基于FPGA的34位串行編碼信號設計與實現(xiàn)

徐國平

（92323部隊102分隊 山東 青島 266100）

新型艦艇或航空系統(tǒng)中所裝電子設備數(shù)量較多，布局緊湊，易造成系統(tǒng)內(nèi)部電磁干擾，普通數(shù)字信號不能夠滿足可靠傳輸?shù)囊?，對普通串行碼進行調(diào)制后傳輸信息，可使信號的抗干擾性能大大增加。RS232、RS422、RS485以及ARINC429等都是電子設備中常用的串行數(shù)據(jù)傳輸標準。

某專用接口裝置采用一種點對點的34位串行編碼數(shù)據(jù)傳輸標準，34位串行編碼經(jīng)耦合變壓器調(diào)制后進行信息傳輸，能夠在惡劣的電磁環(huán)境下可靠傳輸數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)對該接口裝置的測試，研制了針對該裝置的檢測設備，可用于該裝置接口功能的檢查和故障排除。

與其他常用的串行編碼（如異步串行碼等）相比，專用接口裝置所采用的34位串行編碼的格式有所不同，常用串行編碼的收發(fā)大都有專用的芯片來完成，而該類型的34位串行編碼沒有相應的專用收發(fā)芯片直接應用，因此在該專用接口裝置檢測設備研制中，基于FPGA芯片設計了34位串行編碼信號的檢測電路，實現(xiàn)了34位串行編碼信號的可靠收發(fā)。

1 34位串行編碼的格式

專用接口裝置收發(fā)信息使用的34位串行編碼為歸零碼[1]，解決了數(shù)位難以分辨的問題，接收端可以利用編碼自身攜帶的時鐘信息。34位串行編碼的收發(fā)采用耦合變壓器方式，加大了高電平和低電平之間的電位差，有利于提高傳輸?shù)目煽啃?。串行編碼信號高低電平幅度分別為4 V和0 V，一個碼位的高電平脈沖寬度為0.5μs，歸零時間為0.75μs，傳輸速率為800 kbps。為進一步增強通信的可靠性，串行數(shù)據(jù)采用雙線傳輸。傳輸信息時，信息“1”和信息“0”分別由兩個電纜傳輸，稱為信息“1”線和信息“0”線。

對于信息“1”線，數(shù)據(jù)位為“1”時，發(fā)送一個歸零脈沖，數(shù)據(jù)位為“0”時，發(fā)送低電平；信息“0”線則正好相反，數(shù)據(jù)位為“0”時，發(fā)送一個歸零脈沖，數(shù)據(jù)位為“1”時，發(fā)送低電平。連續(xù)發(fā)送兩個34位串行數(shù)據(jù)時，時間間隔最短不得小于4個歸零脈沖周期。

34位串行編碼的前兩位為校驗位，后32位為數(shù)據(jù)位，均是先傳輸?shù)臀弧Ｐｒ炍坏挠嬎惴椒椋?2位串行數(shù)據(jù)經(jīng)過模3運算后，取反碼的值即為校驗位。以圖1說明34位串行碼的格式。圖1中要傳輸?shù)?2位數(shù)據(jù)為0X8000FF7E，該數(shù)值經(jīng)過模3運算后，值為0X10，該值取反碼后為0X01，即是校驗位。

圖1 34位串行編碼信號示意圖Fig.1 Illustration of the 34 bits serial code signal

2 34位串行編碼收發(fā)模塊的設計與實現(xiàn)

專用接口裝置的檢測設備能夠?qū)崿F(xiàn)34位串行編碼的收發(fā)，用以驗證專用裝置的接口功能是否正常，檢測設備的總體結構圖見圖2。實現(xiàn)34位串行編碼的可靠收發(fā)是研制檢測設備的關鍵技術。在分析34位串行編碼格式的基礎上，基于FPGA芯片EP2C8研制了核心模塊，模塊可以接收上位控制計算機的命令，完成34位串行編碼數(shù)據(jù)的收發(fā)。核心模塊前端的信號調(diào)理電路包括發(fā)送信號時的電流驅(qū)動電路、接收信號時的高速比較器電路以及雙耦合變壓器[2]。

圖2 檢測設備總體結構圖Fig.2 Structure diagram of the test device

實現(xiàn)34位串行編碼的收發(fā)需要設計34位串行碼的同步時鐘提取電路，通過移位寄存器進行收發(fā)，發(fā)送數(shù)據(jù)校驗位的產(chǎn)生和接收數(shù)據(jù)校驗位的驗證需要用到運算模塊，電路設計比較復雜，所需硬件較多，而且由于34位編碼傳輸速率較高，為了保證收發(fā)可靠、不漏碼，從功能和實現(xiàn)成本上考慮，在電路設計上，采用了大規(guī)模可編程邏輯芯片[3]實現(xiàn)34位串行編碼信號的接收和發(fā)送。所用FPGA芯片為Altera公司的CycloneⅡ系列中的EP2C8，該芯片內(nèi)核電壓為1.2 V，輸入輸出口為3.3 V邏輯電平，功耗很低。核心模塊設計采用原理圖輸入和VHDL語言相結合的方式，利用QuartusⅡ軟件和SignalTap功能進行邏輯電路的開發(fā)和調(diào)試。

2.1 34位串行編碼的接收

34位串行編碼接收模塊結構圖見圖3。在接收34位串行碼時，首先要對接收信號進行解調(diào)，來自耦合變壓器的34位串行碼經(jīng)過高速比較器CMP401電路進行整形處理，轉(zhuǎn)變成普通數(shù)字電路容易處理的單極性歸零碼。

圖3 34位串行編碼接收模塊結構圖Fig.3 Structure diagram of the 34 bits serial code signal receive module

接收34位串行編碼信息需利用串行碼自身攜帶的時鐘信息，將信息“1”和信息“0”的脈沖相或，即可得到移位時鐘（Shift-clk）。接收模塊各節(jié)點信號時序圖如圖4所示。

圖4 接收模塊各節(jié)點信號時序圖Fig.4 Node signal figure of receiver module

在單極性歸零碼合成模塊中，信息“1”和信息“0”分別送到D觸發(fā)器的預置端和清零端，經(jīng)過D觸發(fā)器處理后，產(chǎn)生單極性歸零碼信號（Sd）。將單極性歸零碼信號送入到34位串入并出移位寄存器模塊中，在移位時鐘的作用下，單極性歸零碼信號在串入并出移位寄存器模塊內(nèi)逐位移動，形成34位并行碼，并由鎖存脈沖（Latch）鎖存并行數(shù)據(jù)，校驗位驗證模塊對并行數(shù)據(jù)進行模3校驗位驗證，當校驗位正確時，產(chǎn)生確認脈沖，作為嵌入式控制器SPOC模塊的中斷信號，SOPC模塊響應中斷并執(zhí)行中斷服務程序，讀出并行數(shù)據(jù)，存儲在存儲器中。

串入并出移位寄存器模塊由FPGA芯片的LPM_SHIFTREG（移位寄存器）兆功能實現(xiàn)。校驗位驗證模塊用到了LPM_DIVIDE（除法）和 LPM_COMPARE（比較器）兆功能。

SOPC模塊設計[4]基于NiosⅡ軟核嵌入式微處理器，利用FPGA中的可編程邏輯資源和IP軟核可以方便地構成嵌入式微處理器的接口功能模塊，SOPC模塊包括NiosⅡ處理器、Avalon交換式總線、片內(nèi)外存儲器以及外設模塊等。根據(jù)需要，可對NiosⅡ嵌入式系統(tǒng)裁剪，進行自己定制。SOPC Builder軟件自動生成Avalon總線，用戶可以將處理器、存儲器和其他外設模塊連接起來，形成一個完整的系統(tǒng)。在本部分電路設計中，用到了NiosⅡ嵌入式處理器的片內(nèi)存儲器和中斷功能。

在接收模塊設計中，應著重考慮如何找到34位串行編碼的起始位，這也是保證接收模塊可靠性的關鍵[5-6]。由于兩個相鄰碼位的時間間隔為一個碼位周期，所以可以采用計數(shù)超時方法對移位脈沖進行串行編碼起始位檢測，尋找起始位。起始位檢測模塊主要由計數(shù)器構成。超時門限的設定原則上應大于一個碼位周期，而小于兩個碼位周期。該模塊的輸入時鐘來自分頻模塊的32 MHz高穩(wěn)定晶振。分頻后的輸入時鐘為16 MHz，即以串行編碼傳輸速率20倍的頻率進行超時計數(shù)檢測。

具體電路實現(xiàn)還要考慮串行信號傳輸時產(chǎn)生的信號畸變等因素，上述門限設定原則應有所冗余。從接收到一個碼位到設定的時間門限之間，如果沒有接收到其他碼位，則可認為即將到來的下一個碼位就是一個34位編碼的起始位，此時將串入并出移位寄存器做清零處理，每接收完一個34位串行編碼都應重新找一次起始位。從可靠性考慮，設計了移位時鐘脈沖完整性檢測電路，這樣，即使接收偶爾出現(xiàn)誤碼，也不會影響其他34位串行編碼的接收。

2.2 34位串行編碼的發(fā)送

進行34位編碼發(fā)送時，需要將所發(fā)送的32位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為帶有校驗位的34位并行數(shù)據(jù)。SOPC模塊將32位并行數(shù)據(jù)送入到校驗位運算模塊，計算出兩位校驗位，32位并行數(shù)據(jù)與兩位校驗位送入34位并行編碼合成模塊，合并成34位并行編碼。SOPC模塊發(fā)出使能信號（Enable），使能移位時鐘產(chǎn)生模塊，該模塊產(chǎn)生移位時鐘脈沖（Shift-clk），移位時鐘脈沖經(jīng)過時延電路后，產(chǎn)生歸零同步時鐘脈沖（Rz-clk）。

在移位時鐘脈沖的作用下，34位并行數(shù)據(jù)在并入串出移位寄存器中逐位移出，形成兩路極性相反的非歸零串行編碼（Nrz-code），與34個歸零同步時鐘脈沖相或后，即產(chǎn)生信息“1”和信息“0”的單極性歸零脈沖。單極性歸零脈沖經(jīng)電流驅(qū)動電路后，送入耦合變壓器輸出。在編碼發(fā)送模塊設計時，需要注意歸零同步時鐘脈沖與非歸零串行編碼的時序控制，防止出現(xiàn)“毛刺”信號，這可以采用觸發(fā)器延時的方法實現(xiàn)。34位串行編碼發(fā)送模塊結構圖如圖5所示。

圖5 34位串行編碼發(fā)送模塊結構圖Fig.5 Structure diagram of the 34 bits serial code signal transmitter module

3 結束語

某專用接口裝置采用34位串行編碼與外部設備進行信息交換，該編碼具有抗干擾性強，可靠性高的特點，適用于電磁環(huán)境惡劣情況下的信號傳輸。在該專用接口裝置檢測設備研制中，采用以FPGA芯片為核心的可編程邏輯設計以及SOPC軟核設計技術實現(xiàn)了該類型編碼的接收、發(fā)送電路。試驗表明：設計的34位串行編碼收發(fā)模塊可靠性高，即使在實際測試信號有比較明顯畸變的情況下，收發(fā)也未出現(xiàn)錯誤，功能完全滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)專用接口裝置的接口功能檢測。

[1]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[2]徐虎，馮金福.一種新型抗干擾32位串行編碼及其實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2005，13（9）：998-999.XU Hu，F(xiàn)ENG Jin-fu.Implementation of a new antiinterference 32 bits serial code[J].Computer Measurement&Control，2005，13（9）：998-999.

[3]趙曙光.可編程邏輯器件原理、開發(fā)與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[4]王剛，張瀲.基于FPGA的SOPC嵌入式系統(tǒng)設計與典型實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]潘勃，陳高平，孫曄，等.基于PC/104脈沖高度表綜合檢測系統(tǒng)的研制[J].微計算機信息，2007，23（12-3）：50-51.PAN Bo，CHEN Gao-ping，SUN Ye，et al.The research of military pulsed echo altimeter integrated check-up system based on PC/104[J].Microcomputer Information，2007，23（12-3）：50-51.

[6]敖凱軍，魯浩，李猛.基于數(shù)字信號碼型轉(zhuǎn)換技術的機載電臺地面綜合控制系統(tǒng)的設計 [J].國外電子測量技術，2004（4）：11-13.AO Kai-jun，LU Hao，LI Meng.Design of synthesis ground test system of transmitter-receiver on the fighter based on code switch of digital signal[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2004（4）：11-13.