摘要：文章通過對1553B總線協議的研究，結合現代EDA技術，介紹了一種使用現場可編程邏輯器件(FPGA)設計1553B,總線協議用的manches-ter II型碼解碼器的方法。通過采用Verilog HDL硬件描述語言和原理圖混合輸入法，使設計簡潔有效。通過OuartusII開發軟件對設計進行了時序約束和分析，最后給出了時序仿真圖，從而證明了這種設計是可行和可靠的。
關鍵詞：1553B總線協議；ManehesterII型碼；現場可編程門陣列
0 引言
MIL-STD-1553B是關于數據總線電氣特性和協議規范的美國軍用標準，它的全稱為“飛機內部時分制指令／響應性多路傳輸數據總線”(Aircraft Internal Time Division Command／Response Multiplex Data Bus)，該標準規定了飛機內部數字式的命令／相應時分制多路數據總線的技術要求。
在軍用機載數據總線方面，MIL-STD-1553B是應用時間最早，也最為持久的，它為適應工業和軍事的需要而提出，具有很高的可靠性和靈活性，加之技術比較成熟，所以應用比較廣泛。目前，MIL-STD-1553B已廣泛應用于軍事、工業和科技領域，從大型運輸艦、空間補給站、轟炸機到各種戰斗機，以及直升機，都有其應用，它甚至用于導彈系統，以及用作飛行器和導彈之間的基本通信協議。我國于1987年頒布了相應的軍標，目前，1553B總線已成為國內軍用飛機航電系統的主流數據總線。
本文論述了一種運用Verilog HDL語言，并結合現在EDA技術設計的可靠性強的1553B總線用ManchesterII型碼解碼器模塊。
1 1553B數據格式
1553B數據總線以異步、命令／響應方式執行數據信息的傳輸，其通信方式采用半雙工方式，總線控制器初始化所有個信息位、一個奇偶校驗位和3個位長的傳輸，并控制數據總線上所有數據信息的傳輸，并控制數據總線上所有數據信息的傳輸，數據總線上的信息流有信息組成，而信息有三種類型的字組成：命令字、數據字和狀態字。有10種信息格式，每個信息格式至少包含兩個字，每個字有16的同步頭，所有的信息字都采用ManchesterlI型碼。
如圖1所示，1553B的數據傳輸速率是1Mbit／s。按照ManchesterII型碼規則，將邏輯“0”用編碼“01”來表示，其中“0”和“1”各占0．5 μs，也即用一個由低到高的跳變來表示；將邏輯“1”用編碼“10”來表示，其中“1”和“0”各占0．5 μs，也即用一個由高到低的跳變來表示。
MIL-STD-1553B總線標準定義了三種字類型：命令字、數據字和狀態字。每一種字類型都有唯一的格式，但三種字類型有相同的數據結構，如圖2所示。每個字有20比特，最前面三個比特是同步字頭，標志新字的開始，同步字頭波形是無效的Manchester碼，因為其跳變僅僅發生在第二比特時間的正中。使用這種不同的模式，是為了讓解碼器在每個字的開頭重新建立同步，以及保持發送的整體穩定性；接下去的十六比特是信息字段，三種類型的字有不同的含義；最后一個比特是該字的奇偶校驗位，標準規定為奇校驗。
2 EDA設計
本文設計的ManchesterII型碼解碼器選擇ALTERA公司的Cyclone系列的EPlC6Q240C6芯片作為目標器件，在QuartusII9．0集成環境中，使用Verilog HDL硬件描述語言和原理圖混合輸入方法實現，使設計簡潔有效。
解碼器的功能是將1553B總線中串行輸入的數據轉變成并行數據，并檢查數據和奇偶校驗位是否正確，為下游的1553B處理器提供正確的數據。如圖3所示，解碼器包括同步模塊、同步頭檢出模塊、數據處理模塊、狀態機模塊。設計采用16M時鐘的工作頻率。
數據信號和使能信號可以在時鐘信號的一個周期之內的任意時間來領，也就是說無法定位數據信號和使能信號對于時鐘信號上升沿的時間間隔，這將使各模塊內部的時鐘計數器無法準確地計時，使狀態機無法準確地進行狀態跳變。
同步模塊的作用相當于一個D觸發器，它可以使數據信號和使能信號相對于時鐘信號的上升沿有固定的時間間隔，這個時間間隔就是同步模塊的tco，即時鐘輸出延時。這樣就為下游模塊的時鐘計算和時序約束提供了一個固定的參數，為各模塊的時鐘計數器準確計時和狀態機正確跳變奠定了基礎。
如圖4所示，同步模塊中Din和Din_n管腳(Din_n為Din的方向輸入信號)接收來自1553B模擬收發器的數據信號，read管腳接收模擬收發器發出的使能信號。產生與16MHz時鐘的上升沿同步的數據信號和使能信號。
同步頭檢出模塊是檢測1553B三種類型字的同步頭。如圖2所示，命令字和狀態字的同步頭是先高電平后低電平，數據字的同步頭是先低電平后高電平，三種字的同步頭的高低電平各占1．5 μs。在用Verilog HDL硬件描述語言設計中，本文通過設置兩個計數器，分別在時鐘信號上升沿的時候給高低電平計數，理論上說兩個計數器都等于24的時候，同步頭才算檢出。但是要考慮到tco的影響，設計中當兩個計數器到等于22的時候，就說同步頭檢出，這時產生message ready信號，告訴狀態機要開啟數據處理模塊。如圖5所示，是同步頭檢出頂層圖。
數據處理模塊是正確解碼后面的有效信息位，包括串并轉換、數據錯誤檢測、校驗位檢測。如圖6所示，利用把16MHz時鐘8分頻產生的2MHz的采樣信號對總線數據進行采樣，可以在每一碼位的1／4周期處和3／4周期處采樣，這樣采樣的信號最可靠。當一碼位兩次采樣的值不一樣時，就認為數據正確，并將第一次采樣的值發送給數據寄存器。如果一碼位兩次采樣的值相等，就認為數據錯誤，產生數據錯誤信號dataerror。當數據寄存器的前十六位的和除以2的余數等于第十七的數據時，就認為奇校驗正確。否則就認為錯誤，并產生奇校驗錯誤信號verify_error信號。圖7所示為數據處理頂層圖。
狀態機模塊是要正確地協調工作同步頭檢出模塊和數據處理模塊，如圖8所示狀態機模塊的狀態轉移圖。當狀態機被使能時，說明1553B總線數據來臨，此時狀態機產生SyncV end信號告訴同步頭檢出模塊開始工作。當同步頭檢出模塊工作結束時，產生Sync ready信號，告訴狀態機要開啟數據處理模快。當數據處理模塊工作到一定時間時會產生一個sync head信號，這個信號的意義是要讓狀態機告訴同步頭檢出模塊開始檢測下一個字的同步頭。而此時數據處理模塊還沒有工作完，只有當數據處理模塊產生finish信號時，才表示數據處理模塊工作完成，告訴狀態機關閉數據處理模塊。圖9所示是狀態機頂層圖。
在QuartuslI中的原理圖輸入界面中，將以上各模塊正確地連接在一起，如圖10所示為1553B總線的manchesterII型碼解碼器的頂層設計原理圖。
3 時序約束與驗證
時序約束是FPGA設計中非常重要的環節，只有建立了合理的時序約束，設計才能正常地工作。如今的FPGA中一般都有全銅層的全局時鐘驅動網絡，本設計中16MHz的時鐘設置成全局時鐘，可以有效地避免這些時鐘信號到達各寄存器時鐘短的時鐘偏斜。將時鐘的最高頻率設置成16．8MHz。圖11所示為解碼器的仿真時序圖，解碼器在一個字周期之后，解碼出數據為1110111011111011。
文章詳細介紹了一種利用FPGA實現的1553B總線用的ManchesterlI型碼解碼器，文章給出了解碼器各模塊的功能和實現方法，最后給出了頂層設計原理圖。給出的仿真時序圖證明這是一種可靠的實現方法。