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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據傳輸，并給出使用單片機AT89C51控制E1收發芯片DS2153Q實現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：NRZHDB3單片機E1收發芯片DS2153Q
常用的NRZ碼不適合在高速長距離數據通信的信道中傳輸，因而選用了另外一種編碼—HDB3碼。HDB3碼是串行數據傳輸的一種重要編碼方式。和最常用的NRZ碼相比，HDB3具有很多優點，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，能夠滿足大多數情況下數據的高速長距離傳輸。在數據速率小于2.048Mbps的高速速率時，可以通過插入額外數據比特提高數據數率。E1收發芯片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據，其余31個時隙可以用于傳輸有效數據；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據；而在不成幀的E1中，所有32個時隙都可用于傳輸有效數據。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據。
1E1收發芯片DS2153Q簡述
DS2153Q是Dallas公司的T1/E1收發芯片，符合最新的E1線路標準，包括ITUG.703、G.704、G.706、G.823、I.431、ETSI300011、300233、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碼的數據時將恢復電路，更有利于后級接收電路。片內D/A能夠實現G.703標準的輸出波形，適用于75Ω和120Ω特性阻抗的雙絞線，并且具有完善的數據流狀態監測功能，可以實時指示數據流的傳輸狀況。
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監測這些寄存器主要有接收控制寄存器、發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線路上的數據轉換成HRZ碼，并恢復出數據時鐘，供后級數據接收單元使用。
AT89C51為Atmel公司的8位單片機，負責控制通信芯片DS2153Q的工作模式和狀態監，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的并行數據/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。AT89C51與DS2153Q的電路連接圖如圖3所示，通過以上的硬連接，實現單片機對DS2153Q的控制和狀態監控。
圖3AT89C51與DS2153Q電路連接圖
該碼制轉換器選用IMP813L作為μP監控電路，實現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，發送的數據全部從TSER引腳輸入，需要將引腳TLINK和TSER短接。發光二極管用于轉換器的工作指示，可以直觀判斷當前數據轉換是否正常。
該碼制轉換器使用特性阻抗120Ω的RJ45平衡雙絞線進行數據傳輸，DS2153Q收發電路如圖4所示，傳輸變壓器輸入輸出匝數比為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工作狀態監控。DS2153Q的功能配置實現HDB3碼的正常動作；DS2153Q工作狀態監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。
3.1DS2153Q功能配置
轉換器上電后，首先由μP監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。
�、俪跏蓟瘻y試寄存器，向相應測試寄存器寫0即寫。
�、谶M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存儲功能等，使DS2153Q接收單片工作在AutoResync、DisableElasticStore。
�、圻M行發送控制存器（TCR）的配置，包括發送幀模式、自動設置故障位和16位引腳的功能選擇等，使DS2153Q發送單元工作在E-bitsnotautomaticallysetinthetransmitdirection，并根據當前轉換模式的不同設置16引腳的功能，0=ReceiveLossofSync(RLOS)、1=LossofTransmitClock(LOTC)。
�、苓M行通用控制存器（CCR）的配置，使能DS2153Q、HDB3碼的接收和發送、配置錯誤計數器更新時間、禁止動態存儲發送數據等。
�、莩跏蓟袛嗥帘渭拇嫫�，使能接收載波丟失、接收失步中斷、接收數據全0和全1中斷，使能發送時鐘丟失中斷，通過這些中斷使單片機可以及時得知DS2153Q的工作狀態，實現單片機對其的實施監測。
�、蕹跏蓟瘋鬏斁�接口單元，向LIRST數據位寫0，然后寫1，使傳輸線接口進入正常工作模式。
�、叱跏蓟瘋鬏斁�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）。
��；*****************************************************；
MOVA，02H
MOVDPTR，#RCR1
MOVX@DPTR，A；寫寄存器RCR1，使能自動重新同步
NOP
MOVA，#04H
MOVDPTR，#RCR2
MOVX@DPTR，A；寫寄存器RCR2，禁止彈性存儲功能
NOP
MOVA，#41H
MOVDPTR，#TCR1
MOVX@DPTR，A；寫寄存器TCR1，TSYNC為輸出方式
NOP
MOVA，#0F9H
MOVDPTR，#TCR2
MOVX@DPTR，A；寫寄存器TCR2，E數據位禁止自動置位
NOP
MOVA，#44H
MOVDPTR，#CCR1
MOVX@DPTR，A；寫寄存器CCR1，允許接收和發
NOP；HDB3碼
NOVA，#00H
MOVDPTR，#CCR2
MOVX@DPTR，A；寫寄存器CCR2，配置錯誤計數寄存器
NOP
��；********************************************************
3.2DS2153Q狀態監控設計
在完成DS2153Q的寄存器配置后，單片機即進入傳輸狀態
監測程序，實時監控DS2153Q的工作正常與否，包括狀態寄存器的讀取和DS2153Q中斷的響應，并從中判斷故障、及時通報。
�。�1）發送狀態監控
DS2153Q的發送狀態監控是通過單片機的INT1來實現的。當狀態寄存器的發送狀態位置1，則DS2153Q產生中斷，片機響應該中斷來讀取當前狀態寄存器的故障位。當讀取完畢后，需要向該狀態寄存器特定狀態位寫1，保證以后的故障可以正確置位。
下面給出了NRZ發送時鐘丟失故障的狀態監控程序（中斷1處理程序）。
MOVDPTR，#SR2；讀DS2153Q狀態寄存器2
NOP
MOVXA，@DPTR
ANLA，#04H
JNZERROR
SJMPFAVER
ERROR：SETBERR_SR
SJMPLOCKE
FAVER：CLRERR_SR
LOCKE：JNBERR_SR，WORK；判斷發送數據時鐘丟失與否
SETBP1.0；故障，工作指示二極管滅
SJMPEVER
WORK：CLRP1.0；正常，工作指示二極管亮
EVER：MOVDPTR，#SR2
MOVA，#04H
MOVX@DPTR，A
RETI
�。�2）接收狀態監控
DS2153Q的接收狀態監控是通過單片機的INT0來實現的。當狀態寄存器的發送狀態位置1，則DS2153Q產生中斷，單片機響應該中斷來讀取當前狀態寄存器的故障位。當讀取完畢后，需要向該狀態寄存器的特定狀態位寫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監控程序（中斷0處理程序）。
MOVDPTR，#SR1；讀DS2153Q狀態寄存器21
NOP
MOVXA，@DPTR
ANLA，#02H
JNZERROR
SJMPFAVER
EPPOR：SETBERR_SR
SJMPLOCKE
FAVER：CLRERR_SR
LOCKE：JNBERR_SR，WORK；判斷接收載波丟失與否
SETBP1.0；故障，工作指示二極管滅
SJMPEVER
WORK：CLRP1.0；正常，工作指示二極管亮
EVER：MOVDPTR，#SR1
MOVA，#02H
MOVX@DPTR，A
RETI
4總結
NRZ-DB3碼制轉換器采用E1收發芯片DS2153Q，完成NRZ碼到HDB3碼和HDB3碼到NRZ碼的轉換，實現高速長距離的數據傳輸，使2.048Mb/s數據流在RJ45接口的雙絞線上實現1.5km的傳輸距離，滿足大多數的高速數據傳輸情況。
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