基于CPLD的位同步時(shí)鐘提取電路設(shè)計(jì)
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引言
異步串行通信是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最常用的數(shù)據(jù)信息傳輸方式之一，一般情況下，為了能夠正確地對(duì)異步串行數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收，就必須使其接收與發(fā)送的碼元同步，位同步時(shí)鐘信號(hào)不僅可用來(lái)對(duì)輸入碼元進(jìn)行檢測(cè)以保證收發(fā)同步，而且在對(duì)接收的數(shù)字碼元進(jìn)行各種處理等過(guò)程中，也可以為系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)的同步時(shí)鐘。
本文介紹的位同步時(shí)鐘的提取方案，原理簡(jiǎn)單且同步速度較快。整個(gè)系統(tǒng)采用veriloghdl語(yǔ)言編寫，并可以在cpld上實(shí)現(xiàn)。
位同步時(shí)鐘的提取原理
本系統(tǒng)由一個(gè)跳變沿捕捉模塊、一個(gè)狀態(tài)寄存器和一個(gè)可控計(jì)數(shù)器共三部分組成，整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，其中data_in是輸入系統(tǒng)的串行信號(hào)，clock是頻率為串行信號(hào)碼元速率2n倍的高精度時(shí)鐘信號(hào)，pulse_out是系統(tǒng)產(chǎn)生的與輸入串行信號(hào)每個(gè)碼元位同步的脈沖信號(hào)，即位同步時(shí)鐘。
跳變沿捕捉模塊的輸入也就是整個(gè)的輸入data_in和clock。當(dāng)data_in發(fā)生跳變時(shí)，無(wú)論是上升沿或是下降沿，捕捉模塊都將捕捉所發(fā)生的這次跳變，并產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)clear，這個(gè)clear信號(hào)所反應(yīng)的就是輸入信號(hào)發(fā)生跳變的時(shí)刻。然后以它為基準(zhǔn)，就可以有效地提取輸入串行信號(hào)的同步時(shí)鐘。
狀態(tài)寄存器有兩個(gè)輸入，分別接跳變沿捕捉模塊的輸出clear和可控計(jì)數(shù)器的輸出pulse_out，當(dāng)clear信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，此狀態(tài)寄存器的輸出k被置1，之后在pulse_out和k信號(hào)本身的控制下，k在pulse_out和k信號(hào)上產(chǎn)生一個(gè)脈沖之后被置0，這個(gè)k為一般連接到可控計(jì)數(shù)器的控制端。
可控計(jì)數(shù)器是?？勺兊挠?jì)數(shù)器，在k信號(hào)的控制下可以對(duì)clock信號(hào)進(jìn)行模為n-2或2n的計(jì)數(shù)，其三個(gè)輸入分別接跳變沿捕捉模塊的輸出clear、狀態(tài)寄存器的輸出k和時(shí)鐘clock。其中clear信號(hào)可以對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行異步清零，k信號(hào)可選擇計(jì)數(shù)的模，當(dāng)k=1時(shí)，計(jì)數(shù)器的模為n-2，計(jì)數(shù)滿n-2后即產(chǎn)生輸出脈沖pulse_out，當(dāng)k=0時(shí)，計(jì)數(shù)器的模為2n，計(jì)數(shù)滿2n時(shí)，產(chǎn)生輸出脈沖pulse_out。
整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)輸入信號(hào)data_in發(fā)生跳變時(shí)，跳變沿捕捉將可以捕捉到這次跳變，并產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)clear，此clear信號(hào)可以將可控計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值清零，同時(shí)將狀態(tài)寄存器的輸出k置1，并送入可控計(jì)數(shù)器中，以使計(jì)數(shù)器進(jìn)行模塊為n-2的計(jì)數(shù)，待計(jì)滿后，便可輸出脈沖信號(hào)pulse_out，此信號(hào)一方面可作為整個(gè)系統(tǒng)輸出的位同步時(shí)鐘信號(hào)，另一方面，它也被接進(jìn)了狀態(tài)寄存器，以控制其輸出k在計(jì)數(shù)器完成n-2的計(jì)數(shù)后就變?yōu)?，并在沒(méi)有clear脈沖信號(hào)時(shí)使k保持為0，從而使可控計(jì)數(shù)器的模保持為2n，直到輸入信號(hào)data_in出現(xiàn)新的跳變沿并產(chǎn)生新的clear脈沖信號(hào)，由以上原理可見，在輸入信號(hào)為連“1”或連“0”的情況下，只要系統(tǒng)使用的時(shí)鐘信號(hào)足夠精確，就可以保證在一定時(shí)間里輸出滿足要求的位同步時(shí)鐘，而在輸入信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，系統(tǒng)又會(huì)捕捉下這個(gè)跳變沿并以此為基準(zhǔn)輸出位同步時(shí)鐘。
位同步時(shí)鐘的提取
本系統(tǒng)包括三個(gè)部分，一是采用veriloghdl語(yǔ)言編寫程序，第二步再將每個(gè)部分作為一個(gè)模塊（module）來(lái)編寫，最后通過(guò)元件例化的方法將三個(gè)模塊連接起來(lái)，以完成這個(gè)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
下面是跳變沿捕捉模塊的部分程序，其中int0為串行輸入信號(hào)，pcclk為輸入系統(tǒng)的高精度時(shí)鐘信號(hào)，本模塊的輸出pcout對(duì)應(yīng)于圖1中的clear信號(hào)，它同時(shí)又接入狀態(tài)寄存器模塊的psclr和可控計(jì)數(shù)器模塊的clr。其仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。
跳變沿捕捉模塊的部分程序如下：
module pcheckcapture （pcout，int0，pcclk）；
……
reg pctemp1，pctemp2；
always@（posedge pcclk） begin
pctemp1<=int0；
pctemp2<=pctemp1；
end
assign pcout=pctemp1＾pctemp2；
……
狀態(tài)寄存器模塊的部分程序如下，其中輸入信號(hào)psclr來(lái)自跳變沿捕捉模塊，另一個(gè)輸入信號(hào)pss則來(lái)自可控計(jì)數(shù)器的輸出s對(duì)應(yīng)圖1中的pulse_out，輸出信號(hào)psout對(duì)應(yīng)圖1中的k；
module pchecksreg （psout，pss，psclr）；
……
wire pstemp；
assign pstemp=～（pss&psout）；
always@（posedge pstemp or posedge psclr） begin
if（psclr==1b1）psout<=1；
else psout<=～psout；
end
……
下面是可控計(jì)數(shù)器模塊的部分程序，其中三個(gè)輸入信號(hào)k、clr、clk分別對(duì)應(yīng)于圖1中的k、clear、clock，輸出信號(hào)s對(duì)應(yīng)于圖1中的輸出信號(hào)pulse_out；
module pcheckcoumter （s，k，clr，clk）；
……
always@（posedge clk or posedge clr）
begin
if（clr==1）begin
s=0；
cnt=0；
end
else begin
if（k==0） begin
if（cnt==2n-1）begin
cnt=0；
s=1；
end；
else begin
cnt=cnt+1；
s=0；
end
end
else begin
if（cnt==n-2）begin cnt=0；
s=1；
end
else begin
cnt=cnt+1；
s=0；
end
………
在頂層模塊中，應(yīng)對(duì)三個(gè)模塊進(jìn)行例化，并在導(dǎo)線相連接，以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，此模塊的程序如下：
modulepchecktop （ptout，ptint，ptclk）；
inout ptout；
input ptint，ptclk；
pcheckcapture a （clear，ptint，ptclk）；
pcheckcounter b （ptout，k，clear，ptclk）；
pchecksreg
c（k，ptout，clear）；
endmodule
圖3為整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果。
結(jié)束語(yǔ)
本位同步時(shí)鐘提取方案已在cpld器件上進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)，通過(guò)以上的分析可知，本位同步時(shí)鐘的提取方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省硬件資源、同步建立時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，在輸入信號(hào)有一次跳變后，系統(tǒng)出現(xiàn)連“1”連“0”，或信號(hào)中斷時(shí)，此系統(tǒng)仍然能夠輸出位同步時(shí)鐘脈沖，此后，只要輸入信號(hào)恢復(fù)并產(chǎn)生新的跳變沿，系統(tǒng)仍可以調(diào)整此位同步時(shí)鐘脈沖輸出而重新同步，此系統(tǒng)中輸入的時(shí)鐘信號(hào)頻率相對(duì)碼元速率越高，同步時(shí)鐘的位置就越精確，而當(dāng)輸入碼元速率改變時(shí)，只要改變本系統(tǒng)中的n值系統(tǒng)就可重新正常工作。
評(píng)論