基于MCU+FPGA的CCB测试盒实现方法

在石油测井行业，csu系统中的地面系统先通过电缆遥测系统(CTS)与遥测仪通信，遥测仪再通过电缆传输系统(CCS)与井下仪进行通信。CTS—般采用经过调制的双相差分编码实现通信，而CCS则使用3根信号传输线来实现通信,俗称三总线。CCB测试盒则可以模拟地面系统，它工作于两种模式下，分别对遥测仪和井下仪进行检测。

CCB测试盒通过预置拨码开关的值来实现命令下发，然后从遥测仪或井下仪获取数据，最后显示在数码管上。由于设计的比较早，原先的CCB测试盒里面通过使用大量的分离元器件来实现时序控制功能，这直接造成了测试盒体积庞大、设备笨重的缺点。而现在使用高度集成的FPGA芯片来实现电路中的逻辑控制功能，可大大简化电路设计、降低设备成本。此外，釆用MCU+键盘+液晶显示屏来实现人机交互，显示的信息也更为丰富，输入的方式更加灵活。

1  MCU+FPGA构架

新的CCB测试盒方案采用的MCU+FPGA构架系统框图如图1所示。本系统中的FPGA专注于逻辑控制和通信的编解码，而MCU负责人机交互部分。MCU通过8位并口总线来访问FPGA,可向FPGA中的DDATA存储区写入下发命令字，并向FrmLen存储区写入“帧长”，然后从UDATA存储区读取上行解码数据。 

为实现上述功能，MCU选择带有外部存储器扩展接口的51类型处理器C8O51F5OO,该处理器采用流水线结构，时钟频率最高可达50MHz。由于该器件的大部分指令仅需要1〜2个机器周期就可执行，故该处理器的运算速度相对于标准的MCS51处理器提高了几十倍。FPGA选择ACTEL公司的现场可编程器件A3P060,它内部包含约1500个通用逻辑单元，带有4块RAM(每块4kb)，釆用FLASH结构，故可省去外接配置芯片，也简化了应用复杂性。

MCU与FPGA之间连接方式框图见图2所示。其中FPGA中各个存储区块的地址分配如下： 

2  三总线接口

三总线接口有3根总线，分别是下行命令传输线DSIGNAL、上行时钟传输线UCK、上行数据传输线UDATAGOo

DSIGNAL下行命令传输线是用于控制井下仪器工作状态的信号线。该线传输的是具有100KBPS控制信号与100kHz时钟信号的DCK混合信号。信号电平为0V,+1.2V,—1.2V三种。

UCK上行时钟传输线可作为数据上传的标准时钟，其频率为100kHz,电平为0V和十1.2V,在不进行数据传输时,此信号线为高电平。

UDADAGO为启动信号和数据信号传输线，这是双向传输的信号线。首先由地面下发启动信号GO脉冲，接下来由井下仪将数据准备好，在GO脉冲后400”,地面下发出的UCK时钟作用下，井下数据通过UDATAGO信号线上传。GO的电平为3.6V，脉宽为10”,周期为20ms；UDATA的电平是0V〜﹢1.2V。此波形图如图3所示。

       由于DSIGNAL信号是双极性信号，需要由两路 数字信号分别控制正负电源导通来实现，这里使用DSigP和DSigN来分别控制正、负电源的导通。下面是用Verilog语言编写的、可产生DSigP、DSigN 的FPGA程序代码：

UCK信号的产生比较简单，使用100kHz的时钟进行门控就可以产生，只是要注意门控信号应该在主时钟的下降沿产生，否则会产生毛刺。

考虑到篇幅限制，这里就不列出UCK生成和UDATA数据接收的代码和仿真波形了。

3  双相码接口

当CCB测试盒挂接井下遥测仪进行检测工作的时候，测试盒与遥测仪之间可通过电缆调制信号进行通信,这种调制信号进行解调就变成了双相编码信号。测试盒挂接遥测仪和测试盒挂接井下仪采用的是一样的工作方式,而仅仅是通信方式不一样。双相码的编码特征是:比特边界信号跳变，比特中间“1”变“0”不变，图5所示是其双相码的编码特征波形。

双向码解码过程的具体代码如下：

双相码接口的仿真结果如图6所示。

4  测试盒人机界面

测试盒中的显示屏可选用金鹏电子有限公司的OCMJ5X10B液晶模块,该模块的点阵大小为160X80,模块内部含有GB231215X15中文字库,并支持光标功能，可通过并口与主机通信。

按键可采用4X4矩阵键盘直接将键盘的8个输出端连接到MCU的一个并行端口上(需要加上拉电阻)，在有键按下时，相应的行与列端口会变成低电平，这样，通过查找键码表格，就可以判断出按键的值，按键的编码如表1所列。

由于按键过程中，不可避免地会产生抖动。为了避免由于按键抖动产生误判的现象，本设计使用了一种软件消抖的方法。

一般情况下,键按下过程中都会产生几到十几毫秒的抖动，而键维持按下的状态时间至少大于20ms,所以，可以利用MCU的20ms定时中断去检测按键的状态。操作时可以设置4个变量，即上一个周期的按键状态Key_before、这个周期的按键状态Key_now、先前有效按键状态Key_N-l和当前判定的有效的按键状态Key_N,这4者之间的关系如下：

在定时中断程序中实现上面3个公式，便可以通过程序检测出有效的按键状态,然后再进入按键处理程序中去进行相应的功能处理。以往人们消除按键抖动时，主要是通过RS触发电路的方法，但那样会增加很多额外的硬件成本，而本文所介绍的这种软件定时消抖,不仅消抖可靠，而且效率高，容易实现。

5  结语

本文给出了一种基于MCU+FPGA设计的CCB测试盒，详细地阐述了测试盒中的三总线接口、双相码接口的FPGA实现方法，然后介绍了测试盒的人机交互部分,其中重点分析了键盘按键软件定时消抖的原理。这种新型的测试盒不仅具有体积小巧、外形美观的特点，而且成本也得到很大的降低，同时它还具有可升级更新功能的特点，具有很大的灵活性。