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d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。