基于CPLD的ГОСТ18977總線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王 瑞,芮國勝,張 洋

（海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺 264001）

在現(xiàn)代俄制飛機(jī)上,普遍采用符合俄羅斯ГОСТ18977總線的傳送方式進(jìn)行數(shù)字信息的傳送和交換。該數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)類似于美國航空無線電公司 （ARINC）制定的ARINC429傳輸標(biāo)準(zhǔn)。二者數(shù)據(jù)格式及電氣特性一致，其不同之處在于俄式ГОСТ18977標(biāo)準(zhǔn)總線傳輸速率有12 kb/s、48 kb/s、100 kb/s和 250 kb/s 4 種， 而 ARINC429標(biāo)準(zhǔn)總線傳輸速率只有12.5 kb/s和100 kb/s兩種[1]。目前,由于國內(nèi)尚無專用的 ГОСТ18977總線芯片,大多ГОСТ18977總線收發(fā)設(shè)備通常采用 ARINC429專用芯片來實現(xiàn)[2]。而ARINC429芯片無法完全兼容ГОСТ18977的 4種總線傳輸速率，參考文獻(xiàn)[3-4]通過設(shè)置芯片控制字的方法，對外部時鐘進(jìn)行分頻以達(dá)到速率匹配的目的。這種硬件分頻的方法只能兼容某一固定傳輸速率，無法滿足不同傳輸速率設(shè)備之間的通信要求。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于CPLD的ГОСТ18977總線收發(fā)系統(tǒng)。該收發(fā)系統(tǒng)利用CPLD進(jìn)行軟件分頻，可兼容不同的總線傳輸速率；并通過CPLD實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計與收發(fā)控制，能夠?qū)崟r完成總線數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、顯示和存儲功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計上，采用模塊化結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的功能進(jìn)行劃分。主要功能包括對從其他機(jī)載設(shè)備到收發(fā)系統(tǒng)的信息的輸入、顯示、存儲，以及從收發(fā)系統(tǒng)到其他機(jī)載設(shè)備的信息的輸出等。根據(jù)其功能可將系統(tǒng)分為中央控制模塊、信息輸入/輸出模塊、帶鍵盤和數(shù)碼管的顯控模塊以及電源模塊等，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)采用對STC89C58RD+芯片進(jìn)行指令編程的辦法，并將編寫的指令信息存儲到STC89C58RD+芯片的指令存儲器中。輸入數(shù)據(jù)時，通過寫入、存儲指令直接存儲到STC89C58RD+芯片的數(shù)據(jù)存儲器中；輸出數(shù)據(jù)時，直接通過讀出等相關(guān)指令從存儲器中提取相關(guān)數(shù)據(jù)并傳送至CPLD，通過CPLD完成信息時序控制、并串轉(zhuǎn)換，再輸出至輸入/輸出模塊進(jìn)行信號的差分編碼和信息波形變換；讀取其他機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)時，通過輸入/輸出模塊完成信號調(diào)理、差分編碼的逆變換,同時由CPLD完成時序控制和串/并轉(zhuǎn)換，再送至單片機(jī)，最后由單片機(jī)發(fā)出顯示指令，通過顯控模塊完成信息的顯示。RAM存儲器用于保存自相鄰模塊獲得的信息，并根據(jù)中央控制模塊的指令將信息傳輸?shù)较噜從K。ROM存儲器用于長期保存自RAM存儲器獲得的信息,并根據(jù)中央控制模塊的指令將信息傳輸?shù)较噜從K。

2 硬件設(shè)計

2.1 中央控制模塊

中央控制模塊是該收發(fā)系統(tǒng)的信息控制和處理中心，它直接參與和控制各部分電路的正常工作以及各種信息的處理、傳輸和顯示，起著整個系統(tǒng)信息處理與控制中心的作用。它包括中央處理器STC89C58RD+和可編程邏輯器件CPLD。

CPLD采用EPM7128SQI100-10可編程邏輯器件[5]。中央處理器通過其外部總線，與可編程邏輯陣列構(gòu)成的接口電路相聯(lián)系，經(jīng)過CPLD對地址、數(shù)據(jù)、總線等信息地址鎖存與緩沖等處理后，完成各種信息的鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示和存儲控制等功能。

RAM存儲器、ROM存儲器矩陣用于存儲256個24 bit字，采用STC89C58RD+內(nèi)部集成的EEPROM。利用ISP/IAP技術(shù)，將內(nèi)部DATA Flash當(dāng)EEPROM使用。在進(jìn)行256個24 bit存儲中，采用4個EEPROM扇區(qū)，每個扇區(qū)512 B。該方案簡化了系統(tǒng)的電路設(shè)計，方便使用[6]。

另外，系統(tǒng)采用12 MHz、24 MHz振蕩器分別作為單片機(jī)和CPLD的時鐘，CPLD將24 MHz時鐘經(jīng)分頻后產(chǎn)生96 kHz的時鐘作為32 bit串行碼發(fā)送和接收的工作時鐘。CPLD的分頻時鐘是通過編程的方式實現(xiàn)的，可根據(jù)傳輸速率的不同，靈活調(diào)整CPLD的工作時鐘。

2.2 輸入/輸出模塊

輸入/輸出模塊主要用于與其他機(jī)載設(shè)備的信息交換，完成信息的32 bit串行碼的差分編碼、差分譯碼、波形變換等功能。

在發(fā)送32 bit串行碼時，由STC89C58RD+準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，并通過總線通信的方式將數(shù)據(jù)傳遞給CPLD;由CPLD控制輸入模塊將其轉(zhuǎn)換為串行碼，并控制發(fā)送的時序，碼元寬度為 20 μs，占空比為 50%[7]。輸入模塊的核心是雙極性碼形成模塊,該模塊主要由MAX313模擬開關(guān)及由CPLD組合邏輯電路組成的譯碼電路兩部分構(gòu)成,其主要作用是產(chǎn)生所需的32 bit串行雙極性碼。電路圖如圖2所示。

在接收32 bit串行碼時，首先使信號J-INA、J-INB分別通過一個二極管和一個三極管，此過程中信號被削去負(fù)電平且被反向；再經(jīng)過一個CPLD內(nèi)部的“與門”，得到的信號就是從串行碼信息中提取的時鐘信號。由于每個上升沿正好在時鐘周期的中間，所以此信號不僅可以送往單片機(jī)進(jìn)行計數(shù)，而且可以作為CPLD的數(shù)據(jù)的移位脈沖。另外，信號還經(jīng)過一個CPLD內(nèi)部觸發(fā)器，形成需要的單極性歸零碼信號，完成信號的接收。當(dāng)完成32 bit串行碼接收后，由CPLD送至單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)控制顯示控制模塊進(jìn)行信息的顯示。編碼接收電路如圖3所示。

2.3 顯示控制模塊

顯示控制模塊由8 bit數(shù)碼管、28個按鍵和 4個指示燈構(gòu)成。其中，8 bit數(shù)碼管、28個按鍵的驅(qū)動和控制主要由芯片CH451完成。8 bit數(shù)碼管用于信息的顯示，高6位為數(shù)據(jù)信息，低2位為地址信息；28個按鍵主要用于16進(jìn)制信息的輸入、設(shè)備狀態(tài)的設(shè)定、輸入按鍵、讀取按鍵功能；4個指示燈分別對應(yīng)清除、輸入結(jié)束、寫入、存儲信息指示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分由主程序、發(fā)送子程序和接收子程序構(gòu)成。主程序負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、存儲和顯示的控制，同時通過奇偶校驗對接收到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)檢錯功能。發(fā)送子程序和接收子程序以對中斷響應(yīng)的處理為核心，通過主程序?qū)χ袛嗟恼{(diào)度來實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的功能。

3.1 數(shù)據(jù)接收

在接收狀態(tài)下，主程序不間斷地檢測接收數(shù)據(jù)線的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)（4個碼元周期）的高電平時，開始檢測同步碼；確認(rèn)收到同步碼后，準(zhǔn)備在4個碼元周期后接收32 bit的數(shù)據(jù)碼，否則繼續(xù)檢測接收數(shù)據(jù)線的狀態(tài)；間隔4個碼元周期后，主程序產(chǎn)生接收中斷信號，開始執(zhí)行接收子程序，接收子程序?qū)?2 bit的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)并完成串/并轉(zhuǎn)換，以便主程序的顯控模塊調(diào)用；間隔一個字周期后，退出接收子程序中斷，再次循環(huán)以上過程。其流程圖如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送

在發(fā)送狀態(tài)下，主程序不間斷地掃描鍵盤的狀態(tài)。當(dāng)有按鍵按下時，數(shù)碼管會顯示相應(yīng)的標(biāo)示；當(dāng)檢測有發(fā)送的請求信號時，主程序產(chǎn)生發(fā)送中斷信號，開始執(zhí)行發(fā)送子程序；發(fā)送子程序?qū)㈡I盤按下的數(shù)據(jù)信息存入緩沖區(qū)，在完成并/串轉(zhuǎn)換后，將 32 bit的數(shù)據(jù)碼送入發(fā)送數(shù)據(jù)線上；在一個字周期后，退出發(fā)送子程序中斷；間隔4個碼元周期后，重新開啟發(fā)送子程序，將32 bit的同步碼送入發(fā)送數(shù)據(jù)線上，完成對同步碼的發(fā)送過程；在一個字周期后，退出發(fā)送子程序中斷，再次循環(huán)以上過程。其流程圖如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)接收流程圖

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

3.3 數(shù)據(jù)同步與糾錯

由接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的過程可知，精確地定位數(shù)據(jù)碼和同步碼間隔的4個碼元周期的高電平，而不產(chǎn)生錯位對于同步接收數(shù)據(jù)非常重要。CPLD的時鐘頻率為24 MHz，將其分頻后的100 kHz作為串行碼的工作時鐘，分頻后的200 kHz作為同步檢測時鐘。在同步檢測時鐘下，檢測出16個高電平的數(shù)據(jù)信號，即為數(shù)據(jù)信號的同步頭。同時，為避免直流電平對同步頭檢測的影響，還應(yīng)排除大于4個碼元周期的偽同步頭。

為了提高數(shù)據(jù)接收的可靠性，本系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信中，通過奇偶檢驗來實現(xiàn)檢錯功能，將數(shù)據(jù)通信的誤碼率降到最小。數(shù)據(jù)碼的第32位為奇偶檢驗位，在發(fā)送時，若前31位中 1的個數(shù)為偶數(shù)，則檢驗位為 0，否則為1；在接收時，按照同樣的規(guī)則進(jìn)行判定，若校驗一致，則表明正確接收，否則通知發(fā)送端重新發(fā)送。其流程圖如圖6所示。

圖6 檢錯實現(xiàn)過程示意圖

4 測試結(jié)果

系統(tǒng)的測試包括硬件測試和軟件測試。硬件測試主要是在完成PCB板的焊接后，對板上的元器件進(jìn)行逐一測試，保證與原理圖一致；并對焊接情況進(jìn)行檢查，防止出現(xiàn)虛焊、漏焊的情況，進(jìn)而確保系統(tǒng)接口與其他機(jī)載設(shè)備電氣特性的一致性。

軟件測試采用各模塊聯(lián)調(diào)的方式進(jìn)行。首先用示波器測試了發(fā)送數(shù)據(jù)的波形接收后的解碼波形，分別如圖7和圖8所示。另外，還測試了以下功能：(1)接收自其他機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)，并完成顯示功能；(2)將鍵盤輸入的數(shù)據(jù)發(fā)送至其他機(jī)載設(shè)備；(3)將發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)存儲到RAM存儲器或ROM存儲器,并完成顯示功能；(4)將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，并完成顯示功能。上述各功能在實驗室及室外環(huán)境下均做了100次以上的測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)均能正確地完成相應(yīng)操作。

該收發(fā)系統(tǒng)充分利用CPLD硬件可編程性、高度集成性等特點，通過CPLD實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計與收發(fā)控制，能夠?qū)崟r完成總線數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、顯示和存儲功能。與采用專用芯片的實現(xiàn)方式相比，該系統(tǒng)可兼容不同的總線傳輸速率，且器件的成本較低，具有較強(qiáng)的推廣價值。

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