原创 基于CPLD的位同步时钟提取电路设计

引言

异步串行通信是现代电子系统中最常用的数据信息传输方式之一，一般情况下，为了能够正确地对异步串行数据进行发送和接收，就必须使其接收与发送的码元同步，位同步时钟信号不仅可用来对输入码元进行检测以保证收发同步，而且在对接收的数字码元进行各种处理等过程中，也可以为系统提供一个基准的同步时钟。

本文介绍的位同步时钟的提取方案，原理简单且同步速度较快。整个系统采用VerilogHDL语言编写，并可以在CPLD上实现。

位同步时钟的提取原理

本系统由一个跳变沿捕捉模块、一个状态寄存器和一个可控计数器共三部分组成，整个系统的原理框图如图1所示，其中data_in是输入系统的串行信号，clock是频率为串行信号码元速率2N倍的高精度时钟信号，pulse_out是系统产生的与输入串行信号每个码元位同步的脉冲信号，即位同步时钟。

跳变沿捕捉模块的输入也就是整个的输入data_in和clock。当data_in发生跳变时，无论是上升沿或是下降沿，捕捉模块都将捕捉所发生的这次跳变，并产生一个脉冲信号clear，这个clear信号所反应的就是输入信号发生跳变的时刻。然后以它为基准，就可以有效地提取输入串行信号的同步时钟。

状态寄存器有两个输入，分别接跳变沿捕捉模块的输出clear和可控计数器的输出pulse_out，当clear信号的上升沿到来时，此状态寄存器的输出k被置1，之后在pulse_out和k信号本身的控制下，k在pulse_out和k信号上产生一个脉冲之后被置0，这个k为一般连接到可控计数器的控制端。

可控计数器是模可变的计数器，在k信号的控制下可以对clock信号进行模为N-2或2N的计数，其三个输入分别接跳变沿捕捉模块的输出clear、状态寄存器的输出k和时钟clock。其中clear信号可以对计数器进行异步清零，k信号可选择计数的模，当k=1时，计数器的模为N-2，计数满N-2后即产生输出脉冲pulse_out，当k=0时，计数器的模为2N，计数满2N时，产生输出脉冲pulse_out。

整个系统工作时，当输入信号data_in发生跳变时，跳变沿捕捉将可以捕捉到这次跳变，并产生一个脉冲信号clear，此clear信号可以将可控计数器的计数值清零，同时将状态寄存器的输出k置1，并送入可控计数器中，以使计数器进行模块为N-2的计数，待计满后，便可输出脉冲信号pulse_out，此信号一方面可作为整个系统输出的位同步时钟信号，另一方面，它也被接进了状态寄存器，以控制其输出k在计数器完成N-2的计数后就变为0，并在没有clear脉冲信号时使K保持为0，从而使可控计数器的模保持为2N，直到输入信号data_in出现新的跳变沿并产生新的clear脉冲信号，由以上原理可见，在输入信号为连“1”或连“0”的情况下，只要系统使用的时钟信号足够精确，就可以保证在一定时间里输出满足要求的位同步时钟，而在输入信号发生跳变时，系统又会捕捉下这个跳变沿并以此为基准输出位同步时钟。

位同步时钟的提取

本系统包括三个部分，一是采用VerilogHDL语言编写程序，第二步再将每个部分作为一个模块（module）来编写，最后通过元件例化的方法将三个模块连接起来，以完成这个整个系统的设计。

下面是跳变沿捕捉模块的部分程序，其中Int0为串行输入信号，PCclk为输入系统的高精度时钟信号，本模块的输出Pcout对应于图1中的clear信号，它同时又接入状态寄存器模块的Psclr和可控计数器模块的clr。其仿真结构如图2所示。

跳变沿捕捉模块的部分程序如下：

module PcheckCapture （PCout，Int0，PCclk）；

……

reg PCtemp1，PCtemp2；

always@（posedge PCclk） begin

PCtemp1<=Int0；

PCtemp2<=PCtemp1；

end

assign PCout="PCtemp1"＾PCtemp2；

……

状态寄存器模块的部分程序如下，其中输入信号Psclr来自跳变沿捕捉模块，另一个输入信号Pss则来自可控计数器的输出s对应图1中的pulse_out，输出信号Psout对应图1中的k；

module PcheckSreg （Psout，Pss，Psclr）；

……

wire Pstemp；

assign Pstemp=～（Pss&Psout）；

always@（posedge Pstemp or posedge Psclr） begin

if（Psclr==1b1）Psout<=1；

else Psout<=～Psout；

end

……

下面是可控计数器模块的部分程序，其中三个输入信号k、clr、clk分别对应于图1中的k、clear、clock，输出信号s对应于图1中的输出信号pulse_out；

module PcheckCoumter （s，k，clr，clk）；

……

always@（posedge clk or posedge clr）

begin

if（clr==1）begin

s=0；

cnt=0；

end

else begin

if（k==0） begin

if（cnt==2N-1）begin

cnt=0；

s=1；

end；

else begin

cnt=cnt+1；

s=0；

end

end

else begin

if（cnt==N-2）begin cnt="0"；

s=1；

end

else begin

cnt=cnt+1；

s=0；

end

………

在顶层模块中，应对三个模块进行例化，并在导线相连接，以构成一个完整的系统，此模块的程序如下：

modulePcheckTop （PTout，PTint，PTclk）；

inout PTout；

input PTint，PTclk；

PcheckCapture a （clear，PTint，PTclk）；

PcheckCounter b （PTout，k，clear，PTclk）；

PcheckSreg

c（k，PTout，clear）；

endmodule

图3为整个系统的仿真结果。

结束语

本位同步时钟提取方案已在CPLD器件上进行了仿真实现，通过以上的分析可知，本位同步时钟的提取方案具有结构简单、节省硬件资源、同步建立时间短等优点，在输入信号有一次跳变后，系统出现连“1”连“0”，或信号中断时，此系统仍然能够输出位同步时钟脉冲，此后，只要输入信号恢复并产生新的跳变沿，系统仍可以调整此位同步时钟脉冲输出而重新同步，此系统中输入的时钟信号频率相对码元速率越高，同步时钟的位置就越精确，而当输入码元速率改变时，只要改变本系统中的N值系统就可重新正常工作。