基于FPGA的曼彻斯特编码器的设计-毕业论文.docx
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1、基于FPGA的曼彻斯特编码器的设计目 录 1 绪论1.1选题的依据和意义11.2项目研究内容和任务11.3论文内容及结构22 FPGA原理及开发工具2.1 FPGA原理32.2 Quartus及开发语言43 曼彻斯特编码原理3.1 1553B数据总线83.2 曼彻斯特编码原理104 系统总体设计4.1 系统设计要求114.2 系统设计思路114.3 系统设计框图125 系统模块设计5.1 并串转换器的设计135.2 曼彻斯特编码器设计146系统仿真及结果分析6.1 并串转换器仿真及结果分析196.2曼彻斯特编码器仿真及结果分析266.3系统总体仿真及结果分析297 结论及展望34参考文献35致
2、谢36附录A37附录B41基于FPGA的曼彻斯特编码器的设计 摘 要电子技术与航空产业飞速发展,已成为我国支柱产业之一。我国政府高度重视航空航天产业发展,“十二五”期间将进一步加大政府支持力度,促进航空航天产业快速发展。在飞机制造中,航空电子系统是其中重要的组成部分,而航空电子系统中数据总线是关键技术之一。11553B作为一种通用的军事标准协议,它对数据总线的电气和协议特性进行严格的规范和约束,现已广泛运用于航空电子综合系统。该标准对航空飞机所需的数字命令响应,分时复用等数字总线技术提出了一系列的要求,其中包括数据总线的传输和协议格式。本文首先对FPGA和曼彻斯特编码相关原理进行概述,尤其是航
3、空数据总线MIL-STD-1553B。其次是对其系统组成的介绍,本次设计主要包括两大部分,并串转换器、曼彻斯特编码器。最后着重讲述该系统在quartus 软件下的运行和仿真。1553B总线协议中对传输的字类型进行了规范和分类:分别是命令字、状态字和数据字。本次论文的设计主要着重于该协议总线接口内部的曼彻斯特码编码器,作为总线接口的重要组成部分,曼彻斯特编码器担负着码型编写、奇偶校验等重要任务,使数据能够以1553B所定义的标准形式在数据总线中进行传输。关键词:FPGA 曼彻斯特编码 1553B总线串并转换Design of Manchester Encoder Based on FPGAAbs
4、tractElectronics and Aviation technology industry developed rapidly. Our country attaches great importance to the development of aerospace industry.In the period of Twelfth of Five-Year government will support further increase Aviation, it will Promote the rapid development of the aerospace industry
5、.In aircraft manufacturing,Avionics System is an important part of the Aviation.The avionics system is the key technology of data bus. 1553B takes one kind of military standard,it has carried on the strict standard and the restraint to the electricity and the protocol characteristic of data bus,and
6、it has already widely used in the aviation electron systemThis standard propose a series of requests to the digital bus technology which are obligatory to the aviation airplane numeraI/Order/response,time sharing multiple use,including data bus information flow and function formatThis article first
7、introduces about the FPGA and Manchester Encoder,especially MIL-STD-1553B.Next is the introduction of its two composition unit,It including String and convert and Manchester Encoder.Fhen the one that told emphatically is quartusof Operation and Simulation,in the1553Bs protocol,the word types which t
8、ransmitted in the 1553B bus has carried on the standard classification,they are the order word、the status word and the data wordthe design for this paper mainly emphatically in the protocol bus interface interior Manchester code encodeg as the bus interface important constituent,the encoder is shoul
9、dering the parallelserial Ixansformation,the code compilation,the parity check and so on the important task,enables the data according to the standard form which defines by 1553B to carry on the transmission in the data bus.Keywords: FPGA Manchester Encoder 1553B String and convert 1 绪论 1.1选题的依据和意义航
10、空航天产业是国家综合国力的集中体现和重要标志,是国家先进制造业的重要组成部分,是国家科技创新体系的一支重要力量。促进航空航天产业快速发展。在飞机制造中,航空电子系统是其中重要的组成部分,而航空电子系统中数据总线是关键技术之一。MIL-STD-1553B是目前广泛适用于航空电子领域的协议标准,它具有传输稳定、抗干扰、负荷轻、速率高等优点。其主要被欧美军方用于军事系统,在战斗机、航天设备、驱逐舰等军用设施上得到了非常多的运用和实践。为了适应现代军事斗争的需要,近年来,我国在新型战斗机、驱逐舰的研制中已开始采用1553B标准。但是,由于该标准的核心技术为欧美公司所垄断。因此,自主研发基于MIL-ST
11、D-1553B总线标准的协议芯片及产品具有重要的战略意义。目前,此类器件在国内还较少出现,对于整个1553B体系架构的把握尚未形成,我们急需改变这种不利情况。自主研发1553B相关产品首先必须解决曼彻斯特码的编码、解码。本文的主要工作就是研究1553B曼彻斯特码编码器的设计及实现。曼彻斯特码编码器是1553B总线接口中最为重要的器件之一,它直接关系到总线数据能否严格按照MIL-SID-1553B标准协议来进行传输,是其三种类型字传递的门户端口器件。本课题设计就是基于FPGA的曼彻斯特编码器的设计。1.2项目研究内容和任务本项目主要研究MIL-STD-1553B上的曼彻斯特码编码器的软件设计和实
12、现。技术上采用FPGA作为硬件平台,为了使FPGA器件能顺利完成曼码的编码任务,它应该包括这样几个部分:1.并串转换器的设计并串转换器的主要工作是将16位由前端输入的并行数据转换为曼彻斯特能够编码的串行数据。它主要由时钟信号、转换使能信号控制。2.曼彻斯特编码器的设计在每个周期的开头加同步字头,数据输入时间持续16个周期,期间对数据进行编码。若输入的数据信元为“1”,编码就通过输出一个下降沿来表示,当输入数据为“0”时,编码则输出一个上升沿。数据位输入结束后,编码器将对输入的数据信元进行奇偶校检,如果在输入的数据信元中“1”的个数为奇数,编码器输出一个上升沿,反之若数据信元中“1”的个数为偶数
13、则输出一个下降沿。3.软件设计的仿真Quartus借助EDA工具中的编译器、综合器、适配器、时序仿真器和编程器等工具进行相应的处理,才能使已完成的设计在FPGA上进行硬件实现并得到测试结果。EDA工具有多种途径完成目标系统的输入,如HDL文本输入方式、原理图输入方式、状态图输入方式以及混合输入方式等。相对而言,HDL文本输入方式是最基本也是最直接的输入方式。将通过实例具体介绍基于Quartus II的VHDL文本输入流程,包括设计的输入、综合、适配、仿真测试和编程下载等。1.3论文内容及结构第二章 介绍了FPGA的有关原理,及它的设计流程,vhdl语言的概述等;第三章介绍了曼彻斯特编码的有关知
14、识,尤其介绍了1553B数据总线;第四章对本文框架进行了讲述,有设计思路的比较和设计框图;第五章介绍了主要的两大模块:串并转换模块和曼彻斯特编码模块;第六章对该系统功能进行了仿真验证;第七章是对本次设计的小结和展望。2.FPGA原理及开发工具2.1 FPGA原理FPGA( FieldProgrammable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。PI IOB 图2.1 FPGA的基本结构 目前
15、以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至 FPGA 上进行测试,是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flipflop)或者其他更加完整的记忆块。 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
16、Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分,如图2.1。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IO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。 可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多,有XILINX公司的Virtex系列、TI公司的TPC系
17、列、ALTERA公司的Stratix系列等。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。因此,FPGA的使用非常灵活。 FPGA提供
18、了一种“自顶向下的全新的设计方法。这种设计方法首先从系统设计入手,在顶层进行功能方框图的划分和结构设计,在图表级进行仿真、纠错,并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述,在系统级进行验证。然后用综合优化工具生成具体门电路的网表,其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的,这不仅有利予早期发现结构设计上的错误,避免设计工作的浪费,而且也减少了逻辑功能仿真的工作量,提高了设计的一次成功率。 2.2 Quartus及开发语言 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(
19、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PLD设计流程。一、VHDL语言的发展历史 本次毕业设计就是应用VHDL语言,是一种用于数字电路设计的高级语言。VHDL全名是Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,诞生于1982年。1987年底,VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。自IEEE公布了VHDL的标准版本,IEEE-1076(简称87版)之后,各EDA公司相继推出了自己的
20、VHDL设计环境,或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的认可,并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年,IEEE对VHDL进行了修订,从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容,公布了新版本的VHDL,即IEEE标准的1076-1993版本,(简称93版)。现在,VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言,又得到众多EDA公司的支持,在电子工程领域,已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为,在新的世纪中,VHDL与Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代
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