引 言
在油田測(cè)井中，井下儀在井下采集大量信息，并傳送給地面測(cè)井系統(tǒng)；但井下儀到地面這段信道的傳輸性能并不好，常用的NRZ碼不適合在這樣的信道里傳輸，而且NRZ碼含有豐富的直流分量，容易引起滾筒的磁化，因而選用了另外一種編碼 ——曼徹斯特碼。曼徹斯特編碼是串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重要的編碼方式。和最常用的NRZ碼相比，曼徹斯特碼具有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，消除了NRZ碼的直流成分，具有時(shí)鐘恢復(fù)和更好的抗干擾性能，這使它更適合于信道傳輸。
但曼徹斯特碼的時(shí)序比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)編解碼器和單片機(jī)的接口需要添加大量的邏輯電路，給電路設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)很多困難。使用CPLD可大大簡(jiǎn)化這一過(guò)程。CPLD（Complex Programmable Logic Devices）具有用戶可編程、時(shí)序可預(yù)測(cè)、速度高和容易使用等優(yōu)點(diǎn)，這幾年得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。上至高性能CPU,下至簡(jiǎn)單的74電路，都可以用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。而且CPLD的可編程性，使修改和產(chǎn)品升級(jí)變得十分方便。用戶可以根
據(jù)原理圖或硬件描述語(yǔ)言自由地設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，然后通過(guò)軟件仿真，事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。PCB完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路，從而大大縮短了設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間，減少了PCB面積，提高了系統(tǒng)的可靠性。
1 選用器件和開(kāi)發(fā)軟件
1.1 選用器件
（1）XC95144
Xilinx公司的XC9500系列產(chǎn)品具有業(yè)界領(lǐng)先的速度，同時(shí)，具有增強(qiáng)引腳鎖定結(jié)構(gòu)和支持全面的IEEE Std. 1149.1 JTAG邊界掃描，向用戶提供了更高的靈活性。XC9500體系由多個(gè)同一功能塊組成，每個(gè)功能塊內(nèi)含18個(gè)宏單元，引腳到引腳速度最快支持到5 ns；支持125 MHz時(shí)鐘速率，I/O口接口電平5 V、3.3 V或兩者皆可。其中XC95144內(nèi)部有144個(gè)宏單元。
?。?）HD-6408和HD-6409
HD-6408和HD-6409是Intersil公司的產(chǎn)品，兩者均是曼徹斯特編解碼器。
HD-6408編碼器轉(zhuǎn)換串行NRZ數(shù)據(jù)（通常來(lái)自移位寄存器）為曼徹斯特編碼，增加一個(gè)同步頭和一個(gè)奇偶位。解碼器識(shí)別這個(gè)同步頭，并判斷出這是數(shù)據(jù)同步，還是命令同步，數(shù)據(jù)解碼后移出NRZ碼（通常送到移位寄存器中）。最后檢查奇偶校驗(yàn)位。如果沒(méi)有編碼或奇偶校驗(yàn)方面的錯(cuò)誤，解碼器將輸出一個(gè)有效信號(hào)，表明接收到一個(gè)有效的字。解碼器能夠向輸入的曼徹斯特碼字以很高的速率提供時(shí)鐘恢復(fù)和優(yōu)異的抗干擾能力。HD-6408使用在很多商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，例如安全系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)及串行數(shù)據(jù)鏈等。它的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 Mb/s，開(kāi)銷(xiāo)很小，20位中有16位可用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。
HD-6409曼徹斯特編解碼器使用原理與HD-6408略有差別，但基本相似。
1.2 使用軟件
CPLD編程軟件選擇Xilinx Foundation 3.1i。該軟件界面友好，功能強(qiáng)大，提供了開(kāi)發(fā)CPLD所需的整個(gè)流程，包括：編輯、綜合、實(shí)現(xiàn)、仿真及 下載等。該軟件可人工指定引腳，編譯各個(gè)子模塊文件，并提供了兩種仿真：功能仿真和時(shí)序仿真。其中時(shí)序仿真對(duì)時(shí)序提出了要求，是更嚴(yán)格的仿真。
2 曼碼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中，HD-6408以T2模式（20.8 Kb/s）從地面接收數(shù)據(jù)，HD-6409以T5模式 ( 93.75 Kb/s)向地面發(fā)送數(shù)據(jù)。
接收時(shí)，HD-6408接收外部傳來(lái)的曼碼數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成NRZ碼在CPLD里進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生接收中斷，通知單片機(jī)取數(shù)據(jù)；發(fā)送時(shí)，單片機(jī)送給CPLD數(shù)據(jù)，進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，移位輸出到HD-6409的輸入端，由HD-6409編碼發(fā)送出去。接收地址和發(fā)送地址均由CPLD解碼產(chǎn)生。HD-6408和HD-6409所需的外部時(shí)鐘源，通過(guò)CPLD對(duì)外部晶振分頻得到。
2.2 CPLD內(nèi)部功能設(shè)計(jì)
2.2.1 系統(tǒng)總體框圖
設(shè)計(jì)CPLD內(nèi)部電路時(shí)，采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，內(nèi)含5個(gè)模塊：16位串并轉(zhuǎn)換器、16位并串轉(zhuǎn)換器、分頻器、解碼器及控制器。系統(tǒng)頂層邏輯框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)頂層邏輯框圖
以上模塊均采用VHDL語(yǔ)言描述?？刂破魇呛诵牟糠郑瑢?shí)現(xiàn)對(duì)HD-6408接收和HD-6409發(fā)送的時(shí)序控制。 2.2.2 HD-6408解碼時(shí)序
HD-6408的接收時(shí)序如圖2所示。
圖2 HD-6408的接收時(shí)序圖
1）引腳定義
VW：輸出字有效信號(hào)。DSC：解碼移位時(shí)鐘。TD：接收數(shù)據(jù)信號(hào)。SDO：串行數(shù)據(jù)輸出。BZI、BOI：雙極性數(shù)據(jù)輸入。
?。?）解碼時(shí)序過(guò)程
解碼器一直監(jiān)視數(shù)據(jù)輸入線，當(dāng)接收到有效的同步頭和兩個(gè)有效的曼徹斯特碼數(shù)據(jù)位后，便開(kāi)始輸出。當(dāng)同步頭被識(shí)別后，CDS引腳輸出同步的類(lèi)型：如果接收的是命令，便輸出高并保持16個(gè)DSC周期；如果接收的是數(shù)據(jù)，就繼續(xù)保持低電平。TD變高，并在SDO輸出NRZ數(shù)據(jù)期間一直為高。SDO輸出一個(gè)字后，開(kāi)始檢驗(yàn)奇偶位。如果曼徹斯特碼和奇偶位都正確，VW信號(hào)輸出高，此時(shí)解碼器開(kāi)始尋找新的同步頭，開(kāi)始下一個(gè)接收周期。接收到新的有效的同步頭和兩個(gè)曼徹斯特碼位后，VW信號(hào)被復(fù)位；否則，在持續(xù)大約20個(gè)DSC周期后，VW信號(hào)變低。
2.2.3 HD-6409發(fā)送時(shí)序
HD-6409發(fā)送時(shí)序如圖3所示?！?/p>
圖3 HD-6409發(fā)送時(shí)序圖
1）引腳定義
SD/CDS：串行NRZ碼數(shù)據(jù)輸入。CTS：清除準(zhǔn)備發(fā)送信號(hào)。ECLK：編碼時(shí)鐘。BZO、BOO：曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)輸出。
?。?）編碼時(shí)序過(guò)程
CTS信號(hào)高無(wú)效，低有效。在CTS信號(hào)的下降沿，引腳BZO和BOO開(kāi)始發(fā)送同步序列（8個(gè)曼碼“0”組成）。同步序列后就是命令同步脈沖（由1.5位高電平和1.5位低電平組成）。在輸出命令同步脈沖時(shí)，NRZ數(shù)據(jù)在ECLK的下降沿通過(guò)SD/CDS引腳輸入，這些數(shù)據(jù)編碼后在命令同步序列后持續(xù)輸出。這些碼字沒(méi)有奇偶校驗(yàn)和字結(jié)構(gòu)。編碼數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度由CTS決定。
2.2.4 VHDL源程序
控制器的VHDL源文件如下(程序較長(zhǎng)，附核心部分)：
process (controlcs)beginif(controlcs vent and controlcs= 1) thencontrol_data <= databus;end if;end process;
ee08 <= reset and control_data(0);lclk595 <= not td08;sclk595 <=td08 and dsc08;lclk597 <=control_data(3) and qq_out;sclk597 <= (not(esc08 and sd08)) and (not eclk09);tdd08 <= not(td08);cdss08 <=not(cds08);cts09 <= control_data(1);load <=(ee_bit or (not(control_data(1))))and qq_out;dr08 <= control_data(2);ss08 <=control_data(4); mr08 <= control_data(5);
信號(hào)說(shuō)明如下：control_data——8位控制寄存器；controlcs——控制寄存器片選信號(hào)，低有效；mr08——hd-6408的主復(fù)位信號(hào)，高有效；dr08——hd-6408的編碼器復(fù)位信號(hào)，高有效；ee08——hd-6408的使能信號(hào)，高有效；ss08——編碼同步頭選擇；cts09——hd-6409的使能信號(hào)，低有效；lclk595——串并轉(zhuǎn)換器的載入數(shù)據(jù)信號(hào)；sclk595——串并轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)；lclk597——并串轉(zhuǎn)換器的載入數(shù)據(jù)信號(hào)；sclk597——并串轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)；load——16位計(jì)數(shù)器載入初值信號(hào)；qq_out——16位邊界指示器；tdd08——觸發(fā)中斷信號(hào)。
3 仿真與實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)采用Xilinx公司生產(chǎn)的XC95144芯片，使用Xilinx Foudation 3.1i軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。所用VHDL程序通過(guò)時(shí)序仿真和下載后，觀察波形并進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，可以正確地接收和發(fā)送曼徹斯特碼，符合設(shè)計(jì)要求。
4 結(jié) 論
本系統(tǒng)時(shí)序配合嚴(yán)格，運(yùn)行可靠，易于修改；可以根據(jù)需要，靈活地加入各種各樣的使用曼徹斯特碼通信的系統(tǒng)中。