采樣如下圖所示。

圖4 信號采樣方式Fig.4 Example of data sampling

如果data1為1，data2為 0，即為信號從 0變成1，則解碼結(jié)果為0，反之則為1。在嚴格控制采樣時刻必為data2的前半個電平后，采樣結(jié)果中data1和data2是肯定不同的，倘若出現(xiàn)相同的情況，則必為電平錯誤或者正在傳輸?shù)男盘枮橥筋^。

狀態(tài)字和命令字的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件和示意圖將在圖5中給出。

狀態(tài)機狀態(tài)：idle（空閑）、s0（同步頭前半部分為 0）、s01（同步頭前半部分為 0后半部分為 1）、s01_r（數(shù)據(jù)字采集態(tài)）、s1（同步頭前半部分為 1）、s10（同步頭前半部分為 1后半部分為0、s10_r（命令字或者狀態(tài)字采集態(tài)）。

圖5 狀態(tài)機以及轉(zhuǎn)移條件示意圖Fig.5 State machine indicator

在接收完16 bit的數(shù)據(jù)后，通過最末位bit的奇校驗位校驗完數(shù)據(jù)正確性后，通過并口dataout輸出，至此，一字的解碼采集結(jié)束。

解碼通過串口以數(shù)據(jù)幀輸入16 bit（1110001010001100）仿真時序結(jié)果如圖6所示。

圖6 曼徹斯特解碼Modelsim仿真結(jié)果Fig.6 Modelsim result of Manchester decoder

4 曼徹斯特編碼器設(shè)計以及仿真結(jié)果

本次設(shè)計的曼徹斯特編碼主要由兩部分組成：同步頭生成部分和攜帶信息編碼部分。

4.1 信息編碼部分

根據(jù)1553B協(xié)議分析，在1 Mb/s的傳輸速度下，每個bit的傳輸時長為1 000 ns[6]。而本次編碼的核心思想就是生成一個和同為1 Mb/s的周期信號phase，將并口接收的信號通過移位寄存器從高至低的一位一位的在符合1553B要求的時鐘傳輸速率下與phase進行異或操作，當phase的波形與移位寄存器中的信號異或，若信號為0與之異或，結(jié)果為其本身，而當信號為1與之異或，結(jié)果phase的波形相反，正好符合1553B的傳輸方式。而得到的波形稱之為enc_data。同時需設(shè)置一個busy編碼指示位和bit_count編碼計數(shù)器，分別用來標示當前是否處于編碼階段，能否讀取新的并口數(shù)據(jù)和編碼已經(jīng)進行了多少位。編碼是否完畢來將busy置0來接收新的并口數(shù)據(jù)。其波形如圖7所示。

圖7 phase的波形Fig.7 Shape of phase

4.2 同步頭生成部分

同步頭分為兩種，狀態(tài)字和命令字為一種[7]，數(shù)據(jù)字為一種，這里還是以數(shù)據(jù)字為例。在相應(yīng)的系統(tǒng)時鐘下，設(shè)置一個計數(shù)器，在3 000 ns（一個有效同步頭所占用的時間）內(nèi)計數(shù)，當計數(shù)完成后（生成一個完整的同步頭所需時間結(jié)束），對編碼標志位busy置1（即可以開始數(shù)據(jù)編碼）。而同步頭的生成只需要根據(jù)需要生成的同步頭在1 501 ns的位置跳變電平即可生成。以本次設(shè)計采用的100 MHz的系統(tǒng)時鐘為例，即系統(tǒng)時鐘周期為10 ns，利用一個系統(tǒng)時鐘上升沿敏感觸發(fā)的計數(shù)器，在同步頭前半部分開始時計數(shù)，當計數(shù)到150時，也就是下一時刻在1 501 ns時讓生成波形電平跳變，再持續(xù)150個計數(shù)器時間生成的同步頭的后半部分。而這時具有同步頭的波形叫enc_wave，然后在同步頭生成結(jié)束后（即進入并口數(shù)據(jù)編碼段）將enc_data的波形賦給enc_wave即可。這樣得到的enc_wave即是符合1553B傳輸規(guī)則和速率的串口信號。

下面是并口依次輸入11001001101000011和11100011 10001110后自動生成奇偶校驗位和串口波形的modelsim仿真結(jié)果。

5 結(jié)束語

本設(shè)計根據(jù)曼徹斯特碼型特點，設(shè)計出一種符合MIL-S TD-1553B協(xié)議的曼徹斯特編解碼器。硬件描述語言采用verilog[8]，選用ISE作為硬件綜合工具，Modelsim作為仿真工具，通過準確的時間約束實現(xiàn)了1553B總線曼徹斯特碼[9]編碼器的設(shè)計，通過mealy狀態(tài)機實現(xiàn)了1553B總線曼徹斯特碼解碼器的設(shè)計。與組合邏輯電路實現(xiàn)相比較更具有優(yōu)越性。本模塊已應(yīng)用于基于硬件FPGA來實現(xiàn)1553B總線和光纖總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換板，經(jīng)過驗證，解碼正確。具有很強實用性。

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