【文章內(nèi)容簡介】 片可以進(jìn)行流暢的開發(fā)、校驗。 FPGA 特別適用于正向設(shè)計，即從電路原理圖或各種硬件描述語言到芯片成品的設(shè)計，在這些設(shè)計流程中，設(shè)計人員對特別底層的硬件知識并不需要特別的了解和掌握，完全可以從功能應(yīng)用出發(fā)，根據(jù)任務(wù)需求，自頂向下地進(jìn)行電路設(shè)計。下面我們來看看 FPGA 的設(shè)計流程， Quartus II 環(huán)境下的 FPGA 設(shè)計過程主要包括 5 個步驟： ●設(shè)計輸入 運用電路原理圖輸入、 HDL文本輸入等方式，表達(dá)設(shè)計思想，指定所用 HIGA器件的型號，分配其外部管腳。 ●綜合 將原理圖、 HDL 語言等設(shè)計輸入翻譯成由基本電路邏輯單元組成的連接網(wǎng)表，供布局布線器進(jìn)行實現(xiàn)。 ●布局布線 根據(jù)連接網(wǎng)表文件，進(jìn)行布局布線的分析和優(yōu)化，完成 FPGA 器件內(nèi)、外的虛擬連接。 ●仿真 仿真 分為功能仿真和時序仿真。功能仿真驗證電路功能是否符合設(shè)計要求；時序仿真包含了延時信息，能較好反映芯片的工作情況。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 6 無錯 無錯 無錯 ●編程和配置 成功編譯后，將生成的編程文件下載到目標(biāo) FPGA 系統(tǒng)中調(diào)試 ；調(diào)試成功后，燒寫到 FPGA 的配置芯片中。 圖 軟件開發(fā)流程 三、 QuartusⅡ的仿真 仿真分為功能仿真和時序仿真。通常，功能仿真用于驗證電路的功能是否正確。本次設(shè)計主要是在 quartusⅡ 軟件中進(jìn)行功能仿真驗證。仿真的一般步驟如下： ● 新建波形編輯文件； ● 設(shè)置 仿真時間區(qū)域； ● 保存文件； 建立項目文件 建立設(shè)計文件 選芯片，映射管腳 編譯下載 文本輸入 原理圖輸入 軟件仿真 編譯綜合 實驗成功 有錯 有錯 有錯 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 7 ● 導(dǎo)入欲觀察的信號節(jié)點； ● 編輯激勵信號； ● 設(shè)置數(shù)據(jù)格式； ● 設(shè)置仿真器參數(shù)； ● 啟動仿真和觀察仿真結(jié)果。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 8 3 曼徹斯特編碼原理 1553B數(shù)據(jù)總線 數(shù)據(jù)總線是為不同的系統(tǒng)之間提供數(shù)據(jù)和信息交換的媒介，這就類似于個人計算機(jī)和辦公自動化系統(tǒng)之間局域網(wǎng)式的互連， MILSTD1553B總線協(xié)議是在 1978年誕生于美國國防部的，它早前作為的是一種定義了數(shù)據(jù)總線電氣和協(xié)議特性的軍事標(biāo)準(zhǔn)。 一、 1553B 的歷史發(fā)展與應(yīng)用 MILSTD1553B是一種在航空電子系統(tǒng)中廣泛運用的總線協(xié)議，它的全稱是飛機(jī)內(nèi)部時分命令多路響應(yīng)數(shù)據(jù)總線，它的發(fā)展可以追溯到 1968年。美國政府軍事部門經(jīng)過三年的修訂，于 1973年 8月公布了 MILSTD1553，這個內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)的第一個使用者就是 F16戰(zhàn)斗機(jī)。而美國國防部 1975年 4月 30日所發(fā)布的 MILSTD1553A就是在此基礎(chǔ)上不斷發(fā)展衍變而來，并為 F16戰(zhàn)斗機(jī)和 AH64A Apache直升機(jī)所首先運用。在此之后，通過一系列現(xiàn)實操作所積累起來的經(jīng)驗，在 1553A的基礎(chǔ)上， SAE又加入了許多定義和額外的應(yīng)用能力于其中，這就是 1553B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它于 1978年 9月 21日由 SAE公布，一直沿用至今。不過 1553B也在不斷進(jìn)行著一些改動。為了將該標(biāo)準(zhǔn)僅僅應(yīng)用于空軍系統(tǒng)， 1980年美國空軍曾經(jīng)對 1553B標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用選擇實施了諸多限制，但是工業(yè)界卻普遍認(rèn)為這樣的做法大大低估了 1553B的應(yīng)用能力，它應(yīng)該擁有更廣泛的使用權(quán)限。 現(xiàn)在的 MILSTD1553B 在軍用航空電子系統(tǒng)中應(yīng)用范圍非常廣泛，比如衛(wèi)星通信系統(tǒng)、國際空間站的空間地址探尋、大規(guī)模交通控制、航空燃料補(bǔ)給等等，甚至包括在了一系列的 發(fā)射器和服務(wù)器中，比如飛行器和發(fā)射器的基本接口。除此以外，海軍的艦艇、潛水艇、陸軍的直升機(jī)和坦克，這些都用到了 1553B 總線協(xié)議；對商業(yè)領(lǐng)域來說，地鐵、產(chǎn)品制造生產(chǎn)線也已運用到了該標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 二、 1553B數(shù)據(jù)總線規(guī)則 1553B 總線上的信息是以消息 (Message)的形式調(diào)制成曼徹斯特碼進(jìn)行傳輸?shù)?。每條消息最長由 32個字組成，所有的字分為三類 :命令字、數(shù)據(jù)字和狀態(tài)字。每類字的長度為 20 位，有效信息位是 16 位，每個字的前 3 位為單字的同步字頭，而最后 1位是奇偶校驗位。有效信息 (16 位 )及奇偶校驗位在總線 上以曼徹斯特碼的形式進(jìn)行傳輸，傳輸一位的時間為 1 S(即碼速率為 1MHz)。同步字頭占 3位，先正后負(fù)為命令字和狀態(tài)字，先負(fù)后正為數(shù)據(jù)字。在這三種類型的字中，命令字位于每條消 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 9 息的起始部分，其內(nèi)容規(guī)定了該次傳輸?shù)木唧w要求。 1553B 總線曼徹斯特碼編碼器的主要功能就是把來自外部的并行二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 1553B 總線上傳輸?shù)拇行畔ⅲ⑶覍@些串行數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特碼編碼，再加上同步頭和奇偶校驗碼，使之成為能夠以 1553B 總線協(xié)議所要求的格式在總線中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 前三位同步字頭 中 間 16位數(shù)據(jù)位 最后第 20位奇偶校驗位 圖 1553B 的數(shù)據(jù)格式 三、 1553B 總線的傳輸 1553B 總線能掛 31 個遠(yuǎn)置終端， 1553B 總線采用指令 /響應(yīng)型通信協(xié)議，它有三種終端類型：總線控制器（ BC）、遠(yuǎn)程終端（ RT）和總線監(jiān)視器（ BM）；信息 格式有 BC 到 RT、 RT 到 BC、 RT 到 RT、廣播方式和系統(tǒng)控制方式；傳輸媒介為屏蔽雙絞線， 1553B 總線耦合方式有直接耦合和變壓器耦合； 1553B 總線為多冗余度總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有雙向傳輸特性，其傳輸速度為 1Mbps 傳輸方式為半雙工方式，采用曼徹斯特碼進(jìn)行編碼傳輸。采用這種編碼方式是因為適用于變壓器耦合，由于直接耦合不利于終端故障隔離，會因為一個終端故障而造成整個總線網(wǎng)絡(luò)的完全癱瘓，所以其協(xié)議中明確指出不推薦使用直接耦合方式。 狀態(tài)字只能由 RT 發(fā)出，它的內(nèi)容代表 RT 對 BC 發(fā)出的有效命令的反饋。 BC 可以根據(jù)狀態(tài) 字的內(nèi)容來決定下一步采取什么樣的操作。數(shù)據(jù)字既可以由 BC 傳輸?shù)侥?RT，也可以從某 RT 傳輸至 BC，或者從某 RT 傳輸?shù)搅硪?RT，它的內(nèi)容代表傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 1553B 總線上消息傳輸?shù)倪^程是 :總線控制器向某一終端發(fā)布一個接收 /發(fā)送指令，終端在給定的響應(yīng)時間范圍內(nèi)發(fā)回一個狀態(tài)字并執(zhí)行消息的接收 /發(fā)送。 BC 通過驗收 RT 回答的狀態(tài)字來檢驗傳輸是否成功并做后續(xù)的操作。消息是構(gòu)成 1553B總線通訊的基本單位，如果需要完成一定的功能，就要將多個消息組織起來，形成一個新的結(jié)構(gòu)叫做幀 (Frame)。完成一個消息的時間稱為消息時間 ，兩個消息之間的間隔稱為消息間隔時間，完成一個幀的時間稱為幀時間。在實際應(yīng)用中這三種時間都是可以通過編程設(shè)置的。 02 位 中間 318 位數(shù)據(jù)位 19 位 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 10 曼徹斯特編碼原理 曼徹斯特編碼 ， 也叫做相位編碼 (PE)，是一個同步時鐘編碼技術(shù)，被物理層使用來編碼一個同步位流的時鐘和數(shù)據(jù)。在曼徹斯特編碼中，用電壓跳變的相位不同來區(qū)分 1 和 0，即用正的電壓跳變表示 0，用負(fù)的電壓跳變表示 1。因此，這種編碼也稱為相應(yīng)編碼。由于跳變都發(fā)生在每一個碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為位同步時鐘，這種編碼也稱為自同步編碼。 曼徹斯特編碼電平跳變的規(guī)則是：低電 平的中間時刻跳變表示‘ 0’，用高電平中間時刻的跳變表示‘ 1’，如下圖 所示。 因而 這樣 防止 時鐘同步 的丟失，或來自低頻率位移在貧乏補(bǔ)償?shù)哪M鏈接位錯誤。在這個技術(shù)下，實際上的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被傳輸通過這個電纜，不是作為一個序列的邏輯 1 或 0來發(fā)送的 。它具有自同步能力和良好的抗干擾性能。但每一個碼元都被調(diào)成兩個電平，所以數(shù)據(jù)傳輸速率 只有調(diào)制速率的 1/2。 圖 曼徹斯特編碼 下面是一段數(shù)據(jù)串行信號 1000100111，在上圖中可以看出曼徹斯特編碼信號的跳變都發(fā)生在中間時刻，它按照曼徹斯特的 編碼規(guī)則，可以表示 1001100111。如 下圖 所示。 圖 信號的曼徹斯特編碼 上跳為‘ 0’ 下跳為‘ 1’ 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 11 發(fā)送數(shù)據(jù)命令 檢查周 期 4 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求 本課題的設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)： 1． MILSTD1553B 總線上的數(shù)據(jù)以雙相曼徹斯特編碼的方式傳輸。 2．編碼器把來自外部的并行二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行信息。 3. 對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特碼編碼，再加上同步頭和奇偶效驗位。 4. 能夠以 1553B 總線協(xié)議所要求的格式在總線中進(jìn)行 傳輸。 本畢設(shè)畢業(yè)圓滿的完成了上述任務(wù)。 系統(tǒng) 設(shè)計思路 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，需要解決外部數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)編碼問題，而曼徹斯特編碼器是本文的設(shè)計重點，思路如下： 在每個周期的開頭加同步字頭 ,數(shù)據(jù)輸入時，輸入時間將持續(xù) 16個編碼周期，若輸入的數(shù)據(jù)信元為“ 1”，編 碼就通過輸出一個下降沿來表示，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“ 0”時，編碼則輸出一個上升沿。數(shù)據(jù)位輸入結(jié)束后，編碼器將對輸入的數(shù)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”的個數(shù)為奇數(shù)，編碼器輸出一個上跳變電平，反之若數(shù)據(jù)信元中“ 1”的個數(shù)為偶數(shù)則輸出一個下跳變電平，如圖 。 圖 編碼器設(shè)計思路 生成同步字頭 碼型轉(zhuǎn)換 移位及奇偶校驗 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 20xx 屆學(xué)士學(xué)位論文 12 系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出端 并行數(shù)據(jù)輸入 系統(tǒng)設(shè)計框圖 根據(jù)上述系統(tǒng)的設(shè)計要求，系統(tǒng)主要由兩大模塊組成：并串轉(zhuǎn)換器