基于CPLD器件在時間統(tǒng)一系統(tǒng)中的應(yīng)用

引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對遙測信號的幀結(jié)構(gòu)的可編程度、集成度的要求越來越高，用于時間統(tǒng)一系統(tǒng)的B碼源的設(shè)計也趨于高度集成化。為了適應(yīng)現(xiàn)代靶場試驗任務(wù)的要求，我們采用Altera的CPLD器件，將用于產(chǎn)生B碼的各種門電路集成在一個芯片，通過高度集成的系統(tǒng)可以用于產(chǎn)生標準的串行時間碼向測量設(shè)備發(fā)送，測量設(shè)備對接收到的B碼進行解調(diào)能產(chǎn)生出系統(tǒng)所需的絕對時間和各種控制信號。此B碼產(chǎn)生系統(tǒng)可作為基地設(shè)備檢測調(diào)試用，也可作實踐教學(xué)設(shè)備。

1 IRIG-B碼介紹

在靶場試驗中隨著設(shè)備所需信息量的增加，對標準化時統(tǒng)設(shè)備要求也就越來越高，其中關(guān)鍵的問題之一就是選用什么樣的時間碼。IRIG-B(美國靶場儀器組-B型格式)DC時間碼以其實際優(yōu)越性能，成為時統(tǒng)設(shè)備首選的標準碼型。

IRIG(Inter- Range Instrumentation Group)是美國靶場司令部委員會的下屬機構(gòu)，稱為靶場時間組。IRIG時間標準有兩大類：一類是并行時間碼格式，這類碼由于是并行格式，傳輸距離較近，且是二進制，因此遠不如串行格式廣泛;另一類是串行時間碼，共有六種格式，即A、B、D、E、G、H。它們的主要差別是時間碼的幀速率不同。B碼的主要特點是時幀速率為1幀/s;攜帶信息量大，經(jīng)譯碼后可獲得1、10、100、1000c/s的脈沖信號和BCD編碼的時間信息及控制功能信息;高分辨率;調(diào)制后的B碼帶寬，適用于遠距離傳輸;分直流、交流兩種;具有接口標準化，國際通用。IRIG-B(DC)時間碼格式如圖1所示。其幀速率為1幀 /s，可將1幀(1s)分為10個字，每字為10位，每位的周期均為10ms。每位都以高電平開始，其持續(xù)時間分為3種類型：2 ms(如二進制0碼和索引標志) 、5ms(如二進制1碼)和8ms(如參考碼元，即每秒開始的第一字的第一位;位置標志P0～P9，即每個字的第十位)。第一個字傳送的s是信息，第二個字是min信息，第三個字是h信息，第四、五個字是d(從1月1日開始計算的年積日)。另外，在第八個字和第十個字中分別有3位表示上站和分站的特標控制碼元(參考圖1)。

圖1 IRIG-B(DC)時間碼格式

2 硬件電路設(shè)計

B碼信號是否正確,是否被正確地解調(diào)出來,關(guān)鍵在于能否按照B碼的變化規(guī)律產(chǎn)生預(yù)置信號。本課題的難點在于按照其本身的變化規(guī)律安排好產(chǎn)生B碼的各種時序。

用 9個十進制計數(shù)器級聯(lián)組成時鐘電路，用來產(chǎn)生時間信號--天、時、分、秒信號。四種信號經(jīng)過緩存后順序送入并串轉(zhuǎn)換電路，將并行碼串行輸出，由7個產(chǎn)生時序脈沖的4017級聯(lián)產(chǎn)生B碼所需的三種脈沖形式，經(jīng)過邏輯門的控制將串行輸出的時間碼轉(zhuǎn)化成B碼。將所有計數(shù)器、緩存器、并串轉(zhuǎn)換電路、時序脈沖產(chǎn)生器、各種邏輯門等集成到可編程器件(CPLD)中，即用將一個完整的系統(tǒng)集成到一個芯片中。外圍電路只需一個時鐘電路和上電置數(shù)電路即可。由于采用了可編程器件,用軟件編程可以把一個硬件系統(tǒng)集成到一個芯片中，大大簡化了硬件電路，并且可以對芯片內(nèi)部的電路進行仿真和多次編程，調(diào)試起來很方便。

根據(jù)確定的方案，設(shè)計的硬件電路如圖2所示?？删幊唐骷﨓PM7128SLC84-15內(nèi)部電路如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

圖3 可編程芯片內(nèi)部電路框圖

硬件電路由可編程芯片、主時鐘、置數(shù)電路三部分組成。芯片內(nèi)部電路由365進制計數(shù)器、緩沖電路、并串轉(zhuǎn)換電路、時序脈沖發(fā)生器及邏輯門控制電路組成。

圖 2中，置數(shù)電路將預(yù)置好的時間置入，使得芯片內(nèi)部的365進制計數(shù)器從此時刻開始計數(shù)。主時鐘是頻率為10MHz的晶振，作為芯片內(nèi)部時序脈沖發(fā)生器的時鐘信號?？删幊绦酒瑑?nèi)部電路設(shè)計是本課題設(shè)計的核心。圖3中，時序脈沖發(fā)生器由七級4017級聯(lián)而成，由外輸入時鐘作為第一級的時鐘。第七級產(chǎn)生的秒信號作為365進制計數(shù)器的時鐘，該計數(shù)器組由九個十進制同步計數(shù)器74LS162組成，輸出7位二進制形式的秒信號，7位分信號，6位時信號，10位天信號(分為低八位和高二位天信號兩組)。輸出的時間信號送至緩沖器，由時序脈沖發(fā)生器的第六級輸出周期為100ms的時鐘信號作為緩沖器的內(nèi)部時鐘，將緩沖過的時間信號以B碼的格式順序送入并串轉(zhuǎn)換電路。并串轉(zhuǎn)換電路的置位信號由時序脈沖發(fā)生器第六級的Q8提供，每100ms將輸入的時間信號鎖存一次，時序脈沖發(fā)生器的第五級輸出的周期為10ms的時鐘作為并串轉(zhuǎn)換的時鐘，將并行數(shù)據(jù)串行輸出。時序脈沖發(fā)生器通過邏輯門的控制產(chǎn)生了B碼的三種脈沖形式：第一種是高電平為2 ms ，低電平為8ms的脈沖(代表邏輯0);第二種是高、低電平均為5 ms的脈沖(代表邏輯1);第三種是高電平為8 ms ，低電平為2ms的脈沖(作為位置識別標志和參考碼元)。并串轉(zhuǎn)換輸出的串行碼經(jīng)過邏輯門的控制，碼?1轉(zhuǎn)化為B碼脈沖的第一種形式，碼元0轉(zhuǎn)化為 B碼脈沖的第二種形式，即將二進制的時間信號轉(zhuǎn)變成為B碼形式。參考碼元、時間碼元、位置識別標志綜合在一起作為真正的B碼輸出。 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

3 主要單元電路設(shè)計

3.1 置數(shù)電路

根據(jù)課題要求，電路應(yīng)具有置數(shù)功能。置數(shù)電路如圖 4 所示，改進后的置數(shù)電路如圖 5所示。

圖4 置數(shù)電路

圖5 改進的置數(shù)電路

將預(yù)置的天、時、分、秒在上電的同時置入各個計數(shù)器中。由于計數(shù)器74LS162是同步計數(shù)器，要求置數(shù)脈沖有效時(低電平有效)至少有一個時鐘的上升沿。

計數(shù)器的時鐘是由時序脈沖發(fā)生器提供的秒信號，為了保證在置數(shù)脈沖有效時存在一個時鐘上升沿，對秒信號作如下改進：

輸入信號clka 由時序脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，輸出信號clk 作為365進制計數(shù)器的時鐘。輸入輸出波形關(guān)系如圖 6所示。

圖6 置數(shù)電路波形圖

3.2 可編程芯片EPM7128SLC84-15內(nèi)部電路

本部分采用層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計，由底層到頂層將復(fù)雜的電路模塊化，最后生成一個頂層模塊。圖7 表示內(nèi)部電路的層次結(jié)構(gòu)。

圖7 層次結(jié)構(gòu)圖

最底層的四個模塊分別包含四部分較復(fù)雜的電路，將四個模塊分為兩組，又生成較高層的模塊t1和t2，模塊t1和t2最終生成最頂層的模塊。采取模塊化設(shè)計的優(yōu)點在于可以由底層到頂層對每一個模塊分別進行仿真，有利于各個模塊間時序的配合。

(1)t2模塊

365進制計數(shù)器

該部分電路由九個十進制同步計數(shù)器 74LS162級聯(lián)而成，稱為計數(shù)鏈,生成的模塊形式如圖 8所示。

圖8 計數(shù)器模塊 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

緩沖電路

它的功能是將計數(shù)器輸出的5組時間信號以B碼的格式交替輸出。緩沖電路生成的模塊如圖 9所示。

圖9 緩沖電路模塊圖

為簡單起見，用VHDL語言描述如下:

t2模塊是由計數(shù)器和緩沖電路合成的較高層的模塊。這個模塊的功能是置數(shù)后計數(shù)器從此時刻開始按秒計數(shù)，將時間信號以B碼的格式并行輸出。兩個模塊的連接情況如圖10所示，t2模塊如圖 11 所示。

圖10 t2模塊內(nèi)部電路

圖11 t2模塊

(2)t1模塊

并串轉(zhuǎn)換電路

由于B碼是串行碼，須將t1模塊輸出的并行數(shù)據(jù)進行并串轉(zhuǎn)換。并串轉(zhuǎn)換電路生成的模塊如圖 12 所示。

圖12 并串轉(zhuǎn)換電路模塊 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

時序脈沖發(fā)生器

該部分電路主要由七個脈沖分配器相級聯(lián)和一些邏輯門控制組成。完成的主要功能有：產(chǎn)生B碼的3種脈沖形式;提供計數(shù)器的時鐘--S信號;提供緩沖電路中計數(shù)器的時鐘--周期100ms;提供并串轉(zhuǎn)換電路的置位信號。時序脈沖發(fā)生器生成的模塊如圖 13所示。

圖13 時序脈沖發(fā)生器模塊

t1 模塊是并串轉(zhuǎn)換電路和時序脈沖發(fā)生器合成的較高層的模塊。這個模塊的功能是將t2模塊輸出的并行時間碼串行輸出，由時序脈沖發(fā)生器輸出各種控制信號對串行碼控制輸出B碼的三類脈沖，同時輸出t2模塊所需的各類時鐘信號。并串轉(zhuǎn)換電路模塊和時序脈沖發(fā)生器模塊的連接情況見圖14，t1模塊見圖 15。

圖14 t1模塊內(nèi)部電路

圖15 t1模塊

(3)t3模塊

t3模塊是由t1、t2兩個模塊構(gòu)成的最頂層的模塊，其內(nèi)部連接如圖16所示。

圖16 t3模塊內(nèi)部電路圖

由圖16可見，t3模塊(圖17)將所有內(nèi)部電路集成，整個電路只有32個輸入端，3個輸出端。將t3模塊直接燒入可編程芯片即可。

圖17 t3模塊 function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

3.3 碼合成電路

可編程芯片輸出了組成B碼的3個分信號，經(jīng)過1個或門后將3個信號合成了B碼信號，如圖18所示。

圖18 合成B碼波形圖

結(jié)語

本設(shè)計的難點在于如何正確地安排好芯片內(nèi)部各個模塊之間的時序。該B碼源通過解調(diào)之后能夠顯示正確的時間，達到了很好的效果。該B碼源最大的特點是電路非常簡單，可靠性較高。通過可編程芯片高度集成了一個系統(tǒng)，克服了以往B碼源電路復(fù)雜的缺點。