基于FPGA的曼彻斯特编解码器的设计与实现
左云华
摘 要
曼彻斯特码在数字通信系统中有广泛应用，目前工程上多采用单片机串行I/O口或专用芯片来实现曼彻斯特编解码，但不适用于高速传输、数据量大的场合，并且实际应用中开发和维护成本较高。随着半导体技术的快速发展和可编程逻辑器件的广泛应用，采用集成度高、重构性好、具有可移植性的FPGA技术实现时序复杂的曼彻斯特码的编解码功能，能够更好的满足实际应用的需求。
本文详细阐述了一个基于FPGA的曼彻斯特编解码器的设计与实现过程。系统各功能模块采用VHDL硬件描述语言进行设计，通过Quartus II 8.0软件平台来完成整个设计的综合布线与仿真测试，系统仿真通过后将程序下载到FPGA开发板上进行硬件调试，通过连接示波器观察基带信号与编解码结果。系统的硬件调试结果验证了本设计的可行性与可靠性，表明本系统能够正确实现曼彻斯特编解码功能，并且具有性能稳定、占用资源少、运行速度快、电路结构简单等优点，有良好的实际应用前景。
关键词 曼彻斯特码 编解码器 FPGA VHDL
1. 引 言
1.1 研究背景及现状
曼彻斯特码又称数字双相码，是一种时钟自同步的编码技术，广泛应用于串行数据的传输。与其他的编码相比，曼彻斯特码可以消除直流成分，具有时钟恢复和抗干扰性能力强的特点，更适合于在传输性能较差的信道中进行信息的传输。随着数字通信的迅速发展，研究和设计具有自同步特点的曼彻斯特编解码器在通信系统中具有重要意义。
目前国内外工程上多采用单片机的串行I/O口[1]或者专用的曼彻斯特编码和解码芯片来完成曼彻斯特的编解码，但这两种方法都有许多不足之处。现在市面上常用的专用曼彻斯特编解码器都是由美国Intersil公司生产的，有HD6408，HD6409[2]和HD-15530集成芯片[3]，其最高传输速率只有1MB/s，且需要辅助电路实现串并转换和并串转换功能，无形中影响了工作效率，由于Intersil公司限产，致使国内专用曼彻斯特编解码芯片价格昂贵，增加了国内测井仪器制造和维护的成本。利用单片机串行I/O口可以实现曼彻斯特编解码功能，但串口通信在传输速率和每帧的有效数据位数等方面都受到了严格的限制，缺乏灵活性，难以适用于高速传输和数据量大的场合。
采用FPGA实现曼彻斯特码的编译码功能，可以取代专用编解码芯片。曼彻斯特码简明有效但时序复杂，特别在编码器接口的设计上需要大量的逻辑电路，采用FPGA技术设计曼彻斯特编解码器大大缓解了这一问题。利用FPGA的可移植性、高集成性、易编程等性能优势，可将多种功能集成在FPGA单芯片中实现，不但可减少信息的传输误码概率，同时减少时钟管理中的误差所造成的毛刺等不必要因素的影响，降低系统的复杂度，提高系统的可靠性和集成度[4]。
1.2 研究内容和任务
本课题综合考虑了目前的研究现状和未来的发展趋势，以设计并实现一个基于FPGA的曼彻斯特编解码器为研究内容，技术上采用FPGA芯片作为硬件平台，采用VHDL硬件描述语言在Altera公司开发的Quartus II 8.0软件平台上进行编程设计与综合仿真。
论文中主要的研究任务包括FPGA设计方案的确定，各功能模块的设计和仿真，系统的综合与仿真，并最终进行系统的硬件调试，验证设计的可行性和系统的可靠性。
1.3 论文结构
全文共分为五个部分。第1章为引言；第2章介绍了系统所采用的技术、平台和开发工具；第3章详细介绍了曼彻斯特编解码器系统的设计流程，给出了各功能模块的设计方案与仿真结果；第4章阐述了系统的综合布线、仿真测试及硬件实现过程；最后是对整个系统进行总结与展望。
2. FPGA技术及开发工具
2.1 FPGA器件简介
1985年，Xilinx公司首次推出了FPGA （Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列），它是一种新型高密度的PLD，可由用户编程来实现所需逻辑功能的数字集成电路，不仅具有设计灵活、性能高、速度快等优势，而且上市周期短、成本低廉[5]。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分，FPGA的基本特点主要有：
1、采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
2、FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3、FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。
4、FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
5、FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
FPGA设计已成为集成电路中最具活力和前途的产业，同时，随着设计技术和制造工艺的完善，器件性能、集成度、工作频率等指标不断提升，FPGA已越来越多地成为系统级芯片设计的首选。全球生产FPGA的厂家很多，影响力最大的是Xilinx公司和Altera公司。
Xilinx公司不断推出新的集成度更高、速度更快、价格更低、功耗更低的FPGA器件系列，以XC4000、Spartan、Virtex系列为代表的FPGA器件为主，其性能不断提高。
Altera公司是著名的PLD生产厂商，多年来一直占据着行业领先的地位。Altera公司的产品有多个系列，包括Classic系列、MAX系列、FLEX系列、APEX系列、ACEX系列、Cyclone系列、Stratix系列等[6]。
Cyclone系列是Altera公司面向低成本应用开发的系列芯片，Cyclone FPGA具有以下特性：
1、新的可编程构架通过设计实现低成本。
2、嵌入式存储资源支持各种存储器应用和数字信号处理(DSP)实施。
3、专业外部存储接口电路集成了DDR FCRAM、SDRAM以及SDR SDRAM存储器件。
4、支持串行、总线和网络接口及各种通信协议。
5、使用片内锁相环PLL管理片内和片外系统时序。
6、支持单端I/O标准和差分I/O技术，支持高达311Mbps的LVDS信号。
7、处理能力支持Nios II系列嵌入式处理器。
8、采用新的串行配置器件的低成本配置方案。
9、通过Quartus II软件OpenCore评估特性，免费评估IP功能。
本设计中采用的硬件测试平台就是搭载了Altera公司Cyclone系列芯片EP1C3T100C8的FPGA开发板。
2.2 FPGA设计流程
由于FPGA开发过程的特殊性，它的开发流程和其他软、硬件开发流程有很大的不同，而且每个步骤都有其独到的用处。图2.1给我们展示了一个FPGA设计流程。
图2.1 FPGA设计流程
从图2.1中可以看出FPGA设计具有很强的迭代性，并不是简单的顺序结构。设计者在开发过程中，一旦在仿真或验证过程中发现错误，往往需要回到前一步骤重新查错修改，然后再一次仿真验证，直到设计达到要求。FPGA的整个开发过程[7]主要包括以下几个步骤：
1、需求分析到模块划定
任何项目的开始都应该是从需求分析这一块开始，对于需求分析这一块，和软件工程中所讲述的大致一样，通过需求分析后，我们确定了整个系统的功能，然后才能确定系统模型，用自顶向下的方式对整个系统按功能进行模块划分。
2、设计输入与综合优化
设计输入就是将电路系统以一定的表达方式输入计算机，使用EDA工具的设计输入可分为图形输入和硬件描述语言文本输入两种类型。整个综合过程就是将设计者在EDA平台上编辑输入的HDL文本、原理图或状态图形描述，依据给定的硬件结构组件和约束控制条件进行编译、优化、转换和综合，最终获得门级电路甚至更底层的电路描述网表文件。
3、仿真与实现
很多EDA开发工具自身都带有仿真功能，如Xilinx公司的ISE或者Altera公司的Quartus II等都带有仿真功能，可以完成两种不同级别的仿真测试：时序仿真和功能仿真。
4、下载和板级调试
把适配后生成的下载或配置文件，通过编程器或编程电缆向FPGA进行下载，以便进行硬件调试和验证。Altera公司的FPGA器件有两类配置下载方式：主动配置方式和被动配置方式[19]。板级调试就是将仿真后的实际逻辑下载到实际的FPGA硬件平台上来进行实际运行情况的测试，看设计的逻辑是否能达到预期的功能，验证设计项目在目标系统上的实际工作情况，以排除错误，改进设计。
2.3 Quartus II简介
Quartus II是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整CPLD设计流程[8]。Quartus II环境下的FPGA设计过程主要包括5个步骤：
1、设计输入
2、综合
3、布局布线
4、仿真
5、编程和配置
参考文献
[1] 何立民. 单片机高级教程[M]. 北京: 北京航空大学出版社, 2000
[2] 董健,董会宁,陈虎,孟莎莎. 基于FPGA的曼彻斯特编解码器研究[J]. 无线通信技术. 2010(3): 5-8
[3] 王铁男. 基于FPGA的曼彻斯特码编解码器的实现[J]. 石油仪器. 2011, 25(5): 71-73
[4] 田耘,徐文波. Xilinx FPGA 开发实用教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008
[5] 卢毅,赖杰. VHDL与数字电路设计[M]. 北京: 科学出版社, 2009
[6] 刘福奇. FPGA嵌入式项目开发实战[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009
陈新坤,周东,余敬东. Manchester编码器的FPGA设计与实现[J]. 电子科技大学学报. 2003, 32(3): 324-327
[7] 徐志军. EDA技术与VHDL设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009
[8] 李洪伟. 基于Quartus II的FPGA/CPLD设计[M].北京:电子工业出版社, 2006
[9] 徐欣, 于红旗. 基于FPGA的嵌入式系统设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005
[10] 陈新华. EDA技术与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008
[11] 章潋,秦会斌. 基于FPGA 的伪随机码发生器的实现[J]. 电子与封装. 2008, 8(2): 43-46
[12] 赵嘎,王小军,宋鸣. 基于FPGA的可配置伪随机序列发生器的设计与实现[J]. 云南大学学报(自然科学版). 2012, 34 (2): 147-151
[13] (美)迈耶·贝斯,译者:刘凌. 数字信号处理的FPGA实现[M]. 第二版. 北京: 清华大学出版社, 2006.
http://www.bysj360.com/ http://www.bysj360.com/html/1268.html
http://www.bysj360.com/html/3068.html
