NRZ-HDB3碼轉換器的高速長距離通信

    摘要：HDB3碼無直流分量，具有時鐘恢復和較好的抗干擾能力。本文提出使用HDB3碼用于高速長距離的數(shù)據(jù)傳輸，并給出使用單片機AT89C51控制E1收發(fā)芯片DS2153Q實現(xiàn)NRZ-HDB3的碼制轉換，包括碼轉換器的電路設計和控制軟件設計。

    關鍵詞：NRZ HDB3 單片機 E1收發(fā)芯片 DS2153Q

常用的NRZ碼不適合在高速長距離數(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，例如：消除了NRZ碼的直流成分，具有時鐘恢復更好的抗干擾性能，這使它更適合于長距離信道傳輸。

E1信號選用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)的高速長距離傳輸。在數(shù)據(jù)速率小于2.048Mbps的高速速率時，可以通過插入額外數(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信號標準，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、成復幀與不成幀三種方式。在成幀的E1中，第0時隙用于傳輸幀同步數(shù)據(jù)，其余31個時隙可以用于傳輸有效數(shù)據(jù)；在成復幀的E1中，除了第0時時隙外，第16時隙是用于傳輸信令的，只有第1～15，第17～31共30個時隙可用于傳輸有效數(shù)據(jù)；而在不成幀的E1中，所有32個時隙都可用于傳輸有效數(shù)據(jù)。本文提出的NRZHDB3碼制轉換器的E1工作在不成幀方式，也就是說E1的32個時隙均用于傳輸有效數(shù)據(jù)。

1 E1收發(fā)芯片DS2153Q簡述

DS2153Q是Dallas公司的T1/E1收發(fā)芯片，符合最新的E1線路標準，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碼間的相互轉換，碼率可達2.048Mb/s，而且在片內集成了接收NRZ碼的數(shù)據(jù)時將恢復電路，更有利于后級接收電路。片內D/A能夠實現(xiàn)G.703標準的輸出波形，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)測功能，可以實時指示數(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等MCU接口連接。其內部的71個8位寄存器使用戶可以通過MCU對DS2135Q進行功能配置和狀態(tài)監(jiān)測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的內部結構圖。

2 碼制轉換器電路設計

NRZ-DB3碼制轉換器為NRZ碼到HDB3碼和HDB3碼到NRZ碼的轉換，設計選用專用E1收到芯片DS2153Q和單片機AT89C51實現(xiàn)該碼制的轉換功能。該碼制轉換器把輸入的NRZ轉換為HDB3碼輸出，同時接收E1線路上的數(shù)據(jù)轉換成HRZ碼，并恢復出數(shù)據(jù)時鐘，供后級數(shù)據(jù)接收單元使用。

AT89C51為Atmel公司的8位單片機，負責控制通信芯片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碼的轉換。同時，該單片機的外圍電路還包括μP監(jiān)控電路IMP813L，用于提高碼制轉換器工作的抗干擾能力和可靠性。

圖2是該碼制轉換器的結構框圖。

DS2153Q的并行數(shù)據(jù)/地址線與單片機的P0口相連；片選信號選用單片機的P2.0；單片機的讀寫信號與DS2153Q的讀寫信號相連；同時，DS2153的兩個中斷申請線與單片機的INT0和INT1相連。這樣DS2153Q可以通過中斷的方式及時通知單片機自身的工作狀態(tài)。AT89C51與DS2153Q的電路連接圖如圖3所示，通過以上的硬連接，實現(xiàn)單片機對DS2153Q的控制和狀態(tài)監(jiān)控。

圖3 AT89C51與DS2153Q電路連接圖

    該碼制轉換器選用IMP813L作為μP監(jiān)控電路，實現(xiàn)可靠上電復位和看門狗控制。DS2153Q的時鐘信號是通過對單片機時鐘信號的二分頻來實現(xiàn)的。單片機選用16.384MHz的時鐘信號，使用74HC74二分頻后，得到8.192MHz的頻率信號作為DS2153Q輸入時鐘。

在DS2153Q的電路設計中，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)光二極管用于轉換器的工作指示，可以直觀判斷當前數(shù)據(jù)轉換是否正常。

該碼制轉換器使用特性阻抗120Ω的RJ45平衡雙絞線進行數(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 單片機控制程序設計

轉換器單片機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的功能配置實現(xiàn)HDB3碼的正常動作；DS2153Q工作狀態(tài)監(jiān)控用來實時獲得當前轉換器是否工作正常，并及時上報和指示。

3.1 DS2153Q功能配置

轉換器上電后，首先由μP監(jiān)控電路進行有效復位，保證單片機的正常初始化，一單片機即進入通信芯片DS2153Q的配置過程。

①初始化測試寄存器，向相應測試寄存器寫0即寫。

②進行接收控制存器（RCR）的配置，包括接收幀模式、自動重同步使能、重同步準則和接收動態(tài)存儲功能等，使DS2153Q接收單片工作在Auto Resync、Disable Elastic Store。

③進行發(fā)送控制存器（TCR）的配置，包括發(fā)送幀模式、自動設置故障位和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)當前轉換模式的不同設置16引腳的功能，0=Receive Loss of Sync(RLOS)、1=Loss of Transmit Clock(LOTC)。

④進行通用控制存器（CCR）的配置，使能DS2153Q、HDB3碼的接收和發(fā)送、配置錯誤計數(shù)器更新時間、禁止動態(tài)存儲發(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)送時鐘丟失中斷，通過這些中斷使單片機可以及時得知DS2153Q的工作狀態(tài)，實現(xiàn)單片機對其的實施監(jiān)測。

    ⑥初始化傳輸線接口單元，向LIRST數(shù)據(jù)位寫0，然后寫1，使傳輸線接口進入正常工作模式。

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、抗抖動抑器選擇等。

單片機控制流程如圖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 ；寫寄存器RCR1，使能自動重新同步

NOP

MOV A，#04H

MOV DPTR，#RCR2

MOVX @DPTR，A ；寫寄存器RCR2，禁止彈性存儲功能

NOP

MOV A，#41H

MOV DPTR，#TCR1

MOVX @DPTR，A ；寫寄存器TCR1，TSYNC為輸出方式

NOP

MOV A，#0F9H

MOV DPTR，#TCR2

MOVX @DPTR，A ；寫寄存器TCR2，E數(shù)據(jù)位禁止自動置位

NOP

MOV A，#44H

MOV DPTR，#CCR1

MOVX @DPTR，A ；寫寄存器CCR1，允許接收和發(fā)

NOP ；HDB3碼

NOV A，#00H

MOV DPTR，#CCR2

MOVX @DPTR，A ；寫寄存器CCR2，配置錯誤計數(shù)寄存器

NOP

；********************************************************

3.2 DS2153Q狀態(tài)監(jiān)控設計

在完成DS2153Q的寄存器配置后，單片機即進入傳輸狀態(tài)監(jiān)測程序，實時監(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，并從中判斷故障、及時通報。

（1）發(fā)送狀態(tài)監(jiān)控

DS2153Q的發(fā)送狀態(tài)監(jiān)控是通過單片機的INT1來實現(xiàn)的。當狀態(tài)寄存器的發(fā)送狀態(tài)位置1，則DS2153Q產生中斷，片機響應該中斷來讀取當前狀態(tài)寄存器的故障位。當讀取完畢后，需要向該狀態(tài)寄存器特定狀態(tài)位寫1，保證以后的故障可以正確置位。

下面給出了NRZ發(fā)送時鐘丟失故障的狀態(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)控是通過單片機的INT0來實現(xiàn)的。當狀態(tài)寄存器的發(fā)送狀態(tài)位置1，則DS2153Q產生中斷，單片機響應該中斷來讀取當前狀態(tài)寄存器的故障位。當讀取完畢后，需要向該狀態(tài)寄存器的特定狀態(tài)位寫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

NRZ-DB3碼制轉換器采用E1收發(fā)芯片DS2153Q，完成NRZ碼到HDB3碼和HDB3碼到NRZ碼的轉換，實現(xiàn)高速長距離的數(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。