CN113850098B - 数据编码装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种数据编码装置，包括：ETU计数单元，用于在控制器开启的编码使能信号后，对预设时钟信号的每个上升沿进行计数；脉冲产生单元，用于对所述预设时钟信号进行分频，并在脉冲使能信号开启后，根据所述ETU计数单元的当前计数值确定是否输出目标频率的脉冲信号；曼彻斯特编码单元，用于在所述编码使能信号延时预设个周期后，对数据进行编码；门控单元，用于将所述编码使能信号延时所述预设个周期后，将所述预设时钟信号接入到所述曼彻斯特编码单元。本发明不采用时钟与NRZ异或倒相的设计方法，通过加入可复用计数单元、门控单元，大大降低了编码装置的功耗和提高了编码装置的适配性以及可迁移性。
Description
技术领域
本发明涉及数据编码技术领域，尤其涉及一种数据编码装置。
背景技术
非接触式近场通信经过这二十多年的发展，已慢慢成为物联网、智慧生活、智慧城市等领域不可或缺的一部分。可用于芯片生产的数字编码技术实现是否稳定、功耗低、易迁移成为了衡量设计水平的关键标准。但现有的曼彻斯特编码技术多为现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）、复杂可编程逻辑器件（Complex ProgrammableLogic Device，CPLD）、STM32单片机、软件技术、光通信领域的实现方法居多，这类设计方法跟芯片设计有着巨大的区别，即使能模拟接近式卡（Proximity card，PICC）也不具备量产能力，且无法满足芯片设计对面积、功耗的要求。
小部分可支持芯片生产的曼彻斯特编码技术实现起来又较为臃肿且稳定性差、功耗高、迁移性极差。如现有能支持芯片生产的曼彻斯特编码技术的信号产生是经过时钟与不归零码（Non-Return to Zero，NRZ）进行异或后倒相的结果，这种处理方法会对系统带来致命缺陷，在时钟上升沿或下降沿不理想的情况下，容易产生尖峰脉冲，从而引起系统崩溃。即使针对这种情况可以进行优化避免，但对时钟的要求也高，本来PICC的时钟就是通过天线感应产生，存在较大的不确定性，所以优化实现起来也非常麻烦，且不好理解，迁移性也差。
发明内容
本发明提供的数据编码装置及构建方法，用于克服现有技术中存在的上述至少一个问题，不采用时钟与NRZ异或倒相的设计方法，通过加入可复用计数单元、门控单元，大大降低了编码装置的功耗和提高了编码装置的适配性以及可迁移性。
本发明提供的一种数据编码装置，包括：
ETU计数单元，用于在控制器开启的编码使能信号后，对预设时钟信号的每个上升沿进行计数；
脉冲产生单元，与所述ETU计数单元连接，用于对所述预设时钟信号进行分频，并在脉冲使能信号开启后，根据所述ETU计数单元的当前计数值确定是否输出目标频率的脉冲信号；
曼彻斯特编码单元，与所述脉冲产生单元连接，用于在所述编码使能信号延时预设个周期后，对数据进行编码；
门控单元，与所述曼彻斯特编码单元连接，用于将所述编码使能信号延时所述预设个周期后，将所述预设时钟信号接入到所述曼彻斯特编码单元。
根据本发明提供的一种数据编码装置，所述ETU计数单元，包括：
计数器，用于在所述编码使能信号开启后，对所述预设时钟信号的每个上升沿进行计数。
根据本发明提供的一种数据编码装置，所述脉冲产生单元，包括：
受控分频器，与所述ETU计数单元连接，用于对所述预设时钟信号进行分频，并在脉冲使能信号开启后，根据所述ETU计数单元的当前计数值确定是否输出目标频率的脉冲信号。
根据本发明提供的一种数据编码装置，所述门控单元，包括：
两级同步寄存器，与所述曼彻斯特编码单元连接，用于将所述编码使能信号延时所述预设个周期，以使得所述曼彻斯特编码单元在所述编码使能信号关闭后被同步复位；
门控锁存器，用于对所述曼彻斯特编码单元进行时钟门控，使得在所述编码使能信号延时所述预设个周期后，将所述预设时钟信号接入到所述曼彻斯特编码单元。
根据本发明提供的一种数据编码装置，所述曼彻斯特编码单元，包括：
编码状态机，与所述脉冲产生单元连接，用于在所述编码使能信号延时预设个周期后，对所述数据进行编码；
数据装载寄存器，用于对所述数据进行寄存；
数据比特计数器，用于对所述数据每个字节包含的比特数进行计数；
数据字节计数器，用于对所述数据包含的字节数进行计数。
根据本发明提供的一种数据编码装置，所述对所述数据进行编码，包括：
按照ISO/IEC14443 TypeA协议规定的曼彻斯特编码规则，对所述数据进行编码。
根据本发明提供的一种数据编码装置，在对所述数据每个字节包含的目标比特进行编码时，若此时所述ETU计数单元的当前计数值达到预设值，则所述编码状态机输出读信号给上层调用模块；
所述上层调用模块在接收到所述读信号后，从所述数据装载寄存器中获取所述目标比特的下一比特，并将所述下一比特发送给所述编码状态机。
本发明还提供一种数据编码装置，所述目标频率的时钟信号，包括：
848kHz的时钟信号。
根据本发明提供的一种数据编码装置，所述曼彻斯特编码单元，还包括：
数据加密控制器，用于对所述数据进行加密。
根据本发明提供的一种数据编码装置，所述曼彻斯特编码单元，所述预设时钟信号，包括：
3.39MHz时钟信号或13.56MHz时钟信号。
本发明提供的数据编码装置，不采用时钟与NRZ异或倒相的设计方法，通过加入可复用计数单元、门控单元，大大降低了编码装置的功耗和提高了编码装置的适配性以及可迁移性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的数据编码装置的结构示意图；
图2是本发明提供的门控单元的原理示意图；
图3是本发明提供的曼彻斯特编码单元的原理示意图；
图4是本发明提供的SOF编码示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明提供的数据编码装置的结构示意图，如图1所示，包括：
ETU计数单元1，用于在控制器开启的编码使能信号后，对预设时钟信号的每个上升沿进行计数；
脉冲产生单元3，与ETU计数单元1连接，用于对预设时钟信号进行分频，并在脉冲使能信号开启后，根据ETU计数单元1的当前计数值确定是否输出目标频率的脉冲信号；
曼彻斯特编码单元2，与脉冲产生单元3连接，用于在编码使能信号延时预设个周期后，对数据进行编码；
门控单元4，与曼彻斯特编码单元2连接，用于将编码使能信号延时预设个周期后，将预设时钟信号接入到曼彻斯特编码单元2。
可选地，本发明提供的数据编码装置，适用于OOK调制的曼彻斯特编码技术，适用与非接触式卡片等多种应答器的编码部分及编码加密接口。简单来说，是一种适用于OOK调制技术来对RFID阅读器装置进行回复的数据编码装置。
具体地，该数据编码装置，包括ETU计数单元1、脉冲产生单元3、曼彻斯特编码单元2、门控单元4。ETU计数单元1是用作对预设时钟信号（即主频时钟）的计数，在编码使能信号开启后，通过当前计数值对基本时间单元ETU位置进行定位。脉冲产生单元3是在需要编码的地方输出目标频率的脉冲信号。
曼彻斯特编码单元2，与脉冲产生单元连接，用于在编码使能信号延时预设个周期后，对数据进行编码。
门控单元4，是针对低功耗设计方案加入的接口，与曼彻斯特编码单元2连接，用于将编码使能信号延时预设个周期（例如2个周期）后，将所述预设时钟信号接入到所述曼彻斯特编码单元。
本发明提供的数据编码装置，不采用时钟与NRZ异或倒相的设计方法，通过加入可复用计数单元、门控单元，大大降低了编码装置的功耗和提高了编码装置的适配性以及可迁移性。
进一步地，在一个实施例中，ETU计数单元1，可以具体包括：
计数器，用于在编码使能信号开启后，对预设时钟信号的每个上升沿进行计数。
进一步地，在一个实施例中，脉冲产生单元3，可以具体包括：
受控分频器，与ETU计数单元1连接，用于对预设时钟信号进行分频，并在脉冲使能信号开启后，根据ETU计数单元1的当前计数值确定是否输出目标频率的脉冲信号。
进一步地，在一个实施例中，预设时钟信号，可以具体包括：
3.39MHz时钟信号或13.56MHz时钟信号。
可选地，ETU计数单元1可以包括一个计数器，根据预设时钟信号的频率可以设置该计数器的位数，若采用3.39MHz时钟信号，该计数器为五位宽计数器；若采用13.56MHz时钟信号，则该计数器为七位宽计数器。
ETU计数单元1用于对预设时钟信号的每个上升沿进行计数，其实际上是1ETU的定时器，用来对ETU内各段时间点进行定位。
ETU计数器1：五位计数器，在编码使能打开后，开启计数，五位计数器计数最大值为31，对于3.39M时钟来说，计数从0到31恰为一个ETU的时间长度。此外，ETU计数器留有名为open_cnt的接口，当曼彻斯特编码单元2处于空闲时，其它模块（如解码模块）可通过把此信号拉高启用此计数器，且此模块计数到31会输出cnt_full的标志。
脉冲产生单元3，与ETU计数单元1连接，用于对预设时钟信号进行分频，并在脉冲使能信号开启后，根据ETU计数单元1的当前计数值确定是否输出目标频率的脉冲信号。
脉冲产生单元3，实际上是一个受控分频器，在门控单元4指示开启（logic0）则开始计数分频输出目标频率的脉冲信号，在门控单元4指示关闭（logic1）则清零分频计数器，并关闭分频，此时，脉冲产生单元3不再输出目标频率的脉冲信号。其中，目标频率的脉冲信号可以具体为848kHz的脉冲信号。
本发明提供的数据编码装置，通过ETU计数单元、脉冲产生单元、曼彻斯特编码单元以及门控单元层层关联，有效降低了数据编码装置实现的难度，同时得益于ETU计数单元中的计数器在编码模块空闲时支持多方复用，大大提高了数据编码装置的可迁移性。
进一步地，在一个实施例中，门控单元4，可以具体包括：
两级同步寄存器，与曼彻斯特编码单元2连接，用于将编码使能信号延时预设个周期，以使得曼彻斯特编码单元2在编码使能信号关闭后被同步复位；
门控锁存器，用于对曼彻斯特编码单元2进行时钟门控，使得在编码使能信号延时预设个周期后，将预设时钟信号接入到曼彻斯特编码单元2。
可选地，参见图2，门控单元4包括一个两级同步寄存器，一个门控锁存器。在编码使能信号进入此单元的预设个周期（例如两个周期）后，曼彻斯特编码单元2接入预设时钟信号。设计时，把编码使能信号处于低电平时，当成曼彻斯特编码单元2的同步复位使用，所以当编码使能信号拉低时，如果没有两级同步寄存器的存在，曼彻斯特编码单元2会同时失去时钟翻转，那么曼彻斯特编码单元2的同步复位就没法进行，所以加入两级同步寄存器用于在编码使能信号拉低时，让曼彻斯特编码单元2延后两个周期再失去时钟翻转，使得曼彻斯特编码单元2的同步复位可以进行。
门控锁存器则用于对曼彻斯特编码单元2进行时钟门控，使得在编码使能信号延时2个周期后，将预设时钟信号接入到曼彻斯特编码单元2。
本发明提供的数据编码装置，通过门控单元对编码时钟（预设时钟信号）进行控制，在曼彻斯特编码单元不工作时可以关闭曼彻斯特编码单元，在一定程度上也减少了功耗。
进一步地，在一个实施例中，曼彻斯特编码单元2，包括：
编码状态机，与脉冲产生单元3连接，用于在编码使能信号延时预设个周期后，对数据进行编码；
数据装载寄存器，用于对数据进行寄存；
数据比特计数器，用于对数据每个字节包含的比特数进行计数；
数据字节计数器，用于对数据包含的字节数进行计数。
进一步地，在一个实施例中，曼彻斯特编码单元2，还可以具体包括：
数据加密控制器，用于对数据进行加密。
可选地，参见图3，曼彻斯特编码单元2包括一个编码状态机，用于解析需要发送的数据按协议进行编码；包括一个数据加密控制器，用于对需要加密的数据进行加密；包括一个数据装载寄存器，用于对需要编码的数据进行寄存；包括一个数据比特计数器，用于对发送数据每个字节包含的比特数进行计数；包括一个数据字节计数器，用于对发送数据的字节数进行计数。
本发明提供的数据编码装置，不采用传统的时钟与NRZ异或倒相的设计方法，采用曼彻斯特编码单元对数据进行编码，提高了数据编码装置的稳定性和容错率。
进一步地，在一个实施例中，对数据进行编码，包括：
按照ISO/IEC14443 TypeA协议规定的曼彻斯特编码规则，对数据进行编码。
进一步地，在一个实施例中，在对数据每个字节包含的目标比特进行编码时，若此时ETU计数单元的当前计数值达到预设值，则编码状态机输出读信号给上层调用模块；
上层调用模块在接收到读信号后，从数据装载寄存器中获取目标比特的下一比特，并将下一比特发送给编码状态机。
可选地，曼彻斯特编码单元2中的编码状态机严格按照ISO/IEC 14443 TypeA协议中规定的曼彻斯特编码规则进行编码数据。
以编码数据“SOF_26H_EOF”为例，说明如何使用和复用ETU计数器1，如何开启脉冲产生单元3，如何通过门控单元4开关曼彻斯特编码单元2，实现对该数据的编码，具体如下：
ETU计数器1：以采用3.39MHz时钟信号为例，ETU计数器1为五位宽计数器，在编码使能信号打开后，开启计数，五位宽计数器计数最大值为31，计数从0到31恰为一个ETU的时间长度。此外，五位宽计数器留有名为open_cnt的接口，当曼彻斯特编码单元2处于空闲时，其它模块（如解码模块）可通过把此信号拉高启用此计数器，且计数到31会输出cnt_full的标志。
脉冲产生单元3：实际上是一个受控分频器，在门控单元4指示开启（logic0）则开始计数分频输出脉冲，关闭（logic1）则清零分频计数器，并关闭分频。
门控单元4，包括一个两级同步寄存器，一个门控锁存器。在编码使能信号进入此单元的两个周期后，曼彻斯特编码单元2接入3.39MHz时钟信号。设计时，把编码使能信号处于低电平时，当成曼彻斯特编码单元2的同步复位使用，所以当编码使能信号拉低时，通过门控单元4中的两级同步寄存器，让曼彻斯特编码单元2延后两个时钟再失去时钟翻转，使得曼彻斯特编码单元2的同步复位可以进行。
如图3所示，曼彻斯特编码单元2主体设计方案为：当控制器开启编码使能信号后，同步指示曼彻斯特编码单元2发送多少字节，非完整字节的比特数，曼彻斯特编码单元2在编码使能信号延时两个周期后迎来时钟翻转，接入的3.39MHz时钟信号到来后开始对SOF进行编码，编码规则如表1所示。
表1：
可以知道SOF在位持续时间的第1个1/2（50%），载波应以副载波来调制，那么此时需要输出一个标志启动脉冲产生单元3，并把脉冲产生单元3输出的848kHz的脉冲信号接通至编码输出，此时监测ETU计数器当前计数值，直到定位至ETU中间（50%），关闭脉冲产生单元3，并断开848kHz的脉冲信号与编码输出，此时编码默认输出为高电平，到此SOF输出完毕（如图4）。
在对数据每个字节包含的目标比特进行编码时，若此时ETU计数单元1的当前计数值达到预设值，则编码状态机输出读信号给上层调用模块；上层调用模块在接收到读信号后，从数据装载寄存器中获取目标比特的下一比特，并将下一比特发送给编码状态机。如在SOF输出完毕前的三个周期（此时，ETU计数单元1的当前计数值为28），输出读信号给上层调用模块，以指示上层调用模块更新线上数据，并取回更新前的数据寄存起来用于编码。
本发明提供的数据编码装置支持数据加密，只需拉高m_op，并输入9位密令（带奇偶校验位），即可把数据与密令进行异或运算后再进入编码，如若不需要加密则拉低m_op。在拿到上层调用模块的数据后，还需要进行奇偶校验，至此1byte数据加1bit奇偶校验位完成组装。接下来进行并串转换，每个流程处理1bit数据，每编码完1bit数据，数据比特计数器加一，每编码完9bit，发送数据字节计数器加一，直至发送数据比特计数器、发送数据字节计数器等于上层调用模块指示要发送的比特数、字节数，状态机跳转至EOF，编码并发送EOF，然后跳往完成状态，输出编码完成标志。
通过如下方式编码1bit数据：首先把1bit数据处理划分成两部分，每部分处理时间为1/2ETU，根据ETU计数单元1当前计数值作为处理转换条件。在前1/2ETU，把这1bit数据的逻辑取反后，作为脉冲产生单元3脉冲使能信号的开启标志，并决定是否把脉冲产生单元3输出的848kHz脉冲信号接入编码输出；在后1/2ETU，直接把1bit数据的逻辑值作为脉冲产生单元3脉冲使能信号的开启标志，并决定是否把848kHz脉冲信号接入编码输出。例如：当前逻辑为“1”，
在前1/2ETU，把logic1取反等于logic0，logic0表示开启脉冲产生单元3的脉冲使能信号，并把产生的848kHz脉冲信号接入编码输出；在后1/2ETU，logic1无需取反，表示关闭脉冲产生单元3，并把848kHz脉冲信号和编码输出断开，编码输出此时维持高电平。上述就完成了“SOF+1bit”编码的举例，EOF较简单，脉冲产生单元3一直关闭，编码输出维持在高电平即可。
SOF编码、数据编码、EOF编码：在帧头、数据段帧的组成、帧尾，按照ISO/IEC 14443TYPEA协议分别控制脉冲的产生与否及是否接入编码输出。
数据装载：输出读信号指示上层调用模块，更新需编码数据线上数据。
数据寄存：在数据装载进行时，同步寄存需编码数据线上更新前的数据用于编码。
数据加密：加密模块只需拉高m_op，并输出9位密令（带奇偶校验位）到曼彻斯特编码单元预留的对应接口，即可把数据与密令进行异或运算后再进入编码，如若不需要加密则拉低m_op。
数据校验位加载：把数据进行奇偶校验运算，算出校验位并加入编码。
并串转换：把9bit数据，每经过1ETU时间，输出1bit。
数据比特计数器：四位计数器，每编码1bit数据完成加一。
数据字节计数器：五位计数器，每编码9bit数据完成加一。
状态完成标志输出：编码完成状态，输出各类标志指示其他模块。
本发明提供的数据编码装置，结合ETU计数单元、曼彻斯特编码单元、脉冲产生单元以及编码模块门控单元，可以高效、稳定地进行适用于标签芯片等所有符合ISO/IEC14443的芯片曼彻斯特编码，所有单元都采用数字电路实现，处于同一时钟域下，同步电路的使用提高了系统的稳定性，有效避开毛刺、亚稳态等不稳定因素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种数据编码装置，其特征在于，包括：
ETU计数单元，用于在控制器开启的编码使能信号后，对预设时钟信号的每个上升沿进行计数；
脉冲产生单元，与所述ETU计数单元连接，用于对所述预设时钟信号进行分频，并在脉冲使能信号开启后，根据所述ETU计数单元的当前计数值确定是否输出目标频率的脉冲信号；
曼彻斯特编码单元，与所述脉冲产生单元连接，用于在所述编码使能信号延时预设个周期后，对数据进行编码；
门控单元，包括两级同步寄存器与门控锁存器，两级同步寄存器，与所述曼彻斯特编码单元连接，用于将所述编码使能信号延时所述预设个周期，以使得所述曼彻斯特编码单元在所述编码使能信号关闭后被同步复位；
门控锁存器，用于对所述曼彻斯特编码单元进行时钟门控，使得在所述编码使能信号延时所述预设个周期后，将所述预设时钟信号接入到所述曼彻斯特编码单元。
2.根据权利要求1所述的数据编码装置，其特征在于，所述ETU计数单元，包括：
计数器，用于在所述编码使能信号开启后，对所述预设时钟信号的每个上升沿进行计数。
3.根据权利要求1所述的数据编码装置，其特征在于，所述脉冲产生单元，包括：
受控分频器，与所述ETU计数单元连接，用于对所述预设时钟信号进行分频，并在脉冲使能信号开启后，根据所述ETU计数单元的当前计数值确定是否输出目标频率的脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的数据编码装置，其特征在于，所述曼彻斯特编码单元，包括：
编码状态机，与所述脉冲产生单元连接，用于在所述编码使能信号延时预设个周期后，对所述数据进行编码；
数据装载寄存器，用于对所述数据进行寄存；
数据比特计数器，用于对所述数据每个字节包含的比特数进行计数；
数据字节计数器，用于对所述数据包含的字节数进行计数。
5.根据权利要求4所述的数据编码装置，其特征在于，所述对所述数据进行编码，包括：
按照ISO/IEC14443 TypeA协议规定的曼彻斯特编码规则，对所述数据进行编码。
6.根据权利要求4所述的数据编码装置，其特征在于，在对所述数据每个字节包含的目标比特进行编码时，若此时所述ETU计数单元的当前计数值达到预设值，则所述编码状态机输出读信号给上层调用模块；
所述上层调用模块在接收到所述读信号后，从所述数据装载寄存器中获取所述目标比特的下一比特，并将所述下一比特发送给所述编码状态机。
7.根据权利要求1所述的数据编码装置，其特征在于，所述目标频率的时钟信号，包括：
848kHz的时钟信号。
8.根据权利要求4所述的数据编码装置，其特征在于，所述曼彻斯特编码单元，还包括：
数据加密控制器，用于对所述数据进行加密。
9.根据权利要求1所述的数据编码装置，其特征在于，所述曼彻斯特编码单元，所述预设时钟信号，包括：
3.39MHz时钟信号或13.56MHz时钟信号。
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