引言
異步串行通信是現代電子系統中最常用的數據信息傳輸方式之一，一般情況下，為了能夠正確地對異步串行數據進行發送和接收，就必須使其接收與發送的碼元同步，位同步時鐘信號不僅可用來對輸入碼元進行檢測以保證收發同步，而且在對接收的數字碼元進行各種處理等過程中，也可以為系統提供一個基準的同步時鐘。
本文介紹的位同步時鐘的提取方案，原理簡單且同步速度較快。整個系統采用VerilogHDL語言編寫，并可以在CPLD上實現。
位同步時鐘的提取原理
本系統由一個跳變沿捕捉模塊、一個狀態寄存器和一個可控計數器共三部分組成，整個如圖1所示，其中data_in是輸入系統的串行信號，clock是頻率為串行信號碼元速率2N倍的高精度時鐘信號，pulse_out是系統產生的與輸入串行信號每個碼元位同步的脈沖信號，即位同步時鐘。
跳變沿捕捉模塊的輸入也就是整個的輸入data_in和clock。當data_in發生跳變時，無論是上升沿或是下降沿，捕捉模塊都將捕捉所發生的這次跳變，并產生一個脈沖信號clear，這個clear信號所反應的就是輸入信號發生跳變的時刻。然后以它為基準，
就可以有效地提取輸入串行信號的同步時鐘。
狀態寄存器有兩個輸入，分別接跳變沿捕捉模塊的輸出clear和可控計數器的輸出pulse_out，當clear信號的上升沿到來時，此狀態寄存器的輸出k被置1，之后在pulse_out和k信號本身的控制下，k在pulse_out和k信號上產生一個脈沖之后被置0，這個k為一般連接到可控計數器的控制端。
可控計數器是模可變的計數器，在k信號的控制下可以對clock信號進行模為N-2或2N的計數，其三個輸入分別接跳變沿捕捉模塊的輸出clear、狀態寄存器的輸出k和時鐘clock。其中clear信號可以對計數器進行異步清零，k信號可選擇計數的模，當k=1時，計數器的模為N-2，計數滿N-2后即產生輸出脈沖pulse_out，當k=0時，計數器的模為2N，計數滿2N時，產生輸出脈沖pulse_out。
整個系統工作時，當輸入信號data_in發生跳變時，跳變沿捕捉將可以捕捉到這次跳變，并產生一個脈沖信號clear，此clear信號可以將可控計數器的計數值清零，同時將狀態寄存器的輸出k置1，并送入可控計數器中，以使計數器進行模塊為N-2的計數，待計滿后，便可輸出脈沖信號pulse_out，此信號一方面可作為整個系統輸出的位同步時鐘信號，另一方面，它也被接進了狀態寄存器，以控制其輸出k在計數器完成N-2的計數后就變為0，并在沒有clear脈沖信號時使K保持為0，從而使可控計數器的模保持為2N，直到輸入信號data_in出現新的跳變沿并產生新的clear脈沖信號，由以上原理可見，在輸入信號為連“1”或連“0”的情況下，只要系統使用的時鐘信號足夠精確，就可以保證在一定時間里輸出滿足要求的位同步時鐘，而在輸入信號發生跳變時，系統又會捕捉下這個跳變沿并以此為基準輸出位同步時鐘。
位同步時鐘的提取
本系統包括三個部分，一是采用VerilogHDL語言編寫程序，第二步再將每個部分作為一個模塊（module）來編寫，最后通過元件例化的方法將三個模塊連接起來，以完成這個整個系統的設計。
下面是跳變沿捕捉模塊的部分程序，其中Int0為串行輸入信號，PCclk為輸入系統的高精度時鐘信號，本模塊的輸出Pcout對應于圖1中的clear信號，它同時又接入狀態寄存器模塊的Psclr和可控計數器模塊的clr。其仿真結構如圖2所示。
跳變沿捕捉模塊的部分程序如下：
module PcheckCapture （PCout，Int0，PCclk）；
……
reg PCtemp1，PCtemp2；
always@（posedge PCclk） begin
PCtemp1<=Int0；
PCtemp2<=PCtemp1；
end
assign PCout="PCtemp1"＾PCtemp2；
……
狀態寄存器模塊的部分程序如下，其中輸入信號Psclr來自跳變沿捕捉模塊，另一個輸入信號Pss則來自可控計數器的輸出s對應圖1中的pulse_out，輸出信號Psout對應圖1中的k；
module PcheckSreg （Psout，Pss，Psclr）；
……
wire Pstemp；
assign Pstemp=～（Pss&Psout）；
always@（posedge Pstemp or posedge Psclr） begin
if（Psclr==1b1）Psout<=1；
else Psout<=～Psout；
end
……
下面是可控計數器模塊的部分程序，其中三個輸入信號k、clr、clk分別對應于圖1中的k、clear、clock，輸出信號s對應于圖1中的輸出信號pulse_out；
module PcheckCoumter （s，k，clr，clk）；
……
always@（posedge clk or posedge clr）
begin
if（clr==1）begin
s=0；
cnt=0；
end
else begin
if（k==0） begin
if（cnt==2N-1）begin
cnt=0；
s=1；
end；
else begin
cnt=cnt+1；
s=0；
end
end
else begin
if（cnt==N-2）begin cnt="0"；
s=1；
end
else begin
cnt=cnt+1；
s=0；
end
……
…
在頂層模塊中，應對三個模塊進行例化，并在導線相連接，以構成一個完整的系統，此模塊的程序如下：
modulePcheckTop （PTout，PTint，PTclk）；
inout PTout；
input PTint，PTclk；
PcheckCapture a （clear，PTint，PTclk）；
PcheckCounter b （PTout，k，clear，PTclk）；
PcheckSreg
c（k，PTout，clear）；
endmodule
圖3為整個系統的仿真結果。
結束語
本位同步時鐘提取方案已在CPLD器件上進行了仿真實現，通過以上的分析可知，本位同步時鐘的提取方案具有結構簡單、節省硬件資源、同步建立時間短等優點，在輸入信號有一次跳變后，系統出現連“1”連“0”，或信號中斷時，此系統仍然能夠輸出位同步時鐘脈沖，此后，只要輸入信號恢復并產生新的跳變沿，系統仍可以調整此位同步時鐘脈沖輸出而重新同步，此系統中輸入的時鐘信號頻率相對碼元速率越高，同步時鐘的位置就越精確，而當輸入碼元速率改變時，只要改變本系統中的N值系統就可重新正常工作。