引 言
在油田測井中，井下儀在井下采集大量信息，并傳送給地面測井系統(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據傳輸的一種重要的編碼方式。和最常用的NRZ碼相比，曼徹斯特碼具有很多優(yōu)點。例如，消除了NRZ碼的直流成分，具有時鐘恢復和更好的抗干擾性能，這使它更適合于信道傳輸。
但曼徹斯特碼的時序比較復雜，實現(xiàn)編解碼器和單片機的接口需要添加大量的邏輯電路，給電路設計和調試帶來很多困難。使用CPLD可大大簡化這一過程。CPLD（Complex Programmable Logic Devices）具有用戶可編程、時序可預測、速度高和容易使用等優(yōu)點，這幾年得到了飛速發(fā)展和廣泛應用。上至高性能CPU,下至簡單的74電路，都可以用CPLD來實現(xiàn)。而且CPLD的可編程性，使修改和產品升級變得十分方便。用戶可以根
據原理圖或硬件描述語言自由地設計一個數字系統(tǒng)，然后通過軟件仿真，事先驗證設計的正確性。PCB完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路，從而大大縮短了設計和調試時間，減少了PCB面積，提高了系統(tǒng)的可靠性。
1 選用器件和開發(fā)軟件
1.1 選用器件
?。?）XC95144
Xilinx公司的XC9500系列產品具有業(yè)界領先的速度，同時，具有增強引腳鎖定結構和支持全面的IEEE Std. 1149.1 JTAG邊界掃描，向用戶提供了更高的靈活性。XC9500體系由多個同一功能塊組成，每個功能塊內含18個宏單元，引腳到引腳速度最快支持到5 ns；支持125 MHz時鐘速率，I/O口接口電平5 V、3.3 V或兩者皆可。其中XC95144內部有144個宏單元。
?。?）HD-6408和HD-6409
HD-6408和HD-6409是Intersil公司的產品，兩者均是曼徹斯特編解碼器。
HD-6408編碼器轉換串行NRZ數據（通常來自移位寄存器）為曼徹斯特編碼，增加一個同步頭和一個奇偶位。解碼器識別這個同步頭，并判斷出這是數據同步，還是命令同步，數據解碼后移出NRZ碼（通常送到移位寄存器中）。最后檢查奇偶校驗位。如果沒有編碼或奇偶校驗方面的錯誤，解碼器將輸出一個有效信號，表明接收到一個有效的字。解碼器能夠向輸入的曼徹斯特碼字以很高的速率提供時鐘恢復和優(yōu)異的抗干擾能力。HD-6408使用在很多商業(yè)應用場合，例如安全系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)及串行數據鏈等。它的數據傳輸速率高達1 Mb/s，開銷很小，20位中有16位可用來傳輸數據。
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，功能強大，提供了開發(fā)CPLD所需的整個流程，包括：編輯、綜合、實現(xiàn)、仿真及 下載等。該軟件可人工指定引腳，編譯各個子模塊文件，并提供了兩種仿真：功能仿真和時序仿真。其中時序仿真對時序提出了要求，是更嚴格的仿真。
2 曼碼控制系統(tǒng)設計
系統(tǒng)中，HD-6408以T2模式（20.8 Kb/s）從地面接收數據，HD-6409以T5模式 ( 93.75 Kb/s)向地面發(fā)送數據。
接收時，HD-6408接收外部傳來的曼碼數據，轉換成NRZ碼在CPLD里進行串并轉換，轉換完成后產生接收中斷，通知單片機取數據；發(fā)送時，單片機送給CPLD數據，進行并串轉換，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解碼產生。HD-6408和HD-6409所需的外部時鐘源，通過CPLD對外部晶振分頻得到。
2.2 CPLD內部功能設計
2.2.1 系統(tǒng)總體框圖
設計CPLD內部電路時，采用了模塊化設計方法，內含5個模塊：16位串并轉換器、16位并串轉換器、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語言描述。控制器是核心部分，實現(xiàn)對HD-6408接收和HD-6409發(fā)送的時序控制。 2.2.2 HD-6408解碼時序
HD-6408的接收時序如圖2所示。
圖2 HD-6408的接收時序圖
1）引腳定義
VW：輸出字有效信號。DSC：解碼移位時鐘。TD：接收數據信號。SDO：串行數據輸出。BZI、BOI：雙極性數據輸入。
（2）解碼時序過程
解碼器一直監(jiān)視數據輸入線，當接收到有效的同步頭和兩個有效的曼徹斯特碼數據位后，便開始輸出。當同步頭被識別后，CDS引腳輸出同步的類型：如果接收的是命令，便輸出高并保持16個DSC周期；如果接收的是數據，就繼續(xù)保持低電平。TD變高，并在SDO輸出NRZ數據期間一直為高。SDO輸出一個字后，開始檢驗奇偶位。如果曼徹斯特碼和奇偶位都正確，VW信號輸出高，此時解碼器開始尋找新的同步頭，開始下一個接收周期。接收到新的有效的同步頭和兩個曼徹斯特碼位后，VW信號被復位；否則，在持續(xù)大約20個DSC周期后，VW信號變低。
2.2.3 HD-6409發(fā)送時序
HD-6409發(fā)送時序如圖3所示?！?/p>
圖3 HD-6409發(fā)送時序圖
1）引腳定義
SD/CDS：串行NRZ碼數據輸入。CTS：清除準備發(fā)送信號。ECLK：編碼時鐘。BZO、BOO：曼徹斯特編碼數據輸出。
?。?）編碼時序過程
CTS信號高無效，低有效。在CTS信號的下降沿，引腳BZO和BOO開始發(fā)送同步序列（8個曼碼“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，NRZ數據在ECLK的下降沿通過SD/CDS引腳輸入，這些數據編碼后在命令同步序列后持續(xù)輸出。這些碼字沒有奇偶校驗和字結構。編碼數據塊的長度由CTS決定。
2.2.4 VHDL源程序
控制器的VHDL源文件如下(程序較長，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);
信號說明如下：control_data——8位控制寄存器；controlcs——控制寄存器片選信號，低有效；mr08——hd-6408的主復位信號，高有效；dr08——hd-6408的編碼器復位信號，高有效；ee08——hd-6408的使能信號，高有效；ss08——編碼同步頭選擇；cts09——hd-6409的使能信號，低有效；lclk595——串并轉換器的載入數據信號；sclk595——串并轉換器的時鐘信號；lclk597——并串轉換器的載入數據信號；sclk597——并串轉換器的時鐘信號；load——16位計數器載入初值信號；qq_out——16位邊界指示器；tdd08——觸發(fā)中斷信號。
3 仿真與實現(xiàn)
本系統(tǒng)采用Xilinx公司生產的XC95144芯片，使用Xilinx Foudation 3.1i軟件進行開發(fā)。所用VHDL程序通過時序仿真和下載后，觀察波形并進行實際驗證，可以正確地接收和發(fā)送曼徹斯特碼，符合設計要求。
4 結 論
本系統(tǒng)時序配合嚴格，運行可靠，易于修改；可以根據需要，靈活地加入各種各樣的使用曼徹斯特碼通信的系統(tǒng)中。