用FPGA器件與VHDL語言實(shí)現(xiàn)曼徹斯特碼編解碼器的設(shè)計(jì)

曼徹斯特碼編碼、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。本文介紹的是MIL-STD-1553B接口中最曼徹斯特碼的編碼和解碼器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可編程器件的廣泛應(yīng)用為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來極大的靈活性，1片FPGA/CPLD芯片可替代上百個IC電路。同時(shí)，Altera公司開發(fā)的MAX+PLUS II和QUARTUS II軟件，是完全集成化的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境；Synplicity公司的Synplify是專門用于FPGA和CPLD的一種優(yōu)秀邏輯綜合工具；VHDL更是一種功能強(qiáng)大的硬件設(shè)計(jì)語言，可用簡潔的代碼描述來進(jìn)行復(fù)雜控制邏輯的設(shè)計(jì)。所這些使得硬件的設(shè)計(jì)如同軟件那樣方便，極大方便了數(shù)字電路的設(shè)計(jì)。所有這些條件都為在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)實(shí)現(xiàn)MIL-STD-1553B協(xié)議接口提供了有利條件。文中所設(shè)計(jì)的編碼、解碼器就是采用硬件描述語言VHDL進(jìn)行編程，用Synplify進(jìn)行綜合，以及采用MAX+PLUS II進(jìn)行時(shí)序仿真，在FPGA上實(shí)現(xiàn)的MIL-STD-1553B總線接口中的曼徹斯特碼編碼、解碼器。

1 1553B總線及其接口功能

MIL-STD-1553B的全稱是：飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線。它用可屏蔽雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，信號是以串行數(shù)字脈沖的形式進(jìn)行傳輸，其數(shù)據(jù)代碼用雙相曼徹特碼的形式來表示，其傳輸速率為1Mb/s。1553B數(shù)據(jù)總線上連接有三種類型的系統(tǒng)：①總線控制器（BC）——控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸；②遠(yuǎn)程終端控制器（RT）——響應(yīng)BC來的命令，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸；③總線監(jiān)視器（BM）——有選擇地接收數(shù)據(jù)總線上的信息并保存之。每個子系統(tǒng)可以通過1553B總線連接到任何一個子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)就是在總線上進(jìn)行傳輸?shù)摹?/p>

在總線上傳輸?shù)挠腥N類型的字：命令字、狀態(tài)字和數(shù)據(jù)字。每種字的字長為20位，有效信息位是16位每個字的前三位為同步字頭，最后一位為奇校驗(yàn)位。有效信息（16位）及奇偶校驗(yàn)位在總線上以曼徹斯特碼的形式進(jìn)行傳輸，每位占的時(shí)間為1μs。同步字頭占三位，或先正后負(fù)（命令字、狀態(tài)字）或先負(fù)后正（數(shù)據(jù)字）。正/負(fù)電平各占1.5μs，即占同位場的一半。由于系統(tǒng)的類型不同，可辨別出命令字和狀態(tài)字，命令字由現(xiàn)行的總線控制器發(fā)出，而狀態(tài)字總是由遠(yuǎn)程終端RT發(fā)出。

作為MIL-STD-1553B總線的接口應(yīng)完成以下功能：①將總線上的串行信息流轉(zhuǎn)換成處理機(jī)可以處理的并行信息或者與之相反；②接收或發(fā)送信息時(shí)，能夠識別或生成標(biāo)準(zhǔn)的1553B信息字和消息；③完成與處理機(jī)之間的信息交換，包括1553B信息地址的分配，命令字（或狀態(tài)字）的譯碼或返回狀態(tài)字、發(fā)送數(shù)據(jù)字等。曼徹斯特碼編解碼器完成的是曼徹斯特碼的編碼及解碼，并檢測錯誤。它接收具有有效同步字的曼徹斯特碼，并進(jìn)行譯碼，

以及識別其類型和串/并轉(zhuǎn)換、奇偶校驗(yàn)等；或者將處理器發(fā)出的并行二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特碼編碼，再加上同步字頭及奇偶位使之成為符合1553B標(biāo)準(zhǔn)的字進(jìn)行輸出。

編解碼器是總線接口的一部分。一般說來，1553B總線接口由電平轉(zhuǎn)換電路、曼徹斯特碼編解碼器、命令字/狀態(tài)字譯碼邏輯和CPU及相關(guān)電路組成，如圖1所示。

除了編解碼器可由FPGA來實(shí)現(xiàn)外，它與CPU之間的相關(guān)電路，如共享RAM、命令字/狀態(tài)字譯碼和存儲器管理、處理器與存儲器接口邏輯等也可以由FPGA來實(shí)現(xiàn)；CPU可采用TMS320LF2407。本文所介紹的就是其中的編碼和解碼器的設(shè)計(jì)。

2 曼徹斯特碼編解碼器的總體設(shè)計(jì)

在介紹編解碼器的設(shè)計(jì)之前，有必要了解曼徹斯特碼的特征，以便在設(shè)計(jì)中對其加以利用，達(dá)到簡化電路的效果。

曼徹斯特碼是一種廣泛應(yīng)用于航空電子綜合系統(tǒng)中的總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p極性碼。它在每個碼位中點(diǎn)存在一個跳變。1信號是一個由1到0的負(fù)跳沿，而0信號是由0到1的正跳沿。它本身包含了自定時(shí)的信息。因此它不需要獨(dú)立的信道來傳輸位定信息，它可以直接從數(shù)據(jù)中分離出定時(shí)時(shí)鐘，同時(shí)還能與變壓器耦合相協(xié)調(diào)，十分適合用在變壓器耦合形式，長度為150m（500英尺）左右的場合，因此在航空電子綜合系統(tǒng)中，它是最主要的形式。

在MIL-STD-1553B協(xié)議中其數(shù)據(jù)格式為如圖2所示。

根據(jù)1553B的數(shù)據(jù)格式以及曼徹斯特碼的特點(diǎn)，可采用狀態(tài)機(jī)對其進(jìn)行編碼、解碼的實(shí)現(xiàn)。狀態(tài)機(jī)是一個廣義的時(shí)序電路，像移位寄存器、計(jì)數(shù)器等都算是它的特殊功能類型中的一種。根據(jù)輸入、輸出及狀態(tài)之間的關(guān)系，狀態(tài)機(jī)可分為兩類：一種是輸出狀態(tài)有關(guān)，而輸入與狀態(tài)無在的狀態(tài)機(jī)類型，稱為More狀態(tài)機(jī)；另一種是輸出及輸入與狀態(tài)皆有關(guān)系的狀態(tài)機(jī)，稱為Mealy狀態(tài)機(jī)。本設(shè)計(jì)采用的是Mealy狀態(tài)機(jī)。編碼和解碼是兩個相互獨(dú)立的模塊。

2.1 解碼

解碼的過程可分為三部分：①同步字頭檢測，并辨別其為數(shù)據(jù)字還是命令字。②對曼碼形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。由于曼徹斯特碼自帶定時(shí)時(shí)鐘，故可從數(shù)據(jù)中分離出同步時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)采用的是傳統(tǒng)的用數(shù)字鎖相環(huán)的方法來分離時(shí)鐘；將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理使曼碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為非歸零二進(jìn)制數(shù)據(jù)。③將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。解碼器的邏輯圖如圖3所示。圖中data為串行輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)data開始發(fā)生跳變時(shí)進(jìn)行同步頭檢測，若在data發(fā)生變化后檢測到大于一個位時(shí)的高（或低）電平，則認(rèn)為同步頭有效，輸出同步頭類型（comnd）及同步頭檢測位（synerr）（為低電平，若為高電平則表示同步頭有錯）。在同步頭有效后，進(jìn)行時(shí)鐘分離及碼型變換及移位，移位完成后進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，并把數(shù)據(jù)定寫入保持寄存器，此時(shí)rxrdy變?yōu)楦唠娖剑硎緮?shù)據(jù)準(zhǔn)備好可以讀出數(shù)據(jù)。進(jìn)入下一個解碼周期，等待串行輸入數(shù)據(jù)。

該邏輯可由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，可劃分為四個狀態(tài)進(jìn)行：第一個狀態(tài)是空閑狀態(tài)，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)跳變沿時(shí)，進(jìn)入第二個狀態(tài)；第二個狀態(tài)為有效同步字頭檢測狀態(tài)；當(dāng)檢測到有效同步字頭，啟動第三個狀態(tài)，用鎖相環(huán)分離時(shí)鐘，進(jìn)行碼型轉(zhuǎn)換；當(dāng)數(shù)據(jù)有效時(shí)進(jìn)入第四個狀態(tài)，進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換及奇偶校驗(yàn)。其狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示，以下是具體實(shí)現(xiàn)過程。

①同步字頭檢測。當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)跳變沿（下跳沿為命令字，上跳沿為數(shù)據(jù)字）時(shí)，用16MHz時(shí)鐘對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；當(dāng)采集到大于一個位時(shí)的低電平或高電平時(shí)，認(rèn)為同步字頭有效，啟動第二狀態(tài)，進(jìn)行處理。啟動位產(chǎn)生的時(shí)間要注意選擇，這對于消除數(shù)據(jù)中的毛刺和減少數(shù)據(jù)的延時(shí)都很重要。

②碼型轉(zhuǎn)換。檢測到有效同步字后，啟動鎖相環(huán)開始分離時(shí)鐘。此設(shè)計(jì)采用超前-滯后鎖相環(huán)，鎖相環(huán)如圖5所示。

圖5中邊沿檢測器的輸出e是在u2（t）的跳變沿時(shí)產(chǎn)生的窄脈沖，d是c的反相，c、d、e經(jīng)過與門后在f和g形式滯后和超前脈沖。h和g分別用來控制和扣除門和添加門，通過扣除門和除脈沖和通過添加門添加脈沖，它們的和輸出經(jīng)過分頻器2得到c，也即u2（t）就能跟隨u1（t）的相位了。

邊沿檢測器的工作原理是在u1（t）的上跳沿時(shí)放過一個16MHz的時(shí)鐘脈沖，這樣產(chǎn)生的邊沿檢測脈沖e只會在f和g中的一個產(chǎn)生脈沖，也就避免了超前一滯后型數(shù)字鎖相環(huán)存在的相位模糊問題。該鎖相環(huán)的相位鎖定時(shí)間最大為42ns，因此在與數(shù)據(jù)進(jìn)行模二加之前，應(yīng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)，以便消除毛剌。要想完全將毛剌消除還要配合同步字頭檢測時(shí)，啟動位產(chǎn)生時(shí)間的設(shè)置。這在后面毛剌處理中有詳細(xì)的介紹。

③奇偶校驗(yàn)和串行并轉(zhuǎn)換。用移位寄存器可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串/并轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)移位寄存器時(shí)，要注意奇偶位的分離，因此在設(shè)計(jì)寄存器時(shí)需設(shè)置一定的標(biāo)志位，其源代碼如下：

if reset=‘0’then

rsr《=（others=》‘0’）；

--全為零可確保在移位過程中idle為低電平；

rxparity《=‘1’;

--確保在移位過程中idle=0，而在移位結(jié)束時(shí)，idle=1;

tag《=‘0’;

--移位標(biāo)志位設(shè)置，當(dāng)tag=1時(shí)，移位完成；

paritygen《=paritymode；

--為奇校驗(yàn)時(shí)paritymode賦值為1，若為偶校驗(yàn)則設(shè)置為0；

elsif rxclk‘event and rxclk=’1‘then

if idle=’1‘then

rsr《=（others=》’0‘）;

rxparity《=’1‘;

tag《=’0‘;

paritygen《=paritymode;

elsif hunt=’1‘then

tag《=rsr（15）;

rsr（15 downto 1）《=rsr（14 downto 0）;

rsr（0）《=rxparity;

rxparity《=data1;

--進(jìn)行移位，為右移寄存器；

paritypen《=parityegen xor rxparity;

--進(jìn)行奇偶校驗(yàn)；

end if;

end if;

至此曼徹斯特的解碼就完成了，其時(shí)序仿真波形如圖6所示。

畋6中data1.Q時(shí)，進(jìn)行碼型轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。由圖中可以看出采用此種方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)沒有毛刺，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)完全正確。

2.2 編碼

編碼的過程也可分為三部分：①檢測編碼周期是否開始，產(chǎn)生同步字頭；②進(jìn)行串行轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生奇偶校驗(yàn)位；③對16位有效數(shù)據(jù)及奇偶位進(jìn)行編碼，編碼周期結(jié)束。與解碼同理，編碼也由狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

由此狀態(tài)機(jī)可劃分為四個狀態(tài)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，其狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖7所示。

編碼器的輸入時(shí)鐘（mclk）為16MHz。當(dāng)寫信號（wr）為低電平時(shí)，同步頭選擇位（cmnd）為高是怦，開始產(chǎn)生命令字同步字頭；反之，為同步字頭。由于同步字頭的高低電平各占1.5個位時(shí)，所以選取它的發(fā)送時(shí)鐘為2MHz，該時(shí)鐘由mclk八分頻得到。同步字頭產(chǎn)生完成，則發(fā)出控制信號開始移位。移位時(shí)鐘（1MHz）由同步頭生成時(shí)用的時(shí)鐘兩分頻產(chǎn)生。在數(shù)據(jù)移位完成時(shí)自動添加廳偶位。曼碼形成器對數(shù)據(jù)、奇偶位、同步頭進(jìn)行處理形成符合1553B標(biāo)準(zhǔn)的雙極性字tx和ntx，完成后txrdy為高電平，等待下一個數(shù)據(jù)的寫入開始再一次的編碼過程，邏輯框圖如圖8所示。

編碼其實(shí)是解碼的逆過程，其工作原理非常相似，這里就不詳細(xì)介紹了。編碼的時(shí)序仿真波形如圖9所示。

圖9中tx為經(jīng)過編碼后的串行數(shù)據(jù)。采用此種方法進(jìn)行編碼，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)完全正確，并且也不存在毛剌。

3 設(shè)計(jì)中存在的問題及解決辦法

信號在FPGA器件內(nèi)部通過連線和邏輯單元時(shí)，都有一定的延時(shí)。延時(shí)的大小與連線的長短和邏輯單元的數(shù)目有關(guān)。由于這兩方面的因素，多路信號的電平值發(fā)生變化時(shí)，在信號變化的瞬間，組合邏輯的輸出有先后順序。它們并不是同時(shí)變化，而且往往會出現(xiàn)一些不正確的類峰信號，這些類峰信號稱為“毛刺”。另外，F(xiàn)PGA器件與分立元件不同，其內(nèi)部不存在寄生電容電感，這些毛刺將被完整的保留并向下一級傳遞，因此毛刺現(xiàn)象在PLD、FPGA設(shè)計(jì)中尤為突出。消除數(shù)據(jù)中的毛剌是設(shè)計(jì)中的一個重要問題。如果毛刺處理不好，就會影響系統(tǒng)性能甚至引起邏輯錯誤。

本設(shè)計(jì)中消除毛剌采用的方法有：①在有毛剌的輸出端加D觸發(fā)器；②計(jì)數(shù)器采用格雷碼計(jì)數(shù)器。采用D觸發(fā)器是因?yàn)镈觸發(fā)器的D輸入端對毛剌不敏感，只要毛刺不存時(shí)鐘上跳沿時(shí)出現(xiàn)在D輸入端，就不會對輸出產(chǎn)生影響，這樣就可以消除毛刺了。采用格雷碼計(jì)數(shù)器代替普通的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，是因?yàn)楦窭状a計(jì)數(shù)器的輸出每次只有一位數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化，這就消除了競爭冒險(xiǎn)產(chǎn)生的條件，避免了毛刺的產(chǎn)生。例如在解碼器的設(shè)計(jì)中，進(jìn)行碼型變換時(shí)，要將接收時(shí)鐘與接收的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行模2加。因?yàn)闀r(shí)鐘滯后于數(shù)據(jù)，為了消除毛刺要將數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)再進(jìn)行模2加；同時(shí)還要考慮到1553B對時(shí)間的要求（兩個數(shù)據(jù)之間的間隔最小只有1.5μs），因此在時(shí)鐘分離時(shí)就考慮提前進(jìn)行他高。在檢測同步頭時(shí)，一旦其高（或低）電平大于1個位時(shí)的寬度就認(rèn)為同步頭有效，開始進(jìn)行時(shí)鐘分離，這樣就減小了數(shù)據(jù)延時(shí)，可有效節(jié)省時(shí)間。進(jìn)行模2加后，加一D觸發(fā)器可確保完全將毛刺消除。在編碼器設(shè)計(jì)中在串行數(shù)據(jù)輸出端加一D觸發(fā)器，數(shù)據(jù)的毛刺 也被了。另外，在電路的設(shè)計(jì)中盡可能地消除毛刺產(chǎn)生的條件，例如分頻計(jì)數(shù)器采用格雷碼計(jì)數(shù)器。

4 仿真及FPGA實(shí)現(xiàn)

為了確保設(shè)計(jì)的可行性，必須對設(shè)計(jì)進(jìn)行時(shí)序仿真；為了提高芯片的性能及資源利用率，要采用專門的綜合軟件對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、綜合。由此采用Synplify7.1進(jìn)行綜合，采用MAX+PLUS II進(jìn)行時(shí)序仿真。在Synplify中使用有效的代碼，優(yōu)化組合邏輯、減少邏輯延時(shí)等措施來提高整體性能，還進(jìn)行了多個文件的分塊設(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對單個文件進(jìn)行編寫、仿真和優(yōu)化。在用到組合邏輯時(shí)，Synplify會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，編譯后生成的電子設(shè)計(jì)交換格式文件（EDIF）可以在MAX+PLUS II或Quartus II 3.0中進(jìn)行編譯、仿真、分配引腳和其它優(yōu)化處理。因此，采用MAX+PLUS II和Synplify 7.1相結(jié)合對FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化、綜合，可提高系統(tǒng)性能和芯片資源的利用率。

最后本設(shè)計(jì)在Altara公司ACEX1K系列的FPGA（EP1K100Q208-3）芯片上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。對于ACEX系列的芯片，它還支持寄存器配平技術(shù)、流水線操作、復(fù)制邏輯模塊、使用LPM函數(shù)等技術(shù)來提高其整性性能，并針對其特點(diǎn)對設(shè)計(jì)進(jìn)行了最后的優(yōu)化。該編解碼順共占用了218個邏輯單元，占總邏輯資源的4%，這有利于今后對其進(jìn)行完善和功能的添加。其輸入時(shí)鐘為16MHz，數(shù)據(jù)速率為1MHz，編碼和解碼時(shí)序波形分別如圖6所示。

5 總結(jié)及設(shè)計(jì)通用性

該編碼解碼器采用自頂向下和自向上相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，用VHDL語言輸入，用MAX+PLUS II和Synplify分別進(jìn)行仿真、綜合。在設(shè)計(jì)最后，針對器件進(jìn)行了再一次的優(yōu)化，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了系統(tǒng)性能，并且大大提高了芯片資源的利用率。

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單，只要對其讀、寫及同步字頭選擇信號進(jìn)行有效控制，就能使其正常工作。它的設(shè)計(jì)是十分獨(dú)立的。另外，由于選擇器件資源比較豐富，故對其進(jìn)行功能添加也十分方便，只需添加電路設(shè)計(jì)而不必對原有電路進(jìn)行修改。