基于fpga的曼彻斯特编码器的设计毕业论文设计(编辑修改稿)

基于fpga的曼彻斯特编码器的设计毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

片可以进行流畅的开发、校验。 FPGA 特别适用于正向设计，即从电路原理图或各种硬件描述语言到芯片成品的设计，在这些设计流程中，设计人员对特别底层的硬件知识并不需要特别的了解和掌握，完全可以从功能应用出发，根据任务需求，自顶向下地进行电路设计。 下面我们来看看 FPGA 的设计流程， Quartus II 环境下的 FPGA 设计过程主要包括 5 个步骤： ●设计输入 运用电路原理图输入、 HDL文本输入等方式，表达设计思想，指定所用 HIGA器件的型号，分配其外部管脚。 ●综合 将原理图、 HDL 语言等设计输入翻译成由基本电路逻辑单元组成的连接网表，供布局布线器进行实现。 ●布局布线 根据连接网表文件，进行布局布线的分析和优化，完成 FPGA 器件内、外的虚拟连接。 ●仿真 仿真 分为功能仿真和时序仿真。 功能仿真验证电路功能是否符合设计要求；时序仿真包含了延时信息，能较好反映芯片的工作情况。 南昌航空大学科技学院 20xx 届学士学位论文 6 无错 无错 无错 ●编程和配置 成功编译后，将生成的编程文件下载到目标 FPGA 系统中调试 ；调试成功后，烧写到 FPGA 的配置芯片中。 图 软件开发流程 三、 QuartusⅡ的仿真 仿真分为功能仿真和时序仿真。 通常，功能仿真用于验证电路的功能是否正确。 本次设计主要是在 quartusⅡ 软件中进行功能仿真验证。 仿真的一般步骤如下： ● 新建波形编辑文件； ● 设置 仿真时间区域； ● 保存文件； 建立项目文件 建立设计文件 选芯片，映射管脚 编译下载 文本输入 原理图输入 软件仿真 编译综合 实验成功 有错 有错 有错 南昌航空大学科技学院 20xx 届学士学位论文 7 ● 导入欲观察的信号节点； ● 编辑激励信号； ● 设置数据格式； ● 设置仿真器参数； ● 启动仿真和观察仿真结果。 南昌航空大学科技学院 20xx 届学士学位论文 8 3 曼彻斯特编码原理 1553B数据总线 数据总线是为不同的系统之间提供数据和信息交换的媒介，这就类似于个人计算机和办公自动化系统之间局域网式的互连， MILSTD1553B总线协议是在 1978年诞生于美国国防部的，它早前作为的是一种定义了数据总线电气和协议特性的军事标准。 一、 1553B 的历史发展与应用 MILSTD1553B是一种在航空电子系统中广泛运用的总线协议，它的全称是飞机内部时分命令多路响应数据总线，它的发展可以追溯到 1968年。 美国政府军事部门经过三年的修订，于 1973年 8月公布了 MILSTD1553，这个内部标准的第一个使用者就是 F16战斗机。 而美国国防部 1975年 4月 30日所发布的 MILSTD1553A就是在此基础上不断发展衍变而来，并为 F16战斗机和 AH64A Apache直升机所首先运用。 在此之后，通过一系列现实操作所积累起来的经验，在 1553A的基础上， SAE又加入了许多定义和额外的应用能力于其中，这就是 1553B标准协议，它于 1978年 9月 21日由 SAE公布，一直沿用至今。 不过 1553B也在不断进行着一些改动。 为了将该标准仅仅应用于空军系统， 1980年美国空军曾经对 1553B标准的应用选择实施了诸多限制，但是工业界却普遍认为这样的做法大大低估了 1553B的应用能力，它应该拥有更广泛的使用权限。 现在的 MILSTD1553B 在军用航空电子系统中应用范围非常广泛，比如卫星通信系统、国际空间站的空间地址探寻、大规模交通控制、航空燃料补给等等，甚至包括在了一系列的 发射器和服务器中，比如飞行器和发射器的基本接口。 除此以外，海军的舰艇、潜水艇、陆军的直升机和坦克，这些都用到了 1553B 总线协议；对商业领域来说，地铁、产品制造生产线也已运用到了该标准协议。 二、 1553B数据总线规则 1553B 总线上的信息是以消息 (Message)的形式调制成曼彻斯特码进行传输的。 每条消息最长由 32个字组成，所有的字分为三类 :命令字、数据字和状态字。 每类字的长度为 20 位，有效信息位是 16 位，每个字的前 3 位为单字的同步字头，而最后 1位是奇偶校验位。 有效信息 (16 位 )及奇偶校验位在总线 上以曼彻斯特码的形式进行传输，传输一位的时间为 1 S(即码速率为 1MHz)。 同步字头占 3位，先正后负为命令字和状态字，先负后正为数据字。 在这三种类型的字中，命令字位于每条消 南昌航空大学科技学院 20xx 届学士学位论文 9 息的起始部分，其内容规定了该次传输的具体要求。 1553B 总线曼彻斯特码编码器的主要功能就是把来自外部的并行二进制数据转化为 1553B 总线上传输的串行信息，并且对这些串行数据进行曼彻斯特码编码，再加上同步头和奇偶校验码，使之成为能够以 1553B 总线协议所要求的格式在总线中传输的数据。 前三位同步字头 中 间 16位数据位 最后第 20位奇偶校验位 图 1553B 的数据格式 三、 1553B 总线的传输 1553B 总线能挂 31 个远置终端， 1553B 总线采用指令 /响应型通信协议，它有三种终端类型：总线控制器（ BC）、远程终端（ RT）和总线监视器（ BM）；信息 格式有 BC 到 RT、 RT 到 BC、 RT 到 RT、广播方式和系统控制方式；传输媒介为屏蔽双绞线， 1553B 总线耦合方式有直接耦合和变压器耦合； 1553B 总线为多冗余度总线型拓扑结构，具有双向传输特性，其传输速度为 1Mbps 传输方式为半双工方式，采用曼彻斯特码进行编码传输。 采用这种编码方式是因为适用于变压器耦合，由于直接耦合不利于终端故障隔离，会因为一个终端故障而造成整个总线网络的完全瘫痪，所以其协议中明确指出不推荐使用直接耦合方式。 状态字只能由 RT 发出，它的内容代表 RT 对 BC 发出的有效命令的反馈。 BC 可以根据状态 字的内容来决定下一步采取什么样的操作。 数据字既可以由 BC 传输到某 RT，也可以从某 RT 传输至 BC，或者从某 RT 传输到另一 RT，它的内容代表传输的数据。 1553B 总线上消息传输的过程是 :总线控制器向某一终端发布一个接收 /发送指令，终端在给定的响应时间范围内发回一个状态字并执行消息的接收 /发送。 BC 通过验收 RT 回答的状态字来检验传输是否成功并做后续的操作。 消息是构成 1553B总线通讯的基本单位，如果需要完成一定的功能，就要将多个消息组织起来，形成一个新的结构叫做帧 (Frame)。 完成一个消息的时间称为消息时间 ，两个消息之间的间隔称为消息间隔时间，完成一个帧的时间称为帧时间。 在实际应用中这三种时间都是可以通过编程设置的。 02 位 中间 318 位数据位 19 位 南昌航空大学科技学院 20xx 届学士学位论文 10 曼彻斯特编码原理 曼彻斯特编码 ， 也叫做相位编码 (PE)，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。 在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分 1 和 0，即用正的电压跳变表示 0，用负的电压跳变表示 1。 因此，这种编码也称为相应编码。 由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟，这种编码也称为自同步编码。 曼彻斯特编码电平跳变的规则是：低电 平的中间时刻跳变表示‘ 0’，用高电平中间时刻的跳变表示‘ 1’，如下图 所示。 因而 这样 防止 时钟同步 的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿的模拟链接位错误。 在这个技术下，实际上的二进制数据被传输通过这个电缆，不是作为一个序列的逻辑 1 或 0来发送的。 它具有自同步能力和良好的抗干扰性能。 但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率 只有调制速率的 1/2。 图 曼彻斯特编码 下面是一段数据串行信号 1000100111，在上图中可以看出曼彻斯特编码信号的跳变都发生在中间时刻，它按照曼彻斯特的 编码规则，可以表示 1001100111。 如 下图 所示。 图 信号的曼彻斯特编码 上跳为‘ 0’ 下跳为‘ 1’ 南昌航空大学科技学院 20xx 届学士学位论文 11 发送数据命令 检查周 期 4 系统总体设计 系统设计要求 本课题的设计要求和技术指标： 1． MILSTD1553B 总线上的数据以双相曼彻斯特编码的方式传输。 2．编码器把来自外部的并行二进制数据转化为串行信息。 3. 对串行数据进行曼彻斯特码编码，再加上同步头和奇偶效验位。 4. 能够以 1553B 总线协议所要求的格式在总线中进行 传输。 本毕设毕业圆满的完成了上述任务。 系统 设计思路 根据系统的设计要求，需要解决外部数据的并串转换和数据编码问题，而曼彻斯特编码器是本文的设计重点，思路如下： 在每个周期的开头加同步字头 ,数据输入时，输入时间将持续 16个编码周期，若输入的数据信元为“ 1”，编 码就通过输出一个下降沿来表示，当输入数据为“ 0”时，编码则输出一个上升沿。 数据位输入结束后，编码器将对输入的数据信元进行奇偶校检，如果在输入的数据信元中“ 1”的个数为奇数，编码器输出一个上跳变电平，反之若数据信元中“ 1”的个数为偶数则输出一个下跳变电平，如图。 图 编码器设计思路 生成同步字头 码型转换 移位及奇偶校验 南昌航空大学科技学院 20xx 届学士学位论文 12 系统数据输出端 并行数据输入 系统设计框图 根据上述系统的设计要求，系统主要由两大模块组成：并串转换器。