基于PSoC3 UDB的曼徹斯特編碼及應(yīng)用

摘要：本文介紹使用Cypress的PSoC3 UDB實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編碼，并基于該編碼與LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片TLS3001通信實(shí)現(xiàn)對(duì)LED系列的控制。
關(guān)鍵字：PSoC3, UDB, 曼徹斯特編碼

1, 概述
        在曼徹斯特（Manchester）編碼中，每個(gè)二進(jìn)制位（碼元）的中間都有電壓跳變。用電壓的正跳變表示“0”，電壓的負(fù)跳變表示“1”。由于跳變都發(fā)生在每一個(gè)碼元的中間位置（半個(gè)周期），接收端就可以方便地利用它作為同步時(shí)鐘，因此這種曼徹斯特編碼又稱為自同步曼徹斯特編碼。如圖1所示。


 
                                        圖1，曼徹斯特編碼與邏輯電平對(duì)應(yīng)關(guān)系

        從圖1可以看出曼徹斯特編碼本身并不復(fù)雜，在有些應(yīng)用中可以采用單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)編碼。但若應(yīng)用系統(tǒng)要求較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，比如本文后面介紹的LED控制中要求數(shù)據(jù)傳送速率范圍在100KHz～2MHz時(shí)，用軟件實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編碼可能達(dá)不到速率要求。本文將采用PSoC3 UDB實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編碼，即用Datapath實(shí)際基本控制邏輯，用PLD實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，由于其采用硬件實(shí)現(xiàn)故能達(dá)到速率要求。

        Cypress PSoC3使用基于單循環(huán)流水線的高性能8051內(nèi)核 (67MHz/33MIPS)，提供業(yè)界廣泛采用的5.5V至0.5V電壓范圍和低至200nA的休眠電流，可以滿足極低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。PSoC3的高性能模擬子系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)都擁有可編程通路，允許將任何模擬或數(shù)字信號(hào)（包括可編程時(shí)鐘）分配到任何通用I/O引腳，這為使用者提供了真正的“系統(tǒng)級(jí)”可編程能力。

        UDB（Universal Digital Blocks）是PSoC3可編程數(shù)字系統(tǒng)的核心功能，由PLD和Data path組成，可以創(chuàng)建各種通用外設(shè)和定制化功能。PSoC3的數(shù)字邏輯部分由多個(gè)UDB通過(guò)矩陣和可編程互聯(lián)組成，PSoC3、UDB和Datapath的關(guān)系如下圖2所示。

 

                                              圖2，PSoC3、UDB和Datapath關(guān)系示意圖

2，曼徹斯特模塊設(shè)計(jì)
        采用PSoC3的UDB 實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編碼，就是用Datapath實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制邏輯，在PLD中用Verilog語(yǔ)言描述曼徹斯特模塊功能的過(guò)程。在PSoC Creator中設(shè)計(jì)的曼徹斯特模塊如下所示：
        

         該模塊只有一個(gè)時(shí)鐘輸入和一個(gè)曼徹斯特編碼輸出，要編碼的數(shù)據(jù)是通過(guò)Datapath的FIFO輸入的。Datapath的配置可采用Cypress提供的“Datapaht Configuation Tool”工具實(shí)現(xiàn)，如圖3所示：

 

                                         圖3，Datapath Configuration Tool

         基于Datapath設(shè)計(jì)曼徹斯特模塊的步驟如下：
1），寄存器規(guī)劃
        A0，用做移位寄存器
        F0，用做暫存下一個(gè)數(shù)據(jù)的FIFO，當(dāng)A0為空時(shí)從F0中l(wèi)oad 數(shù)據(jù)到A0
2），狀態(tài)機(jī)
        狀態(tài)機(jī)是曼徹斯特模塊功能的具體實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Verilog語(yǔ)言描述在PLD中運(yùn)行，如圖4所示：
 


                                            圖4，曼徹斯特模塊狀態(tài)機(jī)

         數(shù)據(jù)的每一個(gè)位需要兩個(gè)時(shí)鐘來(lái)產(chǎn)生曼徹斯特編碼輸出，即Shift/NOP或者Load&Shift/NOP過(guò)程。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，verilog語(yǔ)言描述為狀態(tài)機(jī)進(jìn)入IDLE階段并輸出0。

        由于從F0 下載數(shù)據(jù)到A0時(shí)一次只能下載1byte 數(shù)據(jù)，為了保證曼徹斯特編碼頻率的一致性，在每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)移位到最后1bit的同時(shí)從F0下載數(shù)據(jù)到A0，即Load&Shift階段。

3），動(dòng)態(tài)配置區(qū)設(shè)置
        Datapath的動(dòng)態(tài)配置區(qū)功能如表一所示：


        在Datapath Configuration Tool中的設(shè)置如表二所示：
        表二，Datapath動(dòng)態(tài)區(qū)配置


4），靜態(tài)配置區(qū)設(shè)置
        靜態(tài)配置區(qū)設(shè)置比較簡(jiǎn)單，將SHIFT SEL設(shè)置為SL從最高為開始左移；將F0 INSEL設(shè)置為BUS以表示F0作為輸入FIFO；將F0 ASYNC設(shè)置為ASYNC。其在Datapath Configuration Tool中的實(shí)現(xiàn)如圖5所示：
 


                                                        圖5，Datapath靜態(tài)區(qū)配置

3，基于曼徹斯特編碼的LED控制
        這是一個(gè)基于PSoC3 UDB的應(yīng)用，采用前面介紹的曼徹斯特編碼模塊與三通道LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片TLS3001通信以控制LED系列。系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖6所示，其中TLS3001_2與TLS3001_3和TLS3001_1一樣都接有LED燈的。


 
                                                           圖6，LED控制應(yīng)用框圖

        TLS3001 是單線傳輸、三通道LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)置12 位灰階控制的PWM調(diào)制功能。3 個(gè)恒流輸出通道所輸出的電流值不受輸出端負(fù)載電壓影響，并提供恒定一致的輸出電流，用戶可以選擇不同的外接電阻來(lái)調(diào)整輸出電流，調(diào)整范圍從0 到30mA。內(nèi)置電壓調(diào)節(jié)器，使芯片正常工作在5～17V 的較寬電壓范圍內(nèi)，輸出端口最大耐壓達(dá)到17V。

        根據(jù)TLS3001芯片要求，在芯片上電后必須先發(fā)一次同步幀，以便芯片檢測(cè)通訊的波特率。同步幀的格式為：15’b111111111111111+4’b0001+11’b00000000000，在發(fā)送同步幀后必須延時(shí)一段時(shí)間再發(fā)送數(shù)據(jù)幀。在發(fā)送若干幀數(shù)據(jù)后，重新發(fā)送一次復(fù)位幀，等待1ms 之后，再發(fā)送一次同步幀， 以便芯片消除積累誤差， 復(fù)位幀格式為：15’b111111111111111+4’b0100d. 數(shù)據(jù)幀格式為：15’b111111111111111+4’b0010（數(shù)據(jù)頭）+ 第一個(gè)芯片39bit 數(shù)據(jù) + 第二個(gè)芯片39bit 數(shù)據(jù) + …… + 第n 個(gè)芯片39bit 數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)時(shí)序如圖7所示：
 


                                                                 圖7，LED控制時(shí)序

這樣，就使用前面定義的曼徹斯特模塊發(fā)送編碼流，以對(duì)LED燈的控制，控制軟件流程如圖8所示：
 


         圖8，LED軟件控制流程

用示波器觀測(cè)編碼輸出管腳的波形，其時(shí)序完全能滿足TLS3001芯片的要求，如下圖9所示，其中通道2為時(shí)鐘輸出，通道1為Manchester編碼輸出。


                                                             圖9，Manchester編碼波形

4，結(jié)束語(yǔ)
        本文主要介紹了PSoC3的UDB功能，并用UDB實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編碼模塊的過(guò)程。由于其硬件實(shí)現(xiàn)的方式故可輸出很高的編碼頻率。