摘要：本文介紹使用Cypress的PSoC3 UDB實現曼徹斯特編碼，并基于該編碼與LED 恒流驅動芯片TLS3001通信實現對LED系列的控制。
關鍵字：PSoC3, UDB, 曼徹斯特編碼

1, 概述
        在曼徹斯特（Manchester）編碼中，每個二進制位（碼元）的中間都有電壓跳變。用電壓的正跳變表示“0”，電壓的負跳變表示“1”。由于跳變都發生在每一個碼元的中間位置（半個周期），接收端就可以方便地利用它作為同步時鐘，因此這種曼徹斯特編碼又稱為自同步曼徹斯特編碼。如圖1所示。


 
                                        圖1，曼徹斯特編碼與邏輯電平對應關系

        從圖1可以看出曼徹斯特編碼本身并不復雜，在有些應用中可以采用單片機軟件編程實現編碼。但若應用系統要求較高的數據傳輸速率，比如本文后面介紹的LED控制中要求數據傳送速率范圍在100KHz～2MHz時，用軟件實現曼徹斯特編碼可能達不到速率要求。本文將采用PSoC3 UDB實現曼徹斯特編碼，即用Datapath實際基本控制邏輯，用PLD實現狀態機，由于其采用硬件實現故能達到速率要求。

        Cypress PSoC3使用基于單循環流水線的高性能8051內核 (67MHz/33MIPS)，提供業界廣泛采用的5.5V至0.5V電壓范圍和低至200nA的休眠電流，可以滿足極低功耗的應用場合。PSoC3的高性能模擬子系統和數字系統都擁有可編程通路，允許將任何模擬或數字信號（包括可編程時鐘）分配到任何通用I/O引腳，這為使用者提供了真正的“系統級”可編程能力。

        UDB（Universal Digital Blocks）是PSoC3可編程數字系統的核心功能，由PLD和Data path組成，可以創建各種通用外設和定制化功能。PSoC3的數字邏輯部分由多個UDB通過矩陣和可編程互聯組成，PSoC3、UDB和Datapath的關系如下圖2所示。

 

                                              圖2，PSoC3、UDB和Datapath關系示意圖

2，曼徹斯特模塊設計
        采用PSoC3的UDB 實現曼徹斯特編碼，就是用Datapath實現簡單的控制邏輯，在PLD中用Verilog語言描述曼徹斯特模塊功能的過程。在PSoC Creator中設計的曼徹斯特模塊如下所示：
        

         該模塊只有一個時鐘輸入和一個曼徹斯特編碼輸出，要編碼的數據是通過Datapath的FIFO輸入的。Datapath的配置可采用Cypress提供的“Datapaht Configuation Tool”工具實現，如圖3所示：

 

                                         圖3，Datapath Configuration Tool

         基于Datapath設計曼徹斯特模塊的步驟如下：
1），寄存器規劃
        A0，用做移位寄存器
        F0，用做暫存下一個數據的FIFO，當A0為空時從F0中load 數據到A0
2），狀態機
        狀態機是曼徹斯特模塊功能的具體實現，通過Verilog語言描述在PLD中運行，如圖4所示：
 


                                            圖4，曼徹斯特模塊狀態機

         數據的每一個位需要兩個時鐘來產生曼徹斯特編碼輸出，即Shift/NOP或者Load&Shift/NOP過程。當沒有數據時，verilog語言描述為狀態機進入IDLE階段并輸出0。

        由于從F0 下載數據到A0時一次只能下載1byte 數據，為了保證曼徹斯特編碼頻率的一致性，在每個數據字節移位到最后1bit的同時從F0下載數據到A0，即Load&Shift階段。

3），動態配置區設置
        Datapath的動態配置區功能如表一所示：


        在Datapath Configuration Tool中的設置如表二所示：
        表二，Datapath動態區配置


4），靜態配置區設置
        靜態配置區設置比較簡單，將SHIFT SEL設置為SL從最高為開始左移；將F0 INSEL設置為BUS以表示F0作為輸入FIFO；將F0 ASYNC設置為ASYNC。其在Datapath Configuration Tool中的實現如圖5所示：
 


                                                        圖5，Datapath靜態區配置

3，基于曼徹斯特編碼的LED控制
        這是一個基于PSoC3 UDB的應用，采用前面介紹的曼徹斯特編碼模塊與三通道LED 恒流驅動芯片TLS3001通信以控制LED系列。系統應用框圖如圖6所示，其中TLS3001_2與TLS3001_3和TLS3001_1一樣都接有LED燈的。


 
                                                           圖6，LED控制應用框圖

        TLS3001 是單線傳輸、三通道LED 恒流驅動芯片，內置12 位灰階控制的PWM調制功能。3 個恒流輸出通道所輸出的電流值不受輸出端負載電壓影響，并提供恒定一致的輸出電流，用戶可以選擇不同的外接電阻來調整輸出電流，調整范圍從0 到30mA。內置電壓調節器，使芯片正常工作在5～17V 的較寬電壓范圍內，輸出端口最大耐壓達到17V。

        根據TLS3001芯片要求，在芯片上電后必須先發一次同步幀，以便芯片檢測通訊的波特率。同步幀的格式為：15’b111111111111111+4’b0001+11’b00000000000，在發送同步幀后必須延時一段時間再發送數據幀。在發送若干幀數據后，重新發送一次復位幀，等待1ms 之后，再發送一次同步幀， 以便芯片消除積累誤差， 復位幀格式為：15’b111111111111111+4’b0100d. 數據幀格式為：15’b111111111111111+4’b0010（數據頭）+ 第一個芯片39bit 數據 + 第二個芯片39bit 數據 + …… + 第n 個芯片39bit 數據。其數據時序如圖7所示：
 


                                                                 圖7，LED控制時序

這樣，就使用前面定義的曼徹斯特模塊發送編碼流，以對LED燈的控制，控制軟件流程如圖8所示：
 


         圖8，LED軟件控制流程

用示波器觀測編碼輸出管腳的波形，其時序完全能滿足TLS3001芯片的要求，如下圖9所示，其中通道2為時鐘輸出，通道1為Manchester編碼輸出。


                                                             圖9，Manchester編碼波形

4，結束語
        本文主要介紹了PSoC3的UDB功能，并用UDB實現曼徹斯特編碼模塊的過程。由于其硬件實現的方式故可輸出很高的編碼頻率。