專利名稱：自動檢測并校正總線極性的電路結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及IEC1158-2標準，ISA-S50.02標準，基金會現(xiàn)場總線 (FOUNDATION Filedbus，簡稱FF)技術，Profibus現(xiàn)場總線技術，具體 地說是一種可自動檢測總線極性，并能夠自動校正的電路結構。
背景技術：
IEC61158-2標準的許多規(guī)范充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場應用環(huán)境。物理層的 MAU (媒體訪問單元)部分包括了雙絞線電纜和光纜標準，及時適應了工 業(yè)控制系統(tǒng)廣泛采用光纖局域網(wǎng)或現(xiàn)場總線的需要；標準規(guī)定了提高可靠 性應采取的措施，諸如隔離、屏蔽、接地、本質安全等，并明確地限定了 應達到的可靠性指標。正C61158-2標準的這些特征，使其完全適合于惡劣 工業(yè)環(huán)境使用，因此， 一些主流型現(xiàn)場總線例如FF和Profibus的物理層都 采用了該項標準。工業(yè)現(xiàn)場總線采用的通信編碼是一項直接影響總線可靠 性的重要因素。IEC61158-2標準中采用了速率為31.25kps的曼徹斯特編碼， 對提高總線的可靠性和穩(wěn)定性提供了保證。曼徹斯特編碼是一種常見的基 帶編碼，它的原理是將每一位二元碼(0和1)由兩段編碼表示，同時又在 二元碼地基礎上擴充了 N+和N-兩種碼元。曼徹斯特碼的具體編碼對應為-
"1"由"10"表示；"0"由"01"示；"N+"由"11"表示；"N-"由
"00"表示。由曼徹斯特的編碼對應關系可以看出，"1"與"0"的曼徹 斯特編碼和"N+"與"N-"的曼徹斯特編碼的極性正好相反，這就要求在 連接時，極性不能夠相反， 一但接反，將無法完成正常的發(fā)送與接收。如 果存在一種可以自動檢測總線極性并自動校正的方法，將可以簡化最終設 備的連接操作，可以提高工作效率。
實用新型內容
為了克服現(xiàn)有技術中不足，本實用新型的目的在于提供一種自動檢測 并校正總線極性的電路結構，通過這種結構，可以自動檢測基于IEC61158-2 標準的曼徹斯特編碼的極性，可以自動校正，并可滿足IEC1158-2現(xiàn)場總 線物理層標準中相關的性能指標。
為了實現(xiàn)上述功能和目的，本實用新型的技術方案如下，包括 邊沿檢測電路，通過媒體訪問單元接現(xiàn)場總線，生成同步總線輸入信 號和邊沿檢測信號的，接收移位比較電路的邊沿檢測使能信號；時鐘恢復電路，接收邊沿檢測信號，進行時鐘恢復，產(chǎn)生采樣時鐘信
號；
移位比較電路，接收同步后的總線信號，對同步后的總線信號進行移 位和比較，同時提供總線移位輸出信號、總線極性信號，邊沿檢測使能信 號和極性檢測信號；
相位校正電路，接收總線移位輸出信號、總線極性信號，進行相位校
正，在極性檢測信號有效情況下輸出正極性的總線信號； 所述邊沿檢測電路包括
同步電路，由第一 二觸發(fā)器組成，其中第一觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入端接收總 線信號，輸出接至第二觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端口，第二觸發(fā)器輸出同步總線信號，
至移位比較電路；對外部輸入的異步總線接收信號進行時鐘同步；
檢測電路，由第三 四觸發(fā)器、第一非門和第一與門組成，其中邊沿 檢測使能信號接至第三觸發(fā)器和第四觸發(fā)器的使能端；同步后的總線信號 經(jīng)第一非門接至第一與門的一個輸入；第三觸發(fā)器輸出連接至第一與門的 另一個輸入端；第一與門的輸出接至第四觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端，生成邊沿檢測 信號為時鐘恢復電路提供邊沿信號；
第一~四觸發(fā)器的時鐘端口與時鐘信號相連接； 所述時鐘恢復電路還原總線時鐘，生成采樣時鐘信號，包括 第一計數(shù)器，接收邊沿檢測信號，在邊沿檢測信號有效時清零，生成 計數(shù)值；
第六比較器， 一個輸入信號為第一計數(shù)器的計數(shù)值，另一個輸入端固 定電平"0111"，與固定電平"0111"進行比較，輸出比較的結果；
第五觸發(fā)器，以第六比較器比較結果為輸入信號，進行鎖存產(chǎn)生采樣 時鐘信號至移位比較電路；
所述第一計數(shù)器和第五觸發(fā)器分別與時鐘信號相連；
所述移位比較電路包括
移位電路，由第二十一 三十六觸發(fā)器組成，第二十一觸發(fā)器的輸入端 接收同步總線輸入信號，第二十一 三十五觸發(fā)器的輸出依次與第二十二 三十六觸發(fā)器的輸入端相連，第三十六觸發(fā)器36)輸出信號為總線移位輸 出信號，至相位校正電路；
第一 五比較器，其一個輸入端接收第二十一 二十八觸發(fā)器輸出的總 線信號，另一輸入端依次接常低標電平、常高電平、前導碼電平、正極性 開始定界符電平、負極性開始定界符電平；第一比較器完成總線空閑低狀 態(tài)的檢測；第二比較器完成總線空閑高狀態(tài)的檢測；第三比較器完成總線 FF總線前導碼的檢測；第四比較器完成總線正極性標志碼的檢測；第五比較器完成總線負極性標志碼的檢測；
第一或門，判斷總線是否達到空閑狀態(tài)； 一個輸入端接收來自第一比
較器的總線空閑低狀態(tài)的檢測信號，另一端輸入端接收來自第二比較器的
總線空閑高狀態(tài)的檢測信號；
第二或門，判斷總線是否達檢測到總線的極性標志， 一個輸入端接收 第四比較器輸出的總線正極性標志碼的檢測信號，另一端輸入接收第五比 較器輸出的總線負極性標志碼的檢測信號，輸出連接到第十九觸發(fā)器的D 輸入端口；
第十七觸發(fā)器，輸入端與第一或門輸出端相連，清零端與第三比較器 的輸出相連，輸出邊沿檢測使能信號，至邊沿檢測電路中第三觸發(fā)器和第 四觸發(fā)器的使能端，標志邊沿檢測使能有效；
第十八觸發(fā)器，置位端接收第四比較器輸出的總線正極性標志碼的檢 測信號，清零端接收第五比較器輸出的總線負極性標志碼的檢測信號，輸 出總線極性信號，指示總線的極性；
第十九觸發(fā)器，數(shù)據(jù)端與第二或門輸出相連，輸出極性檢測信號，指 示已檢測到正確極性；
第二十一 三十六觸發(fā)器，第十七 十九觸發(fā)器分別與時鐘恢復電路所 產(chǎn)生的采樣時鐘信號相連；
所述極性校正電路包括
第二非門，其輸入為總線移位輸出信號，對總線移位輸出信號進行取 反，生成取反相位信號；
多路選擇器， 一個輸入端接第二非門相位取反信號，另一個輸入端接 總線移位輸出信號，選擇端為總線極性信號，選通總線信號的正極性進行 輸出；
第二十觸發(fā)器，接收多路選擇器正極性的總線信號，使能端接極性檢 測信號，時鐘端接時鐘恢復電路所產(chǎn)生的采樣時鐘信號，在極性檢測信號 有效時鎖存輸出正極性總線信號。
本實用新型結構比較簡單，能滿足IEC1158-2現(xiàn)場總線物理層標準性 能指標要求，同時可以有效的減少安裝中的錯誤，提高工作效率。具體還 具有以下優(yōu)點
1. 通過移位比較電路可以自動檢測總線極性；
2. 通過極性校正電路可以自動校正總線極性；
3. 對總線極性的檢測與校正過程中，具有實時性的特點；
4. 通過邊沿檢測電路與時鐘恢復電路相配合，提供時鐘管理功能，當 總線空閑時，只有一小部分電路工作；5.可以以FPGA、 CPLD、 IP等多種方式實現(xiàn)。
圖l本實用新型結構框圖。
圖2為圖1中邊沿檢測電路原理圖。
圖3為圖1中時鐘恢復電路原理圖。
圖4為圖1中移位比較電路原理圖。
圖5為圖1中極性校正電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細說明。 如圖1所示，本實用新型由邊沿檢測電路、時鐘恢復電路、移位比較 電路和相位校正電路四部分電路組成。在工作時，現(xiàn)場總線信號經(jīng)過MAU 由模擬信號轉為總線數(shù)字輸入信號，送入系統(tǒng)中。邊沿檢測電路的作用是 同步總線輸入信號和進行邊沿檢測信號的生成，同步后的總線信號送給移 位比較電路，邊沿檢測信號送給時鐘恢復電路。時鐘恢復電路接受邊沿檢 測信號進行時鐘恢復，產(chǎn)生采樣時鐘信號。移位比較電路的作用是完成同 步后的總線信號的移位和相關兩部分工作，同時也提供總線移位輸出信號、 總線極性信號和極性檢測信號。相位校正電路的作用是輸入的總線移位輸 出信號和總線極性信號，進行相位校正，輸出正極性的總線信號。
如圖2所示，所述邊沿檢測電路包括同步電路和檢測電路兩個功能。 同步電路由第一觸發(fā)器D1、第二觸發(fā)器D2共同組成，具體是所接收總線 信號rxs由第一觸發(fā)器D1的D端口輸入，由Q端口輸出，連接到第二觸發(fā) 器D2的D端口，由Q端口輸出，生成同步總線信號rxs一syn，至移位比較 電路使用。所述檢測電路由第三觸發(fā)器D3、第四觸發(fā)器D4、第一非門NOT1 和第一與門AND1共同組成，生成邊沿檢測信號edge—detect;邊沿檢測電 路的使能可以由邊沿檢測使能信號edge—detect—en控制。邊沿檢測電路的具 體連接關系是時鐘信號elk連接至第三角—蟲發(fā)器D3和第四觸發(fā)器D4的CK 端口 ；邊沿檢測使能信號edge—detect—en連接至第三觸發(fā)器D3和第四觸發(fā) 器D4的EN端口 ；同步總線信號rxs—syn同時連接至第一非門NOT1的輸 入端口；第一非門NOTl的輸出端口連接至第一與門AND1的輸入端口； 第三觸發(fā)器D3的Q端口連接至第一與門AND1的另一個輸入端口；第一 與門AND1的輸出端口輸出至第四觸發(fā)器D4的D端口；邊沿檢測信號 edge—detect由第四觸發(fā)器D4的Q端口輸出?？偩€信號同步電路的作用是 對外部輸入的異步總線接收信號rxs進行時鐘同步，防止內部出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)， 保證了內部工作的穩(wěn)定性。邊沿檢測電路的作用是為時鐘恢復電路提供邊 沿信號，是進行時鐘恢復的依據(jù)。如圖3所示，所述時鐘恢復電路包括第一計數(shù)器CNT1、第一比較器CMP1和第五觸發(fā)器D5，第一計數(shù)器CNT1采用16位計數(shù)器，在邊沿檢測 信號edge—detect有效時清零，生成計數(shù)值經(jīng)過第六比較器CMP6 (采用4 位比較器)與固定電平"0111"進行比較，將比較的結果通過第五觸發(fā)器 D5進行鎖存產(chǎn)生采樣時鐘信號dk—samp至移位比較電路。具體連接是邊沿 檢測信號edge—detect連接至第一計數(shù)器CNT1的清零端clr，時鐘信號elk 連接至第一計i器CNTl的CK端口和第五觸發(fā)器D5的CK端口，第一計 數(shù)器CNT1的計數(shù)輸出端口 Q[3:0]連接至第六比較器CMP6的A端口，固 定電平輸入"0111"連接第六比較器CMP6的B端口，第六比較器CMP6 的比較結果輸出信號Q連接至第五觸發(fā)器D5的D端口，第五觸發(fā)器D5 的輸出端口即為所需的采樣時鐘信號elk—samp，接至移位比較電路。 時鐘恢復電路可還原總線時鐘，生j^采樣時鐘信號elk—samp。 如圖4所示，所述移位比較電路包括19個觸發(fā)器、5個比較器和2個 或門，在19個觸發(fā)器中，從第二十一 三十六觸發(fā)器D21 36組成移位電路， 第十七觸發(fā)器D17生成邊沿檢測信號，第十八觸發(fā)器D18生成總線極性信 號，第十九觸發(fā)器生成極性檢測信號。在5個比較器中，第一比較器CMP1 完成總線空閑低狀態(tài)的檢測；第二比較器CMP2完成總線空閑高狀態(tài)的檢 測；第三比較器CMP3完成總線FF總線前導碼Preamble的檢測；第四比 較器CMP4完成總線正極性標志碼的檢測；第五比較器CMP5完成總線負 極性標志碼的檢測。第一或門ORl的作用是判斷總線是否達到空閑狀態(tài)； 第二或門0R2的作用是判斷總線是否檢測到總線的極性標志。具體連接關 系為總線輸入信號由第二十一觸發(fā)器D21的D端口接入，由Q端口連接 到第二十二觸發(fā)器D22的D端口 ，再由第二十二觸發(fā)器D22的Q端口連接 到第二十三觸發(fā)器D23的D端口，以此類推， 一直連接到第三十六觸發(fā)器 D36的D端口輸入，再由第三十六觸發(fā)器D36的Q端口輸出，輸出信號為 總線移位信號rxs一sft一o，此信號供相位校正電路使用；由第二十一觸發(fā)器 D21到第二十八觸發(fā)器D28的Q端口輸出組成總線信號Q[7:0]，此信號連 接到5個比較器從第一比較器CMP1到第五比較器CMP5的A[7:0]輸入端 口；第一比較器CMP1的B[7:0]端口輸入固定電平(常低電平)，電平值為"00000000";第二比較器CMP2的B[7:0]端口輸入固定電平(常高電平)， 電平值為"11111111";第三比較器CMP3的B[7:0]端口輸入固定電平(前 導碼電平)，電平值為"11001100";第四比較器CMP4的B[7:0]端口輸入固 定電平(正極性開始定界符電平)，電平值為"10110010";第五比較器CMP5 的B[7:0]端口輸入固定電平(負極性開始定界符電平)，電平值為"01001101";第一或門ORl的一端輸入由第一比較器CMP1的Q端口輸出，另一端輸入由第二比較器CMP2的Q輸出，輸出連接到第十七觸發(fā)器 的SET輸入端；第二或門OR2的一端輸入由第四比較器CMP4的Q端口 輸出，另一端輸入由第五比較器CMP5的Q端口輸出，輸出連接到第十九 觸發(fā)器D19的D輸入端口 。第十七觸發(fā)器D17的SET端口由第一或門OR1 輸出，CLR端口由第三比較器CMP3的Q端口輸出，第十七觸發(fā)器D17的 Q輸出端口輸出邊沿檢測使能信號edge_detect—en，標志邊沿檢測使能有效。 第十八觸發(fā)器D18的SET端口由第四比較器CMP4的Q端口輸出，CLR 端口由第五比較器CMP5的Q端口輸出，Q輸出端口輸出polarity信號， 指示總線的極性；第十九觸發(fā)器D19的D端口由第二或門輸出，Q端口輸 出極性檢測信號polarity—detect,指示已檢測到正確極性。第二十一 三十六觸i器D21~36，第十七 十九觸發(fā)器D17 D19分別 與時鐘恢復電路所產(chǎn)生的采樣時鐘信號相連。如圖5所述極性校正電路由第二非門NOT2、多路選擇器MUX和第二 十觸發(fā)器D20組成，第二非門NOT2的作用是對總線移位輸出信號rxs—sft—o 進行取反，生成取反相位信號。多路選擇器MUX的作用是選通總線信號i勺 正極性進行輸出。第二十觸發(fā)器D20的作用鎖存輸出的總線信號，減少毛 刺的產(chǎn)生。極性校正電路的連接關系為第二非門NOT2的輸入由總線移 位輸出信號rxs—sft一o信號連入，相位取反后輸出到多路選擇器MUX的0 輸入端口，多^選i器MUX的1輸入端口由總線移位輸出信號rxs—sft—o 信號連入，多路選擇器MUX的選擇端由總線極性信號polarity連入，多路 選擇器MUX的輸出端連接到第二十觸發(fā)器D20的D端口輸入，第二十觸 發(fā)器D20的使能端EN由極性檢測信號polarity—detect連入，時鐘端接時鐘 恢復電路所產(chǎn)生的采樣時鐘信號，Q輸出端口輸出rxs—o，此信號為在極性 檢測信號有效情況下的正極性總線信號。綜上所述，采用本實用新型方案實現(xiàn)的極性檢測與校正電路結構比較 簡單，符合IEC61158-2物理層標準的相關要求。使用本實用新型后，可以 有效的減少安裝中的錯誤，提高了工作效率。
權利要求1.一種自動檢測并校正總線極性的電路結構，其特征在于包括邊沿檢測電路，通過媒體訪問單元接現(xiàn)場總線，生成同步總線輸入信號和邊沿檢測信號，接收移位比較電路的邊沿檢測使能信號；時鐘恢復電路，接收邊沿檢測信號，輸出采樣時鐘信號；移位比較電路，接收同步后的總線信號，輸出總線移位輸出信號、總線極性信號，邊沿檢測使能信號和極性檢測信號；相位校正電路，接收總線移位輸出信號、總線極性信號，輸出正極性的總線信號。
2. 按權利要求l所述自動檢測并校正總線極性的電路結構，其特征在 于所述邊沿檢測電路包括同步電路，由第一 二觸發(fā)器(D1 D2)組成，其中第一觸發(fā)器(Dl) 數(shù)據(jù)輸入端接收總線信號，輸出接至第二觸發(fā)器(D2)的數(shù)據(jù)端口，第二 觸發(fā)器(D2)輸出同步總線信號，至移位比較電路；檢測電路，由第三 四觸發(fā)器(D3 D4)、第一非門(NOT1)和第一與 門(AND1)組成，其中邊沿檢測使能信號接至第三觸發(fā)器(D3)和第四 觸發(fā)器(D4)的使能端；同步后的總線信號經(jīng)第一非門(NOT1)接至第一 與門(AND1)的一個輸入端；第三觸發(fā)器(D3)輸出連接至第一與門(AND1) 的另一個輸入端；第一與門(AND1)的輸出接至第四觸發(fā)器(D4)的數(shù)據(jù) 端，輸出邊沿檢測信號。
3. 按權利要求2所述自動檢測并校正總線極性的電路結構，其特征在 于第一 四觸發(fā)器(D1 D4)的時鐘端口與時鐘信號相連接。
4. 按權利要求l所述自動檢測并校正總線極性的電路結構，其特征在于所述時鐘恢復電路包括第一計數(shù)器(CNT1)，接收邊沿檢測信號，輸出為計數(shù)值； 第六比較器(CMP6)， 一個輸入信號為第一計數(shù)器(CNT1)的計數(shù)值，另一輸入端接固定電平"0111"，輸出為比較結果；第五觸發(fā)器(D5)，以第六比較器(CMP6)比較結果為輸入信號，輸出采樣時鐘信號至移位比較電路。
5. 按權利要求4所述自動檢測并校正總線極性的電路結構，其特征在 于所述第一計數(shù)器(CNT1)和第五觸發(fā)器(D5)分別與時鐘信號相連。
6. 按權利要求l所述自動檢測并校正總線極性的電路結構，其特征在 于所述移位比較電路包括移位電路，由第二十一 三十六觸發(fā)器(D21-36)組成，第二十一觸發(fā) 器(D21)的輸入端接收同步總線輸入信號，第二十一 三十五觸發(fā)器 (D21 35)的輸出依次與第二十二 三十六觸發(fā)器(D22~36)的輸入端相 連，第三十六觸發(fā)器(D36)輸出信號為總線移位輸出信號，接至相位校正 電路；第一 五比較器(CMP1 CMP5)， 一個輸入端接收第二十一 二十八觸 發(fā)器(D21 D28)輸出的總線信號，另一輸入端依次接常低標電平、常高 電平、前導碼電平、正極性開始定界符電平、負極性開始定界符電平；第一或門(ORl)， 一個輸入端接收來自第一比較器(CMP1)的總線 空閑低狀態(tài)的檢測信號，另一端輸入端接收來自第二比較器(CMP2)的總 線空閑高狀態(tài)的檢測信號；第二或門(OR2)， 一個輸入端接收第四比較器(CMP4)輸出的總線 正極性標志碼的檢測信號，另一端輸入接收第五比較器(CMP5)輸出的總 線負極性標志碼的檢測信號，輸出連接到第十九觸發(fā)器(D19)的數(shù)據(jù)輸入 端口；第十七觸發(fā)器(D17)，輸入端與第一或門(OR1)輸出端相連，清零 端與第三比較器(CMP3)的輸出相連，第十七觸發(fā)器(D17)輸出邊沿檢 測使能信號至邊沿檢測電路中第三觸發(fā)器(D3)和第四觸發(fā)器(D4)的使 能端；第十八觸發(fā)器(D18)，置位端接收第四比較器(CMP4)輸出的總線正 極性標志碼的檢測信號，清零端接收第五比較器(CMP5)輸出的總線負極 性標志碼的檢測信號，輸出總線極性信號；第十九觸發(fā)器(D19)，數(shù)據(jù)端與第二或門(OR2)輸出端相連，輸出極性 檢測信號；第二十一 三十六觸發(fā)器(D21 36)，第十七 十九觸發(fā)器(D17 D19) 分別與時鐘恢復電路所產(chǎn)生的采樣時鐘信號相連。
7.按權利要求l所述自動檢測并校正總線極性的電路結構，其特征在 于所述極性校正電路包括第二非門(NOT2)，其輸入為總線移位輸出信號，輸出取反相位信號；多路選擇器(MUX)， 一個輸入端接第二非門(NOT2)相位取反信號， 另一個輸入端接總線移位輸出信號，選擇端為總線極性信號，選通總線信 號的正極性進行輸出；第二十觸發(fā)器(D20)，接收多路選擇器(MUX)正極性的總線信號， 使能端接極性檢測信號，時鐘端接時鐘恢復電路所產(chǎn)生的采樣時鐘信號， 輸出正極性總線信號。
專利摘要本實用新型公開一種自動檢測并校正總線極性的電路結構，它包括邊沿檢測電路，通過媒體訪問單元接現(xiàn)場總線，同步總線輸入信號和進行邊沿檢測信號的生成，接收移位比較電路的邊沿檢測使能信號；時鐘恢復電路，生成采樣時鐘信號；移位比較電路，接收同步后的總線信號，對同步后的總線信號進行移位和比較，提供總線移位輸出信號、總線極性信號，邊沿檢測使能信號和極性檢測信號；相位校正電路，接收總線移位輸出信號、總線極性信號，在極性檢測信號有效情況下輸出正極性的總線信號。采用本實用新型可以自動檢測基于IEC61158-2標準的曼徹斯特編碼的極性，可以自動校正，并可滿足IEC1158-2現(xiàn)場總線物理層標準中相關的性能指標。
文檔編號G01R31/02GK201322874SQ20082023179
公開日2009年10月7日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權日2008年12月17日
發(fā)明者劉志峰, 超 張, 楊志家, 劍 王, 王建軍, 闖 謝 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所