NRZ-HDB3码转换器的高速长距离通信
摘要：hdb3码无直流分量，具有时钟恢复和较好的抗干扰能力。本文提出使用hdb3码用于高速长距离的数据传输，并给出使用单片机at89c51控制e1收发芯片ds2153q实现nrz-hdb3的码制转换，包括码转换器的电路设计和控制软件设计。
关键词：nrz hdb3 单片机 e1收发芯片 ds2153q
常用的nrz码不适合在高速长距离数据通信的信道中传输，因而选用了另外一种编码—hdb3码。hdb3码是串行数据传输的一种重要编码方式。和最常用的nrz码相比，hdb3具有很多优点，例如：消除了nrz码的直流成分，具有时钟恢复更好的抗干扰性能，这使它更适合于长距离信道传输。
e1信号选用hdb3编码方式，速率2.048mbps，可以在特性阻抗120ω的rj45平衡双绞线上传输1.5km，能够满足大多数情况下数据的高速长距离传输。在数据速率小于2.048mbps的高速速率时，可以通过插入额外数据比特提高数据数率。e1收发芯片ds2153q完全符合e1信号标准，而且具备外围微控制器接口，大大提高了该芯片的可用性。
e1有成帧、成复帧与不成帧三种方式。在成帧的e1中，第0时隙用于传输帧同步数据，其余31个时隙可以用于传输有效数据；在成复帧的e1中，除了第0时时隙外，第16时隙是用于传输信令的，只有第1～15，第17～31共30个时隙可用于传输有效数据；而在不成帧的e1中，所有32个时隙都可用于传输有效数据。本文提出的nrzhdb3码制转换器的e1工作在不成帧方式，也就是说e1的32个时隙均用于传输有效数据。
1 e1收发芯片ds2153q简述
ds2153q是dallas公司的t1/e1收发芯片，符合最新的e1线路标准，包括itu g.703、g.704、g.706、g.823、i.431、etsi300 011、300 233、tbr12和tbr13等，该芯片能完成nrz和hdb3码间的相互转换，码率可达2.048mb/s，而且在片内集成了接收nrz码的数据时将恢复电路，更有利于后级接收电路。片内d/a能够实现g.703标准的输出波形，适用于75ω和120ω特性阻抗的双绞线，并且具有完善的数据流状态监测功能，可以实时指示数据流的传输状况。
ds2153q的外围微控制器接口使其可以很容易与单片机等mcu接口连接。其内部的71个8位寄存器使用户可以通过mcu对ds2135q进行功能配置和状态监测这些寄存器主要有接收控制寄存器、发送控制寄存器通用控制寄存器、中断屏蔽寄存器和工作状态寄存器图1为ds2135q的内部结构图。
2 码制转换器电路设计
nrz-db3码制转换器为nrz码到hdb3码和hdb3码到nrz码的转换，设计选用专用e1收到芯片ds2153q和单片机at89c51实现该码制的转换功能。该码制转换器把输入的nrz转换为hdb3码输出，同时接收e1线路上的数据转换成hrz码，并恢复出数据时钟，供后级数据接收单元使用。
at89c51为atmel公司的8位单片机，负责控制通信芯片ds2153q的工作模式和状态监，使其完成nrz码到hdb3码和hdb3码到hrz码的转换。同时，该单片机的外围电路还包括μp监控电路imp813l，用于提高码制转换器工作的抗干扰能力和可靠性。
图2是该码制转换器的结构框图。
ds2153q的并行数据/地址线与单片机的p0口相连；片选信号选用单片机的p2.0；单片机的读写信号与ds2153q的读写信号相连；同时，ds2153的两个中断申请线与单片机的int0和int1相连。这样ds2153q可以通过中断的方式及时通知单片机自身的工作状态。at89c51与ds2153q的电路连接图如图3所示，通过以上的硬连接，实现单片机对ds2153q的控制和状态监控。
图3 at89c51与ds2153q电路连接图
该码制转换器选用imp813l作为μp监控电路，实现可靠上电复位和看门狗控制。ds2153q的时钟信号是通过对单片机时钟信号的二分频来实现的。单片机选用16.384mhz的时钟信号，使用74hc74二分频后，得到8.192mhz的频率信号作为ds2153q输入时钟。
在ds2153q的电路设计中，为了使其工作在不成帧方式，发送的数据全部从tser引脚输入，需要将引脚tlink和tser短接。发光二极管用于转换器的工作指示，可以直观判断当前数据转换是否正常。
该码制转换器使用特性阻抗120ω的rj45平衡双绞线进行数据传输，ds2153q收发电路如图4所示，传输变压器输入输出匝数比为1：1.36。
3 单片机控制程序设计
转换器单片机控制程序包括两部分：ds2153q的功能配置和ds2153q工作状态监控。ds2153q的功能配置实现hdb3码的正常动作；ds2153q工作状态监控用来实时获得当前转换器是否工作正常，并及时上报和指示。
3.1 ds2153q功能配置
转换器上电后，首先由μp监控电路进行有效复位，保证单片机的正常初始化，一单片机即进入通信芯片ds2153q的配置过程。
①初始化测试寄存器，向相应测试寄存器写0即写。
②进行接收控制存器（rcr）的配置，包括接收帧模式、自动重同步使能、重同步准则和接收动态存储功能等，使ds2153q接收单片工作在auto resync、disable elastic store。
③进行发送控制存器（tcr）的配置，包括发送帧模式、自动设置故障位和16位引脚的功能选择等，使ds2153q发送单元工作在e-bits not automatically set in the transmit direction，并根据当前转换模式的不同设置16引脚的功能，0=receive loss of sync(rlos)、1=loss of transmit clock(lotc)。
④进行通用控制存器（ccr）的配置，使能ds2153q、hdb3码的接收和发送、配置错误计数器更新时间、禁止动态存储发送数据等。
⑤初始化中断屏蔽寄存器，使能接收载波丢失、接收失步中断、接收数据全0和全1中断，使能发送时钟丢失中断，通过这些中断使单片机可以及时得知ds2153q的工作状态，实现单片机对其的实施监测。
⑥初始化传输线接口单元，向lirst数据位写0，然后写1，使传输线接口进入正常工作模式。
⑦初始化传输线接口控制寄存器，包括传输波形选择、接收均衡器增益选择、抗抖动抑器选择等。
单片机控制流程如图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 ；写寄存器rcr1，使能自动重新同步
nop
mov a，#04h
mov dptr，#rcr2
movx @dptr，a ；写寄存器rcr2，禁止弹性存储功能
nop
mov a，#41h
mov dptr，#tcr1
movx @dptr，a ；写寄存器tcr1，tsync为输出方式
nop
mov a，#0f9h
mov dptr，#tcr2
movx @dptr，a ；写寄存器tcr2，e数据位禁止自动置位
nop
mov a，#44h
mov dptr，#ccr1
movx @dptr，a ；写寄存器ccr1，允许接收和发
nop ；hdb3码
nov a，#00h
mov dptr，#ccr2
movx @dptr，a ；写寄存器ccr2，配置错误计数寄存器
nop
；********************************************************
3.2 ds2153q状态监控设计
在完成ds2153q的寄存器配置后，单片机即进入传输状态监测程序，实时监控ds2153q的工作正常与否，包括状态寄存器的读取和ds2153q中断的响应，并从中判断故障、及时通报。
（1）发送状态监控
ds2153q的发送状态监控是通过单片机的int1来实现的。当状态寄存器的发送状态位置1，则ds2153q产生中断，片机响应该中断来读取当前状态寄存器的故障位。当读取完毕后，需要向该状态寄存器特定状态位写1，保证以后的故障可以正确置位。
下面给出了nrz发送时钟丢失故障的状态监控程序（中断1处理程序）。
mov dptr，#sr2 ；读ds2153q状态寄存器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 ；判断发送数据时钟丢失与否
setb p1.0 ；故障，工作指示二极管灭
sjmp ever
work：clr p1.0 ；正常，工作指示二极管亮
ever：mov dptr，#sr2
mov a，#04h
movx @dptr，a
reti
（2）接收状态监控
ds2153q的接收状态监控是通过单片机的int0来实现的。当状态寄存器的发送状态位置1，则ds2153q产生中断，单片机响应该中断来读取当前状态寄存器的故障位。当读取完毕后，需要向该状态寄存器的特定状态位写1，保证以后的故障可以正确置位。
下面给出了hdb3码接收载波丢失故障的状态监控程序（中断0处理程序）。
mov dptr，#sr1 ；读ds2153q状态寄存器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 ；判断接收载波丢失与否
setb p1.0 ；故障，工作指示二极管灭
sjmp ever
work：clr p1.0 ；正常，工作指示二极管亮
ever：mov dptr，#sr1
mov a，#02h
movx @dptr，a
reti
4 总结
nrz-db3码制转换器采用e1收发芯片ds2153q，完成nrz码到hdb3码和hdb3码到nrz码的转换，实现高速长距离的数据传输，使2.048mb/s数据流在rj45接口的双绞线上实现1.5km的传输距离，满足大多数的高速数据传输情况。
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关键词：nrz hdb3 单片机 e1收发芯片 ds2153q
常用的nrz码不适合在高速长距离数据通信的信道中传输，因而选用了另外一种编码—hdb3码。hdb3码是串行数据传输的一种重要编码方式。和最常用的nrz码相比，hdb3具有很多优点，例如：消除了nrz码的直流成分，具有时钟恢复更好的抗干扰性能，这使它更适合于长距离信道传输。
e1信号选用hdb3编码方式，速率2.048mbps，可以在特性阻抗120ω的rj45平衡双绞线上传输1.5km，能够满足大多数情况下数据的高速长距离传输。在数据速率小于2.048mbps的高速速率时，可以通过插入额外数据比特提高数据数率。e1收发芯片ds2153q完全符合e1信号标准，而且具备外围微控制器接口，大大提高了该芯片的可用性。
e1有成帧、成复帧与不成帧三种方式。在成帧的e1中，第0时隙用于传输帧同步数据，其余31个时隙可以用于传输有效数据；在成复帧的e1中，除了第0时时隙外，第16时隙是用于传输信令的，只有第1～15，第17～31共30个时隙可用于传输有效数据；而在不成帧的e1中，所有32个时隙都可用于传输有效数据。本文提出的nrzhdb3码制转换器的e1工作在不成帧方式，也就是说e1的32个时隙均用于传输有效数据。
1 e1收发芯片ds2153q简述
ds2153q是dallas公司的t1/e1收发芯片，符合最新的e1线路标准，包括itu g.703、g.704、g.706、g.823、i.431、etsi300 011、300 233、tbr12和tbr13等，该芯片能完成nrz和hdb3码间的相互转换，码率可达2.048mb/s，而且在片内集成了接收nrz码的数据时将恢复电路，更有利于后级接收电路。片内d/a能够实现g.703标准的输出波形，适用于75ω和120ω特性阻抗的双绞线，并且具有完善的数据流状态监测功能，可以实时指示数据流的传输状况。
ds2153q的外围微控制器接口使其可以很容易与单片机等mcu接口连接。其内部的71个8位寄存器使用户可以通过mcu对ds2135q进行功能配置和状态监测这些寄存器主要有接收控制寄存器、发送控制寄存器通用控制寄存器、中断屏蔽寄存器和工作状态寄存器图1为ds2135q的内部结构图。
2 码制转换器电路设计
nrz-db3码制转换器为nrz码到hdb3码和hdb3码到nrz码的转换，设计选用专用e1收到芯片ds2153q和单片机at89c51实现该码制的转换功能。该码制转换器把输入的nrz转换为hdb3码输出，同时接收e1线路上的数据转换成hrz码，并恢复出数据时钟，供后级数据接收单元使用。
at89c51为atmel公司的8位单片机，负责控制通信芯片ds2153q的工作模式和状态监，使其完成nrz码到hdb3码和hdb3码到hrz码的转换。同时，该单片机的外围电路还包括μp监控电路imp813l，用于提高码制转换器工作的抗干扰能力和可靠性。
图2是该码制转换器的结构框图。
ds2153q的并行数据/地址线与单片机的p0口相连；片选信号选用单片机的p2.0；单片机的读写信号与ds2153q的读写信号相连；同时，ds2153的两个中断申请线与单片机的int0和int1相连。这样ds2153q可以通过中断的方式及时通知单片机自身的工作状态。at89c51与ds2153q的电路连接图如图3所示，通过以上的硬连接，实现单片机对ds2153q的控制和状态监控。
图3 at89c51与ds2153q电路连接图
该码制转换器选用imp813l作为μp监控电路，实现可靠上电复位和看门狗控制。ds2153q的时钟信号是通过对单片机时钟信号的二分频来实现的。单片机选用16.384mhz的时钟信号，使用74hc74二分频后，得到8.192mhz的频率信号作为ds2153q输入时钟。
在ds2153q的电路设计中，为了使其工作在不成帧方式，发送的数据全部从tser引脚输入，需要将引脚tlink和tser短接。发光二极管用于转换器的工作指示，可以直观判断当前数据转换是否正常。
该码制转换器使用特性阻抗120ω的rj45平衡双绞线进行数据传输，ds2153q收发电路如图4所示，传输变压器输入输出匝数比为1：1.36。
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3.1 ds2153q功能配置
转换器上电后，首先由μp监控电路进行有效复位，保证单片机的正常初始化，一单片机即进入通信芯片ds2153q的配置过程。
①初始化测试寄存器，向相应测试寄存器写0即写。
②进行接收控制存器（rcr）的配置，包括接收帧模式、自动重同步使能、重同步准则和接收动态存储功能等，使ds2153q接收单片工作在auto resync、disable elastic store。
③进行发送控制存器（tcr）的配置，包括发送帧模式、自动设置故障位和16位引脚的功能选择等，使ds2153q发送单元工作在e-bits not automatically set in the transmit direction，并根据当前转换模式的不同设置16引脚的功能，0=receive loss of sync(rlos)、1=loss of transmit clock(lotc)。
④进行通用控制存器（ccr）的配置，使能ds2153q、hdb3码的接收和发送、配置错误计数器更新时间、禁止动态存储发送数据等。
⑤初始化中断屏蔽寄存器，使能接收载波丢失、接收失步中断、接收数据全0和全1中断，使能发送时钟丢失中断，通过这些中断使单片机可以及时得知ds2153q的工作状态，实现单片机对其的实施监测。
⑥初始化传输线接口单元，向lirst数据位写0，然后写1，使传输线接口进入正常工作模式。
⑦初始化传输线接口控制寄存器，包括传输波形选择、接收均衡器增益选择、抗抖动抑器选择等。
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下面是ds2153q的功能配置程序（部分）。
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（1）发送状态监控
ds2153q的发送状态监控是通过单片机的int1来实现的。当状态寄存器的发送状态位置1，则ds2153q产生中断，片机响应该中断来读取当前状态寄存器的故障位。当读取完毕后，需要向该状态寄存器特定状态位写1，保证以后的故障可以正确置位。
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