CPLD器件在时间统一系统中的应用
CPLD器件在时间统一系统中的应用 摘要：时间统一系统是靶场试验任务顺利完成的关键。本文介绍一种利用 CPLD器件实现的可编程的性能良好的IRIG-B码源。通过高度集成，将用于产生 B码的各种门电路集成在一个芯片中，构成一个应用系统，达到了最佳性价比。关键词：B码源 CPLD器件 时序 引 言 随着电子技术的发展，对遥测信号的帧结构的可编程度、集成度的要 求越来越高，用于时间统一系统的B码源的设计也趋于高度集成化。为了适应现 代靶场试验任务的要求，我们采用Altera的CPLD器件，将用于产生B码的各种门 电路集成在一个芯片，通过高度集成的系统可以用于产生标准的串行时间码向测 量设备发送，测量设备对接收到的B码进行解调能产生出系统所需的绝对时间和 各种控制信号。此B码产生系统可作为基地设备检测调试用，也可作实践教学设 备。
图1 IRIG-B（DC）时间码格式 1 IRIG-B码介绍 在靶场试验中随着设备所需信息量的增加，对标准化时统设备要求也 就越来越高，其中关键的问题之一就是选用什么样的时间码。IRIG-B(美国靶场 仪器组-B 型格式)DC时间码以其实际优越性能，成为时统设备首选的标准码型。
IRIG（Inter-Range Instrumentation Group）是美国靶场司令部委员会 的下属机构，称为"靶场时间组"。IRIG时间标准有两大类：一类是并行时间码格 式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，因此远不如串行格式 广泛；
另一类是串行时间码，共有六种格式，即A、B、D、E、G、H。它们的 主要差别是时间码的帧速率不同。B码的主要特点是时帧速率为1帧/s；
携带信息 量大，经译码后可获得1、10、100、1000 c/s的脉冲信号和BCD编码的时间信息 及控制功能信息；
高分辨率；
调制后的B码带宽，适用于远距离传输；
分直流、 交流两种；
具有接口标准化，国际通用。IRIG-B（DC）时间码格式如图1所示。
其帧速率为1帧/s，可将1帧(1s)分为10个字，每字为10位，每位的周期均为10 ms。
每位都以高电平开始，其持续时间分为3种类型：2 ms(如二进制"0"码和索引标志) 、5 ms（如二进制"1"码）和8 ms（如参考码元，即每秒开始的第一字的第一 位；
位置标志P0～P9，即每个字的第十位）。第一个字传送的s是信息，第二个 字是min信息，第三个字是h信息，第四、五个字是d（从1月1日开始计算的年积 日）。另外，在第八个字和第十个字中分别有3位表示上站和分站的特标控制码 元(参考图1)。
2 硬件电路设计 B码信号是否正确,是否被正确地解调出来,关键在于能否按照B码的 变化规律产生预置信号。本课题的难点在于按照其本身的变化规律安排好产生B 码的各种时序。
用9个十进制计数器级联组成时钟电路，用来产生时间信号--天、时、 分、秒信号。四种信号经过缓存后顺序送入并串转换电路，将并行码串行输出， 由7个产生时序脉冲的4017级联产生B码所需的三种脉冲形式，经过逻辑门的控 制将串行输出的时间码转化成B码。将所有计数器、缓存器、并串转换电路、时 序脉冲产生器、各种逻辑门等集成到可编程器件(CPLD)中，即用将一个完整的 系统集成到一个芯片中。外围电路只需一个时钟电路和上电置数电路即可。由于 采用了可编程器件,用软件编程可以把一个硬件系统集成到一个芯片中，大大简 化了硬件电路，并且可以对芯片内部的电路进行仿真和多次编程，调试起来很方 便。
根据确定的方案，设计的硬件电路如图 2所示。可编程器件 EPM7128SLC84-15内部电路如图3所示。
硬件电路由可编程芯片、主时钟、置数电路三部分组成。芯片内部电路由 365进制计数器、缓冲电路、并串转换电路、时序脉冲发生器及逻辑门控制电路 组成。
图2中，置数电路将预置好的时间置入，使得芯片内部的365进制计数 器从此时刻开始计数。主时钟是频率为10 MHz的晶振，作为芯片内部时序脉冲 发生器的时钟信号。可编程芯片内部电路设计是本课题设计的核心。图 3中，时 序脉冲发生器由七级4017级联而成，由外输入时钟作为第一级的时钟。第七级产 生的秒信号作为365进制计数器的时钟，该计数器组由九个十进制同步计数器 74LS162组成，输出7位二进制形式的秒信号，7位分信号，6位时信号，10位天 信号（分为低八位和高二位天信号两组）。输出的时间信号送至缓冲器，由时序脉冲发生器的第六级输出周期为100 ms的时钟信号作为缓冲器的内部时钟，将缓 冲过的时间信号以B码的格式顺序送入并串转换电路。并串转换电路的置位信号 由时序脉冲发生器第六级的Q8提供，每100 ms将输入的时间信号锁存一次，时 序脉冲发生器的第五级输出的周期为10 ms的时钟作为并串转换的时钟，将并行 数据串行输出。时序脉冲发生器通过逻辑门的控制产生了B码的三种脉冲形式：
第一种是高电平为2 ms ，低电平为8 ms的脉冲（代表逻辑"0"）；
第二种是高、 低电平均为5 ms的脉冲（代表逻辑"1"）；
第三种是高电平为8 ms ，低电平为2 ms 的脉冲（作为位置识别标志和参考码元）。并串转换输出的串行码经过逻辑门的 控制，码quot;1"转化为B码脉冲的第一种形式，码元"0"转化为B码脉冲的第二种 形式，即将二进制的时间信号转变成为B码形式。参考码元、时间码元、位置识 别标志综合在一起作为真正的B码输出。
3 主要单元电路设计 3.1 置数电路 根据课题要求，电路应具有置数功能。置数电路如图 4 所示，改进 后的置数电路如图 5所示。
将预置的天、时、分、秒在上电的同时置入各个计数器中。由于计数 器74LS162是同步计数器，要求置数脉冲有效时（低电平有效）至少有一个时钟 的上升沿。
计数器的时钟是由时序脉冲发生器提供的秒信号，为了保证在置数脉 冲有效时存在一个时钟上升沿，对秒信号作如下改进：
输入信号clka 由时序脉冲发生器产生，输出信号clk 作为365进制计 数器的时钟。输入输出波形关系如图 6所示。
3.2 可编程芯片EPM7128SLC84-15内部电路 本部分采用层次结构的设计，由底层到顶层将复杂的电路模块化，最 后生成一个顶层模块。图7 表示内部电路的层次结构。
最底层的四个模块分别包含四部分较复杂的电路，将四个模块分为两 组，又生成较高层的模块t1和t2，模块t1和t2最终生成最顶层的模块。采取模块化 设计的优点在于可以由底层到顶层对每一个模块分别进行仿真，有利于各个模块间时序的配合。
（1）t2模块 365进制计数器 该部分电路由九个十进制同步计数器 74LS162级联而成，称为计数 链,生成的模块形式如图 8所示。
图10 t2模块内部电路 缓冲电路 它的功能是将计数器输出的5组时间信号以B码的格式交替输出。缓 冲电路生成的模块如图 9所示。
为简单起见，用VHDL语言描述如下: FUNCTION 74160 (clk, ldn, clrn, enp, ent, d, c, b, a) RETURNS (qd, qc, qb, qa, rco);
SUBDESIGN testa (dina[6..0],dinb[6..0],dinc[5..0],dind[7..0],dine[1..0],fin1,fin2:INPUT ;
dout[9..0] : output;) VARIABLE q[3..0] :node;
begin (q3,q2,q1,q0,)= 74160(fin1,vcc,fin2,vcc,vcc,GND,GND,GND,GND);
case q[3..0] is when 0= dout[4..1]=dina[3..0];dout5=gnd;dout[8..6]=dina[6..4];dout9=gnd;dout0=gnd;
when 1= dout[3..0]=dinb[3..0];dout4=gnd;dout[7..5]=dinb[6..4];dout[9..8]=gnd;
when 2= dout[3..0]=dinc[3..0];dout4=gnd;dout[6..5]=dinc[5..4] ;dout[9..7]=gnd;
when 3= dout[3..0]=dind[3..0];dout4=gnd;dout[8..5]=dind[7..4];dout9=gnd;
when 4= dout[1..0]=dine[1..0];dout[9..2]=gnd;
when others= dout[9..0]=gnd;
end case;
end;
图14 t1模块内部电路 t2模块是由计数器和缓冲电路合成的较高层的模块。这个模块的功能是 置数后计数器从此时刻开始按秒计数，将时间信号以B码的格式并行输出。两个 模块的连接情况如图 10所示，t2模块如图 11 所示。
（2）t1模块 并串转换电路 由于B码是串行码，须将t1模块输出的并行数据进行并串转换。并串 转换电路生成的模块如图 12 所示。
时序脉冲发生器 该部分电路主要由七个脉冲分配器相级联和一些逻辑门控制组成。完 成的主要功能有：产生B码的3种脉冲形式；
提供计数器的时钟--"S"信号；
提供 缓冲电路中计数器的时钟--周期100 ms；
提供并串转换电路的置位信号。时序脉 冲发生器生成的模块如图13所示。图16 t3模块内部电路图 t1模块是并串转换电路和时序脉冲发生器合成的较高层的模块。这个模 块的功能是将t2模块输出的并行时间码串行输出，由时序脉冲发生器输出各种控 制信号对串行码控制输出B码的三类脉冲，同时输出t2模块所需的各类时钟信号。
并串转换电路模块和时序脉冲发生器模块的连接情况见图 14，t1模块见图15。
（3）t3模块 t3模块是由t1、t2两个模块构成的最顶层的模块，其内部连接如图16 所示。
由图16可见，t3模块（图17）将所有内部电路集成，整个电路只有32 个输入端，3个输出端。将t3模块直接烧入可编程芯片即可。
3.3 码合成电路 可编程芯片输出了组成B码的3个分信号，经过1个或门后将3个信号 合成了B码信号，如图18所示。
图18 合成B码波形图 结 语 本设计的难点在于如何正确地安排好芯片内部各个模块之间的时序。
该B码源通过解调之后能够显示正确的时间，达到了很好的效果。该B码源最大 的特点是电路非常简单，可靠性较高。通过可编程芯片高度集成了一个系统，克 服了以往B码源电路复杂的缺点。