NRZ-HDB3碼轉(zhuǎn)換器的高速長(zhǎng)距離通信
關(guān)鍵詞：NRZ HDB3 單片機(jī) E1收發(fā)芯片 DS2153Q
常用的NRZ碼不適合在高速長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)通信的信道中傳輸，因而選用了另外一種編碼—HDB3碼。HDB3碼是串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重要編碼方式。和最常用的NRZ碼相比，HDB3具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如：消除了NRZ碼的直流成分，具有時(shí)鐘恢復(fù)更好的抗干擾性能，這使它更適合于長(zhǎng)距離信道傳輸。
E1信號(hào)選用HDB3編碼方式，速率2.048Mbps，可以在特性阻抗120Ω的RJ45平衡雙絞線上傳輸1.5km，能夠滿足大多數(shù)情況下數(shù)據(jù)的高速長(zhǎng)距離傳輸。在數(shù)據(jù)速率小于2.048Mbps的高速速率時(shí)，可以通過(guò)插入額外數(shù)據(jù)比特提高數(shù)據(jù)數(shù)率。E1收發(fā)芯片DS2153Q完全符合E1信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，而且具備外圍微控制器接口，大大提高了該芯片的可用性。
E1有成幀、成復(fù)幀與不成幀三種方式。在成幀的E1中，第0時(shí)隙用于傳輸幀同步數(shù)據(jù)，其余31個(gè)時(shí)隙可以用于傳輸有效數(shù)據(jù)；在成復(fù)幀的E1中，除了第0時(shí)時(shí)隙外，第16時(shí)隙是用于傳輸信令的，只有第1～15，第17～31共30個(gè)時(shí)隙可用于傳輸有效數(shù)據(jù)；而在不成幀的E1中，所有32個(gè)時(shí)隙都可用于傳輸有效數(shù)據(jù)。本文提出的NRZHDB3碼制轉(zhuǎn)換器的E1工作在不成幀方式，也就是說(shuō)E1的32個(gè)時(shí)隙均用于傳輸有效數(shù)據(jù)。
1 E1收發(fā)芯片DS2153Q簡(jiǎn)述
DS2153Q是Dallas公司的T1/E1收發(fā)芯片，符合最新的E1線路標(biāo)準(zhǔn)，包括ITU G.703、G.704、G.706、G.823、I.431、ETSI300 011、300 233、TBR12和TBR13等，該芯片能完成NRZ和HDB3碼間的相互轉(zhuǎn)換，碼率可達(dá)2.048Mb/s，而且在片內(nèi)集成了接收NRZ碼的數(shù)據(jù)時(shí)將恢復(fù)電路，更有利于后級(jí)接收電路。片內(nèi)D/A能夠?qū)崿F(xiàn)G.703標(biāo)準(zhǔn)的輸出波形，適用于75Ω和120Ω特性阻抗的雙絞線，并且具有完善的數(shù)據(jù)流狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，可以實(shí)時(shí)指示數(shù)據(jù)流的傳輸狀況。
DS2153Q的外圍微控制器接口使其可以很容易與單片機(jī)等MCU接口連接。其內(nèi)部的71個(gè)8位寄存器使用戶可以通過(guò)MCU對(duì)DS2135Q進(jìn)行功能配置和狀態(tài)監(jiān)測(cè)這些寄存器主要有接收控制寄存器、發(fā)送控制寄存器通用控制寄存器、中斷屏蔽寄存器和工作狀態(tài)寄存器圖1為DS2135Q的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
2 碼制轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)
NRZ-DB3碼制轉(zhuǎn)換器為NRZ碼到HDB3碼和HDB3碼到NRZ碼的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)選用專用E1收到芯片DS2153Q和單片機(jī)AT89C51實(shí)現(xiàn)該碼制的轉(zhuǎn)換功能。該碼制轉(zhuǎn)換器把輸入的NRZ轉(zhuǎn)換為HDB3碼輸出，同時(shí)接收E1線路上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HRZ碼，并恢復(fù)出數(shù)據(jù)時(shí)鐘，供后級(jí)數(shù)據(jù)接收單元使用。
AT89C51為Atmel公司的8位單片機(jī)，負(fù)責(zé)控制通信芯片DS2153Q的工作模式和狀態(tài)監(jiān)，使其完成NRZ碼到HDB3碼和HDB3碼到HRZ碼的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，該單片機(jī)的外圍電路還包括μP監(jiān)控電路IMP813L，用于提高碼制轉(zhuǎn)換器工作的抗干擾能力和可靠性。
圖2是該碼制轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖。
DS2153Q的并行數(shù)據(jù)/地址線與單片機(jī)的P0口相連；片選信號(hào)選用單片機(jī)的P2.0；單片機(jī)的讀寫(xiě)信號(hào)與DS2153Q的讀寫(xiě)信號(hào)相連；同時(shí)，DS2153的兩個(gè)中斷申請(qǐng)線與單片機(jī)的INT0和INT1相連。這樣DS2153Q可以通過(guò)中斷的方式及時(shí)通知單片機(jī)自身的工作狀態(tài)。AT89C51與DS2153Q的電路連接圖如圖3所示，通過(guò)以上的硬連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)DS2153Q的控制和狀態(tài)監(jiān)控。
圖3 AT89C51與DS2153Q電路連接圖
該碼制轉(zhuǎn)換器選用IMP813L作為μP監(jiān)控電路，實(shí)現(xiàn)可靠上電復(fù)位和看門(mén)狗控制。DS2153Q的時(shí)鐘信號(hào)是通過(guò)對(duì)單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)的二分頻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)選用16.384MHz的時(shí)鐘信號(hào)，使用74HC74二分頻后，得到8.192MHz的頻率信號(hào)作為DS2153Q輸入時(shí)鐘。
在DS2153Q的電路設(shè)計(jì)中，為了使其工作在不成幀方式，發(fā)送的數(shù)據(jù)全部從TSER引腳輸入，需要將引腳TLINK和TSER短接。發(fā)光二極管用于轉(zhuǎn)換器的工作指示，可以直觀判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否正常。
該碼制轉(zhuǎn)換器使用特性阻抗120Ω的RJ45平衡雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DS2153Q收發(fā)電路如圖4所示，傳輸變壓器輸入輸出匝數(shù)比為1：1.36。
3 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)換器單片機(jī)控制程序包括兩部分：DS2153Q的功能配置和DS2153Q工作狀態(tài)監(jiān)控。DS2153Q的功能配置實(shí)現(xiàn)HDB3碼的正常動(dòng)作；DS2153Q工作狀態(tài)監(jiān)控用來(lái)實(shí)時(shí)獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)換器是否工作正常，并及時(shí)上報(bào)和指示。
3.1 DS2153Q功能配置
轉(zhuǎn)換器上電后，首先由μP監(jiān)控電路進(jìn)行有效復(fù)位，保證單片機(jī)的正常初始化，一單片機(jī)即進(jìn)入通信芯片DS2153Q的配置過(guò)程。
①初始化測(cè)試寄存器，向相應(yīng)測(cè)試寄存器寫(xiě)0即寫(xiě)。
②進(jìn)行接收控制存器（RCR）的配置，包括接收幀模式、自動(dòng)重同步使能、重同步準(zhǔn)則和接收動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)功能等，使DS2153Q接收單片工作在Auto Resync、Disable Elastic Store。
③進(jìn)行發(fā)送控制存器（TCR）的配置，包括發(fā)送幀模式、自動(dòng)設(shè)置故障位和16位引腳的功能選擇等，使DS2153Q發(fā)送單元工作在E-bits not automatically set in the transmit direction，并根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)換模式的不同設(shè)置16引腳的功能，0=Receive Loss of Sync(RLOS)、1=Loss of Transmit Clock(LOTC)。
④進(jìn)行通用控制存器（CCR）的配置，使能DS2153Q、HDB3碼的接收和發(fā)送、配置錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器更新時(shí)間、禁止動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)發(fā)送數(shù)據(jù)等。
⑤初始化中斷屏蔽寄存器，使能接收載波丟失、接收失步中斷、接收數(shù)據(jù)全0和全1中斷，使能發(fā)送時(shí)鐘丟失中斷，通過(guò)這些中斷使單片機(jī)可以及時(shí)得知DS2153Q的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)其的實(shí)施監(jiān)測(cè)。
⑥初始化傳輸線接口單元，向LIRST數(shù)據(jù)位寫(xiě)0，然后寫(xiě)1，使傳輸線接口進(jìn)入正常工作模式。
⑦初始化傳輸線接口控制寄存器，包括傳輸波形選擇、接收均衡器增益選擇、抗抖動(dòng)抑器選擇等。
單片機(jī)控制流程如圖5所示。
下面是DS2153Q的功能配置程序（部分）。
；*****************************************************；
MOV A，02H
MOV DPTR，#RCR1
MOVX @DPTR，A ；寫(xiě)寄存器RCR1，使能自動(dòng)重新同步
NOP
MOV A，#04H
MOV DPTR，#RCR2
MOVX @DPTR，A ；寫(xiě)寄存器RCR2，禁止彈性存儲(chǔ)功能
NOP
MOV A，#41H
MOV DPTR，#TCR1
MOVX @DPTR，A ；寫(xiě)寄存器TCR1，TSYNC為輸出方式
NOP
MOV A，#0F9H
MOV DPTR，#TCR2
MOVX @DPTR，A ；寫(xiě)寄存器TCR2，E數(shù)據(jù)位禁止自動(dòng)置位
NOP
MOV A，#44H
MOV DPTR，#CCR1
MOVX @DPTR，A ；寫(xiě)寄存器CCR1，允許接收和發(fā)
NOP ；HDB3碼
NOV A，#00H
MOV DPTR，#CCR2
MOVX @DPTR，A ；寫(xiě)寄存器CCR2，配置錯(cuò)誤計(jì)數(shù)寄存器
NOP
；********************************************************
3.2 DS2153Q狀態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)
在完成DS2153Q的寄存器配置后，單片機(jī)即進(jìn)入傳輸狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序，實(shí)時(shí)監(jiān)控DS2153Q的工作正常與否，包括狀態(tài)寄存器的讀取和DS2153Q中斷的響應(yīng)，并從中判斷故障、及時(shí)通報(bào)。
（1）發(fā)送狀態(tài)監(jiān)控
DS2153Q的發(fā)送狀態(tài)監(jiān)控是通過(guò)單片機(jī)的INT1來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)狀態(tài)寄存器的發(fā)送狀態(tài)位置1，則DS2153Q產(chǎn)生中斷，片機(jī)響應(yīng)該中斷來(lái)讀取當(dāng)前狀態(tài)寄存器的故障位。當(dāng)讀取完畢后，需要向該狀態(tài)寄存器特定狀態(tài)位寫(xiě)1，保證以后的故障可以正確置位。
下面給出了NRZ發(fā)送時(shí)鐘丟失故障的狀態(tài)監(jiān)控程序（中斷1處理程序）。
MOV DPTR，#SR2 ；讀DS2153Q狀態(tài)寄存器2
NOP
MOVX A，@DPTR
ANL A，#04H
JNZ ERROR
SJMP FAVER
ERROR：SETB ERR_SR
SJMP LOCKE
FAVER：CLR ERR_SR
LOCKE：JNB ERR_SR，WORK ；判斷發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鐘丟失與否
SETB P1.0 ；故障，工作指示二極管滅
SJMP EVER
WORK：CLR P1.0 ；正常，工作指示二極管亮
EVER：MOV DPTR，#SR2
MOV A，#04H
MOVX @DPTR，A
RETI
（2）接收狀態(tài)監(jiān)控
DS2153Q的接收狀態(tài)監(jiān)控是通過(guò)單片機(jī)的INT0來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)狀態(tài)寄存器的發(fā)送狀態(tài)位置1，則DS2153Q產(chǎn)生中斷，單片機(jī)響應(yīng)該中斷來(lái)讀取當(dāng)前狀態(tài)寄存器的故障位。當(dāng)讀取完畢后，需要向該狀態(tài)寄存器的特定狀態(tài)位寫(xiě)1，保證以后的故障可以正確置位。
下面給出了HDB3碼接收載波丟失故障的狀態(tài)監(jiān)控程序（中斷0處理程序）。
MOV DPTR，#SR1 ；讀DS2153Q狀態(tài)寄存器21
NOP
MOVX A，@DPTR
ANL A，#02H
JNZ ERROR
SJMP FAVER
EPPOR：SETB ERR_SR
SJMP LOCKE
FAVER：CLR ERR_SR
LOCKE：JNB ERR_SR，WORK ；判斷接收載波丟失與否
SETB P1.0 ；故障，工作指示二極管滅
SJMP EVER
WORK：CLR P1.0 ；正常，工作指示二極管亮
EVER：MOV DPTR，#SR1
MOV A，#02H
MOVX @DPTR，A
RETI
4 總結(jié)
NRZ-DB3碼制轉(zhuǎn)換器采用E1收發(fā)芯片DS2153Q，完成NRZ碼到HDB3碼和HDB3碼到NRZ碼的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)高速長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸，使2.048Mb/s數(shù)據(jù)流在RJ45接口的雙絞線上實(shí)現(xiàn)1.5km的傳輸距離，滿足大多數(shù)的高速數(shù)據(jù)傳輸情況。
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