【正文】 Signature of Supervisor: 目 錄 1 緒論 .................................... 1 .................................. 1 ...................................... 2 2 FPGA 原理及 開(kāi)發(fā) 工具 FPGA 原理 ........................................... 3 QuartusⅡ及開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 ................................. 4 3 曼徹斯特編碼原理 1553B數(shù)據(jù)總線 ...................................... 8 曼徹斯特編碼原理 ................................... 10 4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 ...................................... 11 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 ...................................... 11 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 ...................................... 12 5 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 并串轉(zhuǎn)換器的設(shè) 計(jì) ................................... 13 曼徹斯特編碼器設(shè)計(jì) ................................. 14 6 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析 并串轉(zhuǎn)換 器 仿真及結(jié)果分析 ........................... 19 器 仿真及結(jié)果分析 ........................ 26 .............................. 29 7 結(jié)論及展望 ........................................... 34 參考文獻(xiàn) ............................................... 35 致謝 ................................................... 36 附錄 A .................................................. 37 附錄 B .................................................. 41 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 1 基于 FPGA的曼徹斯特編碼器的設(shè)計(jì) 1 緒論 選題的依據(jù)和意義 航空航天產(chǎn)業(yè)是國(guó)家綜合國(guó)力的集中體現(xiàn)和重要標(biāo)志，是國(guó)家先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，是國(guó)家科技創(chuàng)新體系的一支重要力量。促進(jìn)航空航天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。在飛機(jī)制造中，航空電子系統(tǒng)是其中重要的組成部分，而航空電子系 統(tǒng)中數(shù)據(jù)總線是關(guān)鍵技術(shù)之一。 MILSTD1553B 是目前廣泛適用于航空電子領(lǐng)域的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它具有傳輸穩(wěn)定、抗干擾、負(fù)荷輕、速率高等優(yōu)點(diǎn)。其主要被歐美軍方用于軍事系統(tǒng)，在戰(zhàn)斗機(jī)、航天設(shè)備、驅(qū)逐艦等軍用設(shè)施上得到了非常多的運(yùn)用和實(shí)踐。為了適應(yīng)現(xiàn)代軍事斗爭(zhēng)的需要，近年來(lái)，我國(guó)在新型戰(zhàn)斗機(jī)、驅(qū)逐艦的研制中已開(kāi)始采用 1553B 標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于該標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)為歐美公司所壟斷。因此，自主研發(fā)基于 MILSTD1553B總線標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議芯片及產(chǎn)品具有重要的戰(zhàn)略意義。 目前，此類(lèi)器件在國(guó)內(nèi)還較少出現(xiàn)，對(duì)于整個(gè) 1553B 體系架構(gòu)的把握尚未形成，我們急需改變這種不利情況。自主研發(fā) 1553B 相關(guān)產(chǎn)品首先必須解決曼徹斯特碼的編碼、解碼。本文的主要工作就是研究 1553B 曼徹斯特碼編碼器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。曼徹斯特碼編碼器是 1553B 總線接口中最為重要的器件之一，它直接關(guān)系到總線數(shù)據(jù)能否嚴(yán)格按照 MILSID1553B 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來(lái)進(jìn)行傳輸，是其三種類(lèi)型字傳遞的門(mén)戶端口器件。本課題設(shè)計(jì)就是基于 FPGA 的曼徹斯特編碼器的設(shè)計(jì)。 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和任務(wù) 本項(xiàng)目主要研究 MILSTD1553B 上的曼徹斯特碼編碼器的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。技術(shù)上采 用 FPGA 作為硬件平臺(tái)，為了使 FPGA 器件能順利完成曼碼的編碼任務(wù)，它應(yīng)該包括這樣幾個(gè)部分： 并串轉(zhuǎn)換器的主要工作是將 16位由前端輸入的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為曼徹斯特能夠編碼的串行數(shù)據(jù)。它主要由時(shí)鐘信號(hào)、轉(zhuǎn)換使能信號(hào)控制。 在每個(gè)周期的開(kāi)頭加同步字頭，數(shù)據(jù)輸入時(shí)間持續(xù) 16 個(gè)周期，期間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。若輸入的數(shù)據(jù)信元為“ 1”，編碼就通過(guò)輸出一個(gè)下降沿來(lái)表示，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“ 0”時(shí)，編碼則輸出一個(gè)上升沿。數(shù)據(jù)位輸入結(jié)束后，編碼器將對(duì)輸入的數(shù) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 2 據(jù)信元進(jìn)行奇偶校檢，如果在輸入的數(shù) 據(jù)信元中“ 1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，編碼器輸出一個(gè)上升沿，反之若數(shù)據(jù)信元中“ 1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)則輸出一個(gè)下降沿。 QuartusⅡ 借助 EDA 工具中的編譯器、綜合器、適配器、時(shí)序仿真器和編程器等工具進(jìn)行相應(yīng)的處理，才能使已完成的設(shè)計(jì)在 FPGA 上進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)并得到測(cè)試結(jié)果。 EDA 工具有多種途徑完成目標(biāo)系統(tǒng)的輸入，如 HDL 文本輸入方式、原理圖輸入方式、狀態(tài)圖輸入方式以及混合輸入方式等。相對(duì)而言， HDL 文本輸入方式是最基本也是最直接的輸入方式。將通過(guò)實(shí)例具體介紹基于 Quartus II 的 VHDL 文本輸入流 程，包括設(shè)計(jì)的輸入、綜合、適配、仿真測(cè)試和編程下載等。 論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 第二章 介紹了 FPGA 的有關(guān)原理，及它的設(shè)計(jì)流程， vhdl 語(yǔ)言的概述等；第三章介紹了曼徹斯特編碼的有關(guān)知識(shí)，尤其介紹了 1553B 數(shù)據(jù)總線；第四章對(duì)本文框架進(jìn)行了講述，有設(shè)計(jì)思路的比較和設(shè)計(jì)框圖 ； 第五章介紹了主要的兩大模塊：串并轉(zhuǎn)換模塊和曼徹斯特編碼模塊；第六章對(duì)該系統(tǒng)功能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證；第七章是對(duì)本次設(shè)計(jì)的小結(jié)和展望。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 3 2 FPGA 原理及 開(kāi)發(fā) 工具 FPGA原理 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 ,它是在 PAL、GAL、 CPLD 等可編程器件的 基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為 專(zhuān)用集成電路 （ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定 制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。 圖 FPGA 的基本結(jié)構(gòu) 目前以硬件描述語(yǔ)言（ Verilog 或 VHDL）所完成的電路設(shè)計(jì)，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進(jìn)行測(cè)試，是現(xiàn)代 IC 設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些基本的邏輯門(mén) 電路 （比如 AND、 OR、 XOR、 NOT）或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的 FPGA 里面，這些可編輯的元件里 也包含記憶元件例如 觸發(fā)器 （ Flip－ flop）或者其他更加完整的記憶塊。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array） 這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內(nèi)部連線（ Interconnect）三個(gè)部分 ，如圖 。 FPGA 的基本特點(diǎn)主要有 ： 用 FPGA 設(shè)計(jì) ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I／ O 引腳。 是 ASIC 電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。 PI IOB 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 4 可以說(shuō)， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前 FPGA 的品種很多，有 XILINX 公司的 Virtex 系列、 TI 公司 的 TPC 系列、 ALTERA公司的 Stratix 系列等。 FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的 RAM 進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)， FPGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM 中，配置完成后， FPGA 進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此， FPGA 能夠反復(fù)使用。FPGA 的編程無(wú)須專(zhuān)用的 FPGA 編程器，只須用通用的 EPROM、 PROM 編程器即可。當(dāng)需要修改 FPGA 功能時(shí)，只需換一片 EPROM 即可。 這樣，同一片 FPGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此， FPGA 的使用非常靈活。 FPGA提供了一種“自頂向下 的全新的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，在頂層進(jìn)行功能方框圖的劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在圖表級(jí)進(jìn)行仿真、糾錯(cuò)，并用硬件描述語(yǔ)言對(duì)高層次的系統(tǒng)行為進(jìn)行描述，在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證。然后用綜合優(yōu)化工具生成具體門(mén)電路的網(wǎng)表，其對(duì)應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)級(jí)可以是印刷電路板或?qū)Ｓ眉呻娐贰Ｓ捎谠O(shè)計(jì)的主要仿真和調(diào)試過(guò)程是在 高層次上完成的，這不僅有利予早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，避免設(shè)計(jì)工作的浪費(fèi)，而且也減少了邏輯功能仿真的工作量，提高了設(shè)計(jì)的一次成功率。 QuartusⅡ及開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 Quartus II 是 Altera 公司 的綜合性 PLD 開(kāi)發(fā) 軟件 ，支持原理圖、 VHDL、VerilogHDL 以及 AHDL（ Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整 PLD設(shè)計(jì)流程。 一、 VHDL 語(yǔ)言的發(fā)展歷史 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是應(yīng)用 VHDL語(yǔ)言， 是一種用于 數(shù)字 電路設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言 。 VHDL全名是 VeryHighSpeed Integrated Circuit HardwareDescription Language，誕生于 1982 年。 1987 年底， VHDL 被 IEEE 和 美國(guó)國(guó)防部 確認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言 。自 IEEE 公布了 VHDL 的標(biāo)準(zhǔn)版本， IEEE1076（簡(jiǎn)稱(chēng) 87 版 )之后，各 EDA 公司相繼推出了自己的 VHDL 設(shè)計(jì)環(huán)境，或宣布自己的設(shè)計(jì)工具可以和 VHDL 接口。 此后 VHDL 在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了廣泛的認(rèn)可，并逐步取代了原有的非標(biāo)準(zhǔn)的 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 5 硬件描述語(yǔ)言。 1993 年， IEEE 對(duì) VHDL 進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展 VHDL 的內(nèi)容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的 10761993 版本，（簡(jiǎn)稱(chēng) 93 版） 。現(xiàn)在， VHDL 和 Verilog 作為 IEEE 的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語(yǔ)言，又得到眾多 EDA 公司的支持，在電子工程領(lǐng)域，已成為事實(shí)上的通用硬件描述語(yǔ)言。有專(zhuān)家認(rèn)為，在新的世紀(jì)中， VHDL 與 Verilog 語(yǔ)言將承擔(dān)起大部分的 數(shù)字系統(tǒng) 設(shè)計(jì)任務(wù)。 VHDL 語(yǔ)言 是一種用于電路設(shè)計(jì)的高級(jí)語(yǔ)言。它在 80 年代的后期出現(xiàn)。最 初是由 美國(guó)國(guó)防部 開(kāi)發(fā)出來(lái)供美軍用來(lái)提高設(shè)計(jì)的可靠性和縮減開(kāi)發(fā)周期的一種使用范圍較小的設(shè)計(jì)語(yǔ)言， 它的應(yīng)用主要是應(yīng)用在數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中。目前，它在 中國(guó)的應(yīng)用多數(shù)是用在 FPGA/CPLD/EPLD 的設(shè)計(jì)中。當(dāng)然在一些實(shí)力較為雄厚的單位，它也被用來(lái)設(shè)計(jì) ASIC。 二、 Quartus II 下的 FPGA 設(shè)計(jì) Quartus II 為硬件電路的設(shè)計(jì)提供了很大的方便。 FPGA 之所以能夠廣泛應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)中，就是因?yàn)樗鼈冇惺褂孟喈?dāng)方便的開(kāi)發(fā)軟件工具包，通過(guò)編程工具和軟件的配合使用，對(duì)器件芯