STM32的曼徹斯特編譯碼系統(tǒng)設(shè)計

董福強，曲波

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院 蘇州 215006）

引 言

由于曼徹斯特（Manchester）編碼具有傳輸時無直流分量，時鐘提取方便等特點［1］，被廣泛地應(yīng)用于以太網(wǎng)、車輛總線、工業(yè)總線中。現(xiàn)在工程上常用的曼徹斯特編譯碼芯片為 HD－6408和 HD－6409，但是這種芯片有一些不足。首先，該芯片在傳輸速率和每幀數(shù)據(jù)中的有效位數(shù)等方面都做了嚴(yán)格的限制。其次，使用該芯片需要增加額外的硬件電路，提高了系統(tǒng)成本［2］。使用FPGA做曼徹斯特編譯碼成本高，而且開發(fā)周期長。本文提出了一種基于STM32F103RET6的編譯碼系統(tǒng)方案，利用了STM32F103RET6強大的定時器功能，采用靈活的編譯碼方式，傳輸速率和數(shù)據(jù)幀格式都可以根據(jù)需要完全自行定義。STM32F103RET6自帶DMA的功能使得數(shù)據(jù)編碼不再需要頻繁的定時中斷，提高了編碼速率，節(jié)約了CPU的資源。該設(shè)計方案實現(xiàn)方法簡單、穩(wěn)定、靈活，應(yīng)用范圍廣泛。

1 曼徹斯特碼

曼徹斯特編碼是一種自動同步的編碼方式即時鐘同步信號就隱藏在數(shù)據(jù)波形中。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作為時鐘信號，又作為數(shù)據(jù)信號。每個碼元均用兩個不同相位的電平信號表示，與用高、低電平表示的非歸零二進制碼相比，在連“0”或連“1”的情況下更易于提取同步時鐘信息。并且曼徹斯特碼傳輸時沒有直流分量，可以降低系統(tǒng)的功耗，且有很強的抗干擾能力。圖1所示是最常用的一種曼徹斯特編碼方法，當(dāng)傳送信號為“1”時，曼徹斯特編碼由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑蝗魝魉偷男畔椤?”，曼徹斯特由低電平跳變?yōu)楦唠娖剑?］，在一個數(shù)據(jù)周期內(nèi)保持低電平無跳變則表示空閑。

圖1 曼徹斯特編碼

2 STM32F103RET6的定時器與DMA簡介

控制器采用ST公司的STM32微處理器，STM32系列微處理器基于ARM Cortex－M3內(nèi)核，采用高效的哈佛結(jié)構(gòu)三級流水線，達到1.25DMIPS／MHz，這里我們選用增強型的STM32F103RET6。它具有如下特征：72MHz系統(tǒng)時鐘頻率、512KB閃存程序存儲器、64KB SRAM、8個定時器、3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，1個CAN接口、7通道DMA控制器，以及SPI、USART、I2C、I2S、USB接口等。該控制器具有豐富的外設(shè)和較強的抗干擾能力，很適用于工業(yè)現(xiàn)場控制［4］。

STM32F103RET6有8個定時器，每個定時器由一個可編程預(yù)分頻的16位自動裝載計數(shù)器構(gòu)成，計數(shù)頻率高達72MHz，它適用于多種場合包括輸入信號的脈沖長度（輸入捕獲）或者產(chǎn)生輸出波形（輸出比較或者PWM）［5］。

STM32F103RET6支持DMA操作，DMA是在外設(shè)和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸通道，通過DMA數(shù)據(jù)可以快速地移動而無需CPU的參與，這就節(jié)省了CPU的資源來做其他事情［6］。本次設(shè)計便是利用計數(shù)器觸發(fā)DMA進行內(nèi)存與定時器的數(shù)據(jù)交換，比起中斷查詢的方式，提高了編碼的效率和穩(wěn)定性。

定時器的計數(shù)頻率最高為72MHz，DMA傳輸速率為6Mb／s，因此曼徹斯特編碼的速率可以很輕松的做到1Mb／s，滿足高速編碼的需求。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

基于STM32F103RET6的曼徹斯特電壓、電流編譯碼系統(tǒng)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)設(shè)計主要使用STM32F103RET6芯片的定時器加DMA功能來實現(xiàn)曼徹斯特的電壓編譯碼，對于電流編碼譯碼需要借助外圍的電壓與電流轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)。

圖2 基于STM32F103RET6的曼徹斯特電壓／電流編譯碼系統(tǒng)框圖

3.1 電壓編碼

將定時器設(shè)置為輸出比較翻轉(zhuǎn)功能，申請一個緩存區(qū)，將要編碼的數(shù)據(jù)通過編碼算法轉(zhuǎn)換為翻轉(zhuǎn)匹配值放入此緩存區(qū)，如圖3所示的ABCDEF……計數(shù)值，編碼算法根據(jù)具體應(yīng)用中的編碼協(xié)議來編寫。啟動定時器后，計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值與定時器比較寄存器的值匹配時，輸出引腳的電平進行翻轉(zhuǎn)并觸發(fā)DMA從緩存區(qū)來更新比較寄存器；每更新一次，DMA指向的內(nèi)存地址遞增1，指向下一次要更新到比較寄存器的數(shù)據(jù)，以此方式實現(xiàn)定時器根據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)輸出對應(yīng)的編碼波形。編碼速率可通過修改定時器預(yù)分頻器和RCC時鐘控制器分頻器來進行調(diào)節(jié)。

圖3 編碼示例

3.2 電壓譯碼

將定時器設(shè)置為輸入捕獲功能，當(dāng)曼徹斯特碼的上升沿或下降沿到來時定時器會將當(dāng)前的計數(shù)值進行捕獲，并經(jīng)由DMA通道傳輸?shù)骄彺鎱^(qū)；主程序中會調(diào)用譯碼算法來對緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理并進行譯碼，譯碼作為編碼的逆過程，其譯碼算法也要根據(jù)具體應(yīng)用中的編碼協(xié)議來編寫。

3.3 電流編碼

將電壓編碼通過圖4所示的電壓／電流轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)，將定時器輸出的曼徹斯特電壓編碼轉(zhuǎn)換為曼徹斯特電流碼。

圖4 電壓／電流轉(zhuǎn)換電路

3.4 電流譯碼

將待測的曼徹斯特電流碼信號通過電流／電壓轉(zhuǎn)換為電壓碼，進行整形使邊緣變陡峭后交MCU來譯碼，電流／電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 電流／電壓轉(zhuǎn)換電路

4 軟件設(shè)計

軟件流程如圖6所示。系統(tǒng)初始化包括時鐘初始化、定時器初始化、DMA初始化等。如果一次性連續(xù)編碼的數(shù)據(jù)量比較大時，應(yīng)將這里的DMA緩沖區(qū)設(shè)置為雙緩沖，為每個用到的DMA通道開辟兩個緩沖區(qū)。當(dāng)DMA使用其中的一個緩沖區(qū)時，MCU調(diào)用編碼或者譯碼算法來對另外一個緩沖區(qū)進行讀寫操作；當(dāng)DMA數(shù)據(jù)傳輸完畢的時候，發(fā)生一個DMA傳輸結(jié)束中斷，在中斷服務(wù)程序里切換到另外一個緩沖區(qū)，并將編碼算法或者譯碼算法標(biāo)志位置位。當(dāng)主程序查詢到標(biāo)志位置位后，MCU調(diào)用編碼或者譯碼算法來對DMA先前指向的緩沖區(qū)進行處理（填充數(shù)據(jù)或者取數(shù)據(jù)）。當(dāng)然，如一次性編碼或者譯碼的數(shù)據(jù)不是很多時，我們只需一個緩沖區(qū)就夠了。

圖6 軟件流程

因為CPU處理數(shù)據(jù)的速度要高于編碼的速率，所以CPU可以空出時間來做其他的事情，時間的長短依賴于緩沖區(qū)的大小和編碼的速率，等到主程序中查詢到編碼或者譯碼標(biāo)志位置位了再去執(zhí)行編碼或者譯碼算法對數(shù)據(jù)進行處理，這樣就提高了CPU的工作效率。在實時性要求不高的應(yīng)用中，不再需要一個專門的CPU去處理編碼或者譯碼。

5 方案驗證

本方案已在汽車加速度傳感器模擬系統(tǒng)中得到了驗證，這里以某款加速度傳感器的曼徹斯特編碼協(xié)議為例，其數(shù)據(jù)幀格式為一幀數(shù)據(jù)為19位包括：2個起始位、2個類別位、10個數(shù)據(jù)位、5個CRC效驗位。

5.1 編碼方案驗證

對圖4所示電路的T1點測量曼徹斯特電壓編碼的波形，電流編碼的波形通過測量T2、T3間的壓降來間接測量。

對一幀數(shù)據(jù)0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1連續(xù)編碼，幀之間延時6μs，編碼速率400kb／s，編碼波形如圖7所示。

圖7 編碼波形

5.2 譯碼方案驗證

通過對某真實傳感器輸出的曼徹斯特電流碼進行捕獲譯碼，得到其ID信息，譯碼數(shù)據(jù)如圖8所示。ID正確，譯碼成功。

圖8 譯碼數(shù)據(jù)

結(jié) 語

該設(shè)計方案可以方便地實現(xiàn)曼徹斯特電壓、電流編碼譯碼，實現(xiàn)方法靈活、可靠，適用于各種類型的曼徹斯特編碼譯碼應(yīng)用領(lǐng)域。目前，本設(shè)計方案已經(jīng)成功地應(yīng)用在汽車加速度傳感器模擬系統(tǒng)中。

［1］張淑玲，沈田.曼徹斯特碼技術(shù)在測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2009，37（9）：187－189.

［2］劉遠(yuǎn)峰.基于FPGA的曼徹斯特編解碼設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代計算機，2011（12）：88－90.

［3］董健，董會寧，陳虎，等.基于FPGA的曼徹斯特編解碼器研究［J］.無線通信技術(shù)，2010（3）：5－8.

［4］肖前軍.基于STM32和MODBUS協(xié)議的多參數(shù)數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計［J］.制造業(yè)自動化，2010，32（12）：205－208.

［5］ST.STM32F103x6STM32F103x8STM32F103xB［EB／OL］.［2011－09］.http：／www.st.com／.

［6］喻金錢，喻斌.STM32F系列ARM Cortex－M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.