STM32的曼徹斯特編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董福強(qiáng)，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(shí)無直流分量，時(shí)鐘提取方便等特點(diǎn)［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(qiáng)大的定時(shí)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(shí)中斷，提高了編碼速率，節(jié)約了CPU的資源。該設(shè)計(jì)方案實(shí)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(dòng)同步的編碼方式即時(shí)鐘同步信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)，又作為數(shù)據(jù)信號(hào)。每個(gè)碼元均用兩個(gè)不同相位的電平信號(hào)表示，與用高、低電平表示的非歸零二進(jìn)制碼相比，在連“0”或連“1”的情況下更易于提取同步時(shí)鐘信息。并且曼徹斯特碼傳輸時(shí)沒有直流分量，可以降低系統(tǒng)的功耗，且有很強(qiáng)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(hào)為“1”時(shí)，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(gè)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(shí)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(jí)流水線，達(dá)到1.25DMIPS／MHz，這里我們選用增強(qiáng)型的STM32F103RET6。它具有如下特征：72MHz系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、512KB閃存程序存儲(chǔ)器、64KB SRAM、8個(gè)定時(shí)器、3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，1個(gè)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(qiáng)的抗干擾能力，很適用于工業(yè)現(xiàn)場控制［4］。

STM32F103RET6有8個(gè)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器由一個(gè)可編程預(yù)分頻的16位自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器構(gòu)成，計(jì)數(shù)頻率高達(dá)72MHz，它適用于多種場合包括輸入信號(hào)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(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)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(dòng)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(jì)便是利用計(jì)數(shù)器觸發(fā)DMA進(jìn)行內(nèi)存與定時(shí)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(shí)器的計(jì)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(shí)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(jì)主要使用STM32F103RET6芯片的定時(shí)器加DMA功能來實(shí)現(xiàn)曼徹斯特的電壓編譯碼，對(duì)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(shí)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(shí)器設(shè)置為輸出比較翻轉(zhuǎn)功能，申請(qǐng)一個(gè)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(jì)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(dòng)定時(shí)器后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與定時(shí)器比較寄存器的值匹配時(shí)，輸出引腳的電平進(jìn)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(shí)現(xiàn)定時(shí)器根據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)輸出對(duì)應(yīng)的編碼波形。編碼速率可通過修改定時(shí)器預(yù)分頻器和RCC時(shí)鐘控制器分頻器來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 編碼示例

3.2 電壓譯碼

將定時(shí)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(shí)定時(shí)器會(huì)將當(dāng)前的計(jì)數(shù)值進(jìn)行捕獲，并經(jīng)由DMA通道傳輸?shù)骄彺鎱^(qū)；主程序中會(huì)調(diào)用譯碼算法來對(duì)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)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(shí)現(xiàn)，將定時(shí)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(hào)通過電流／電壓轉(zhuǎn)換為電壓碼，進(jìn)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(jì)

軟件流程如圖6所示。系統(tǒng)初始化包括時(shí)鐘初始化、定時(shí)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(shí)，應(yīng)將這里的DMA緩沖區(qū)設(shè)置為雙緩沖，為每個(gè)用到的DMA通道開辟兩個(gè)緩沖區(qū)。當(dāng)DMA使用其中的一個(gè)緩沖區(qū)時(shí)，MCU調(diào)用編碼或者譯碼算法來對(duì)另外一個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作；當(dāng)DMA數(shù)據(jù)傳輸完畢的時(shí)候，發(fā)生一個(gè)DMA傳輸結(jié)束中斷，在中斷服務(wù)程序里切換到另外一個(gè)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(duì)DMA先前指向的緩沖區(qū)進(jìn)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(shí)，我們只需一個(gè)緩沖區(qū)就夠了。

圖6 軟件流程

因?yàn)镃PU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(shí)間來做其他的事情，時(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣就提高了CPU的工作效率。在實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用中，不再需要一個(gè)專門的CPU去處理編碼或者譯碼。

5 方案驗(yàn)證

本方案已在汽車加速度傳感器模擬系統(tǒng)中得到了驗(yàn)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(gè)起始位、2個(gè)類別位、10個(gè)數(shù)據(jù)位、5個(gè)CRC效驗(yàn)位。

5.1 編碼方案驗(yàn)證

對(duì)圖4所示電路的T1點(diǎn)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(duì)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(shí)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(yàn)證

通過對(duì)某真實(shí)傳感器輸出的曼徹斯特電流碼進(jìn)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(jì)方案可以方便地實(shí)現(xiàn)曼徹斯特電壓、電流編碼譯碼，實(shí)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(jì)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(jì)算機(jī)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(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2011（12）：88－90.

［3］董健，董會(huì)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(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)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.