基于CPLD的ГОСТ18977總線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 瑞,芮國(guó)勝,張 洋

（海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺(tái) 264001）

在現(xiàn)代俄制飛機(jī)上,普遍采用符合俄羅斯ГОСТ18977總線的傳送方式進(jìn)行數(shù)字信息的傳送和交換。該數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)類似于美國(guó)航空無(wú)線電公司 （ARINC）制定的ARINC429傳輸標(biāo)準(zhǔn)。二者數(shù)據(jù)格式及電氣特性一致，其不同之處在于俄式ГОСТ18977標(biāo)準(zhǔn)總線傳輸速率有12 kb/s、48 kb/s、100 kb/s和 250 kb/s 4 種， 而 ARINC429標(biāo)準(zhǔn)總線傳輸速率只有12.5 kb/s和100 kb/s兩種[1]。目前,由于國(guó)內(nèi)尚無(wú)專用的 ГОСТ18977總線芯片,大多ГОСТ18977總線收發(fā)設(shè)備通常采用 ARINC429專用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。而ARINC429芯片無(wú)法完全兼容ГОСТ18977的 4種總線傳輸速率，參考文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)設(shè)置芯片控制字的方法，對(duì)外部時(shí)鐘進(jìn)行分頻以達(dá)到速率匹配的目的。這種硬件分頻的方法只能兼容某一固定傳輸速率，無(wú)法滿足不同傳輸速率設(shè)備之間的通信要求。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CPLD的ГОСТ18977總線收發(fā)系統(tǒng)。該收發(fā)系統(tǒng)利用CPLD進(jìn)行軟件分頻，可兼容不同的總線傳輸速率；并通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)與收發(fā)控制，能夠?qū)崟r(shí)完成總線數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、顯示和存儲(chǔ)功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，采用模塊化結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行劃分。主要功能包括對(duì)從其他機(jī)載設(shè)備到收發(fā)系統(tǒng)的信息的輸入、顯示、存儲(chǔ)，以及從收發(fā)系統(tǒng)到其他機(jī)載設(shè)備的信息的輸出等。根據(jù)其功能可將系統(tǒng)分為中央控制模塊、信息輸入/輸出模塊、帶鍵盤和數(shù)碼管的顯控模塊以及電源模塊等，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用對(duì)STC89C58RD+芯片進(jìn)行指令編程的辦法，并將編寫的指令信息存儲(chǔ)到STC89C58RD+芯片的指令存儲(chǔ)器中。輸入數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)寫入、存儲(chǔ)指令直接存儲(chǔ)到STC89C58RD+芯片的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；輸出數(shù)據(jù)時(shí)，直接通過(guò)讀出等相關(guān)指令從存儲(chǔ)器中提取相關(guān)數(shù)據(jù)并傳送至CPLD，通過(guò)CPLD完成信息時(shí)序控制、并串轉(zhuǎn)換，再輸出至輸入/輸出模塊進(jìn)行信號(hào)的差分編碼和信息波形變換；讀取其他機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)輸入/輸出模塊完成信號(hào)調(diào)理、差分編碼的逆變換,同時(shí)由CPLD完成時(shí)序控制和串/并轉(zhuǎn)換，再送至單片機(jī)，最后由單片機(jī)發(fā)出顯示指令，通過(guò)顯控模塊完成信息的顯示。RAM存儲(chǔ)器用于保存自相鄰模塊獲得的信息，并根據(jù)中央控制模塊的指令將信息傳輸?shù)较噜從K。ROM存儲(chǔ)器用于長(zhǎng)期保存自RAM存儲(chǔ)器獲得的信息,并根據(jù)中央控制模塊的指令將信息傳輸?shù)较噜從K。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央控制模塊

中央控制模塊是該收發(fā)系統(tǒng)的信息控制和處理中心，它直接參與和控制各部分電路的正常工作以及各種信息的處理、傳輸和顯示，起著整個(gè)系統(tǒng)信息處理與控制中心的作用。它包括中央處理器STC89C58RD+和可編程邏輯器件CPLD。

CPLD采用EPM7128SQI100-10可編程邏輯器件[5]。中央處理器通過(guò)其外部總線，與可編程邏輯陣列構(gòu)成的接口電路相聯(lián)系，經(jīng)過(guò)CPLD對(duì)地址、數(shù)據(jù)、總線等信息地址鎖存與緩沖等處理后，完成各種信息的鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示和存儲(chǔ)控制等功能。

RAM存儲(chǔ)器、ROM存儲(chǔ)器矩陣用于存儲(chǔ)256個(gè)24 bit字，采用STC89C58RD+內(nèi)部集成的EEPROM。利用ISP/IAP技術(shù)，將內(nèi)部DATA Flash當(dāng)EEPROM使用。在進(jìn)行256個(gè)24 bit存儲(chǔ)中，采用4個(gè)EEPROM扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)512 B。該方案簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，方便使用[6]。

另外，系統(tǒng)采用12 MHz、24 MHz振蕩器分別作為單片機(jī)和CPLD的時(shí)鐘，CPLD將24 MHz時(shí)鐘經(jīng)分頻后產(chǎn)生96 kHz的時(shí)鐘作為32 bit串行碼發(fā)送和接收的工作時(shí)鐘。CPLD的分頻時(shí)鐘是通過(guò)編程的方式實(shí)現(xiàn)的，可根據(jù)傳輸速率的不同，靈活調(diào)整CPLD的工作時(shí)鐘。

2.2 輸入/輸出模塊

輸入/輸出模塊主要用于與其他機(jī)載設(shè)備的信息交換，完成信息的32 bit串行碼的差分編碼、差分譯碼、波形變換等功能。

在發(fā)送32 bit串行碼時(shí)，由STC89C58RD+準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，并通過(guò)總線通信的方式將數(shù)據(jù)傳遞給CPLD;由CPLD控制輸入模塊將其轉(zhuǎn)換為串行碼，并控制發(fā)送的時(shí)序，碼元寬度為 20 μs，占空比為 50%[7]。輸入模塊的核心是雙極性碼形成模塊,該模塊主要由MAX313模擬開(kāi)關(guān)及由CPLD組合邏輯電路組成的譯碼電路兩部分構(gòu)成,其主要作用是產(chǎn)生所需的32 bit串行雙極性碼。電路圖如圖2所示。

在接收32 bit串行碼時(shí)，首先使信號(hào)J-INA、J-INB分別通過(guò)一個(gè)二極管和一個(gè)三極管，此過(guò)程中信號(hào)被削去負(fù)電平且被反向；再經(jīng)過(guò)一個(gè)CPLD內(nèi)部的“與門”，得到的信號(hào)就是從串行碼信息中提取的時(shí)鐘信號(hào)。由于每個(gè)上升沿正好在時(shí)鐘周期的中間，所以此信號(hào)不僅可以送往單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，而且可以作為CPLD的數(shù)據(jù)的移位脈沖。另外，信號(hào)還經(jīng)過(guò)一個(gè)CPLD內(nèi)部觸發(fā)器，形成需要的單極性歸零碼信號(hào)，完成信號(hào)的接收。當(dāng)完成32 bit串行碼接收后，由CPLD送至單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)控制顯示控制模塊進(jìn)行信息的顯示。編碼接收電路如圖3所示。

2.3 顯示控制模塊

顯示控制模塊由8 bit數(shù)碼管、28個(gè)按鍵和 4個(gè)指示燈構(gòu)成。其中，8 bit數(shù)碼管、28個(gè)按鍵的驅(qū)動(dòng)和控制主要由芯片CH451完成。8 bit數(shù)碼管用于信息的顯示，高6位為數(shù)據(jù)信息，低2位為地址信息；28個(gè)按鍵主要用于16進(jìn)制信息的輸入、設(shè)備狀態(tài)的設(shè)定、輸入按鍵、讀取按鍵功能；4個(gè)指示燈分別對(duì)應(yīng)清除、輸入結(jié)束、寫入、存儲(chǔ)信息指示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分由主程序、發(fā)送子程序和接收子程序構(gòu)成。主程序負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、存儲(chǔ)和顯示的控制，同時(shí)通過(guò)奇偶校驗(yàn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)功能。發(fā)送子程序和接收子程序以對(duì)中斷響應(yīng)的處理為核心，通過(guò)主程序?qū)χ袛嗟恼{(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的功能。

3.1 數(shù)據(jù)接收

在接收狀態(tài)下，主程序不間斷地檢測(cè)接收數(shù)據(jù)線的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)（4個(gè)碼元周期）的高電平時(shí)，開(kāi)始檢測(cè)同步碼；確認(rèn)收到同步碼后，準(zhǔn)備在4個(gè)碼元周期后接收32 bit的數(shù)據(jù)碼，否則繼續(xù)檢測(cè)接收數(shù)據(jù)線的狀態(tài)；間隔4個(gè)碼元周期后，主程序產(chǎn)生接收中斷信號(hào)，開(kāi)始執(zhí)行接收子程序，接收子程序?qū)?2 bit的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)并完成串/并轉(zhuǎn)換，以便主程序的顯控模塊調(diào)用；間隔一個(gè)字周期后，退出接收子程序中斷，再次循環(huán)以上過(guò)程。其流程圖如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

在發(fā)送狀態(tài)下，主程序不間斷地掃描鍵盤的狀態(tài)。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，數(shù)碼管會(huì)顯示相應(yīng)的標(biāo)示；當(dāng)檢測(cè)有發(fā)送的請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，主程序產(chǎn)生發(fā)送中斷信號(hào)，開(kāi)始執(zhí)行發(fā)送子程序；發(fā)送子程序?qū)㈡I盤按下的數(shù)據(jù)信息存入緩沖區(qū)，在完成并/串轉(zhuǎn)換后，將 32 bit的數(shù)據(jù)碼送入發(fā)送數(shù)據(jù)線上；在一個(gè)字周期后，退出發(fā)送子程序中斷；間隔4個(gè)碼元周期后，重新開(kāi)啟發(fā)送子程序，將32 bit的同步碼送入發(fā)送數(shù)據(jù)線上，完成對(duì)同步碼的發(fā)送過(guò)程；在一個(gè)字周期后，退出發(fā)送子程序中斷，再次循環(huán)以上過(guò)程。其流程圖如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)接收流程圖

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

3.3 數(shù)據(jù)同步與糾錯(cuò)

由接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程可知，精確地定位數(shù)據(jù)碼和同步碼間隔的4個(gè)碼元周期的高電平，而不產(chǎn)生錯(cuò)位對(duì)于同步接收數(shù)據(jù)非常重要。CPLD的時(shí)鐘頻率為24 MHz，將其分頻后的100 kHz作為串行碼的工作時(shí)鐘，分頻后的200 kHz作為同步檢測(cè)時(shí)鐘。在同步檢測(cè)時(shí)鐘下，檢測(cè)出16個(gè)高電平的數(shù)據(jù)信號(hào)，即為數(shù)據(jù)信號(hào)的同步頭。同時(shí)，為避免直流電平對(duì)同步頭檢測(cè)的影響，還應(yīng)排除大于4個(gè)碼元周期的偽同步頭。

為了提高數(shù)據(jù)接收的可靠性，本系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信中，通過(guò)奇偶檢驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)功能，將數(shù)據(jù)通信的誤碼率降到最小。數(shù)據(jù)碼的第32位為奇偶檢驗(yàn)位，在發(fā)送時(shí)，若前31位中 1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則檢驗(yàn)位為 0，否則為1；在接收時(shí)，按照同樣的規(guī)則進(jìn)行判定，若校驗(yàn)一致，則表明正確接收，否則通知發(fā)送端重新發(fā)送。其流程圖如圖6所示。

圖6 檢錯(cuò)實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖

4 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)的測(cè)試包括硬件測(cè)試和軟件測(cè)試。硬件測(cè)試主要是在完成PCB板的焊接后，對(duì)板上的元器件進(jìn)行逐一測(cè)試，保證與原理圖一致；并對(duì)焊接情況進(jìn)行檢查，防止出現(xiàn)虛焊、漏焊的情況，進(jìn)而確保系統(tǒng)接口與其他機(jī)載設(shè)備電氣特性的一致性。

軟件測(cè)試采用各模塊聯(lián)調(diào)的方式進(jìn)行。首先用示波器測(cè)試了發(fā)送數(shù)據(jù)的波形接收后的解碼波形，分別如圖7和圖8所示。另外，還測(cè)試了以下功能：(1)接收自其他機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)，并完成顯示功能；(2)將鍵盤輸入的數(shù)據(jù)發(fā)送至其他機(jī)載設(shè)備；(3)將發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM存儲(chǔ)器或ROM存儲(chǔ)器,并完成顯示功能；(4)將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出，并完成顯示功能。上述各功能在實(shí)驗(yàn)室及室外環(huán)境下均做了100次以上的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)均能正確地完成相應(yīng)操作。

該收發(fā)系統(tǒng)充分利用CPLD硬件可編程性、高度集成性等特點(diǎn)，通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)與收發(fā)控制，能夠?qū)崟r(shí)完成總線數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、顯示和存儲(chǔ)功能。與采用專用芯片的實(shí)現(xiàn)方式相比，該系統(tǒng)可兼容不同的總線傳輸速率，且器件的成本較低，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

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