CPLD器件在時間統(tǒng)一系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(jì)也趨于高度集成化。為了適應(yīng)現(xiàn)代靶場試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(shí)踐教學(xué)設(shè)備。

圖1 IRIG-B（DC）時間碼格式

1 IRIG-B碼介紹

　　在靶場試驗(yàn)中隨著設(shè)備所需信息量的增加，對標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際優(yōu)越性能，成為時統(tǒng)設(shè)備首選的標(biāo)準(zhǔn)碼型。

　　IRIG（Inter-Range Instrumentation Group）是美國靶場司令部委員會的下屬機(jī)構(gòu)，稱為"靶場時間組"。IRIG時間標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)制，因此遠(yuǎn)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(diǎn)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、1000 c/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(yuǎn)距離傳輸；分直流、交流兩種；具有接口標(biāo)準(zhǔn)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10 ms。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(jìn)制"0"碼和索引標(biāo)志) 、5 ms（如二進(jìn)制"1"碼）和8 ms（如參考碼元，即每秒開始的第一字的第一位；位置標(biāo)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(jì)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(biāo)控制碼元(參考圖1)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　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(diǎn)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(jìn)制計(jì)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(jì)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(jìn)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(jì)的硬件電路如圖 2所示。可編程器件EPM7128SLC84-15內(nèi)部電路如圖3所示。

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(jìn)制計(jì)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(jìn)制計(jì)數(shù)器從此時刻開始計(jì)數(shù)。主時鐘是頻率為10 MHz的晶振，作為芯片內(nèi)部時序脈沖發(fā)生器的時鐘信號。可編程芯片內(nèi)部電路設(shè)計(jì)是本課題設(shè)計(jì)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(jìn)制計(jì)數(shù)器的時鐘，該計(jì)數(shù)器組由九個十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74LS162組成，輸出7位二進(jìn)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100 ms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100 ms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10 ms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8 ms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2 ms的脈沖（作為位置識別標(biāo)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?quot;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(jìn)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(biāo)志綜合在一起作為真正的B碼輸出。

3 主要單元電路設(shè)計(jì)

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(jìn)后的置數(shù)電路如圖 5所示。

　　將預(yù)置的天、時、分、秒在上電的同時置入各個計(jì)數(shù)器中。由于計(jì)數(shù)器74LS162是同步計(jì)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(jì)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(jìn)：

　　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(jìn)制計(jì)數(shù)器的時鐘。輸入輸出波形關(guān)系如圖 6所示。

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(jì)，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)。

　　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(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于可以由底層到頂層對每一個模塊分別進(jìn)行仿真，有利于各個模塊間時序的配合。

（1）t2模塊

　　365進(jìn)制計(jì)數(shù)器

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

圖10 t2模塊內(nèi)部電路

　　緩沖電路

　　它的功能是將計(jì)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。

　　為簡單起見，用VHDL語言描述如下:

FUNCTION 74160 (clk, ldn, clrn, enp, ent, d, c, b, a)

RETURNS (qd, qc, qb, qa, rco);

SUBDESIGN testa

(dina[6..0],dinb[6..0],dinc[5..0],dind[7..0],dine[1..0],fin1,fin2:INPUT ;

dout[9..0] : output;)

VARIABLE

q[3..0] :node;

begin

(q3,q2,q1,q0,)= 74160(fin1,vcc,fin2,vcc,vcc,GND,GND,GND,GND);

case q[3..0] is

when 0=>

dout[4..1]=dina[3..0];dout5=gnd;dout[8..6]=dina[6..4];dout9=gnd;dout0=gnd;

when 1=>

dout[3..0]=dinb[3..0];dout4=gnd;dout[7..5]=dinb[6..4]

;dout[9..8]=gnd;

when 2=>

dout[3..0]=dinc[3..0];dout4=gnd;dout[6..5]=dinc[5..4]

;dout[9..7]=gnd;

when 3=>

dout[3..0]=dind[3..0];dout4=gnd;dout[8..5]=dind[7..4];dout9=gnd;

when 4=>

dout[1..0]=dine[1..0];dout[9..2]=gnd;

when others=>

dout[9..0]=gnd;

end case;

end;

圖14 t1模塊內(nèi)部電路

　　t2模塊是由計(jì)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(jì)數(shù)器從此時刻開始按秒計(jì)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。

（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(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。并串轉(zhuǎn)換電路生成的模塊如圖 12 所示。

　　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(jì)數(shù)器的時鐘--"S"信號；提供緩沖電路中計(jì)數(shù)器的時鐘--周期100 ms；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16 t3模塊內(nèi)部電路圖

　　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。

（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。

　　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。

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(jì)的難點(diǎn)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(dá)到了很好的效果。該B碼源最大的特點(diǎn)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(diǎn)。