某探測器測試與信號處理系統(tǒng)的PCM信息采集

    摘要：在導(dǎo)彈、航天器等飛行器的研制試飛中，通常要通過遙測方法來獲取系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，為了完成不同的任務(wù)，需要采集不同的信號，運(yùn)用不同的調(diào)制方式。文章介紹了用DSP+CPLD模式來實(shí)現(xiàn)某探測器測試與信號處理系統(tǒng)對信號的采集，并利用DSP的強(qiáng)大功能完成ＰＣＭ等一系列功能的方法。

    關(guān)鍵詞：DSP；PCM；CPLD；信息采集

１ 引言

信息采集主要包括信號和數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理和控制。它首先對被測對象的溫度、壓力、流量、位移、角度、電壓等物理模擬量進(jìn)行采集、記錄，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后再進(jìn)一步進(jìn)行變換、存儲、處理、記錄和采集。多路信號傳送的方法有頻分制、碼分制、時(shí)分制等。其中時(shí)分制遙測是以不同時(shí)間區(qū)間來區(qū)分遙測信號。用采樣脈沖幅度反映被測參量的方法稱為脈沖幅度調(diào)制（ＰＡＭ）；用采樣脈沖寬度或位置反映被測參量的方法被稱為脈沖寬度參量（ＰＤＭ）或脈沖位置調(diào)制（ＰＰＭ）?而如果用一組編碼脈沖來反映被測參量，則被稱為脈沖編碼調(diào)制（ＰＣＭ）。目前在導(dǎo)彈、航天器遙測中，使用最多的是ＰＣＭ，其次是ＰＡＭ。

    ＰＣＭ遙測系統(tǒng)是一種常用的遙測設(shè)備，它可以采集多路數(shù)據(jù)并進(jìn)行通信傳輸和數(shù)據(jù)處理，其多路數(shù)據(jù)采集設(shè)備就是采編器。采編器主要用于控制采集各個(gè)數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)的時(shí)序，并加上幀同步碼以形成一定格式的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行并／串轉(zhuǎn)換形成串行數(shù)據(jù)流送到調(diào)制設(shè)備供傳送。圖１是一個(gè)典型的ＰＣＭ幀格式示意圖。

２ 信息采集系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

２．１ 信息采集系統(tǒng)的構(gòu)成原理（字體的設(shè)置）

基本信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖２所示。其核心部件是幀格式形成器（有ＲＯＭ和ＣＰＵ兩類），該形成器一方面按時(shí)序向各個(gè)部件發(fā)出采集命令和地址碼，另一方面收集各種數(shù)據(jù)并加上同步碼組和其它信息碼組，從而形成便于傳送的數(shù)據(jù)幀格式。本設(shè)計(jì)直接用ＤＳＰ實(shí)現(xiàn)其功能。

圖２中的多路模擬門（俗稱交換子）選用兩個(gè)１６選１的ＡＤＧ４２６芯片進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，以構(gòu)成符合要求的多路傳輸門。幀格式形成器送來的地址碼作為開關(guān)控制信號。前置放大電路選用低噪聲放大器，來保證系統(tǒng)對微弱信號的無失真放大測量。放大器的作用是為輸入端提供高輸入阻抗，以盡量減少參量誤差，同時(shí)為信號提供足夠的放大倍數(shù)，使被測信號最大值達(dá)到Ａ／Ｄ滿刻度電平。由于模擬信號的輸入電平規(guī)定為０～５Ｖ，因此，測量交流信號時(shí)，應(yīng)將中心值抬高＋２．５Ｖ，使用ＡＤ９２４０可以很容易地滿足其要求。

    多路數(shù)字參量先在接口中等待，當(dāng)相應(yīng)采樣時(shí)隙到來時(shí)才將外來數(shù)字量同步插入數(shù)據(jù)幀格式。時(shí)分制遙測信號的同步和時(shí)隙關(guān)系是很嚴(yán)格的，一旦根據(jù)傳送信號和使用要求確定了碼速率和幀格式后，所有時(shí)隙格式和同步關(guān)系就固定下來了。對于外來的帶同步標(biāo)志的整個(gè)碼組數(shù)據(jù)塊（不是可拆的字），ＰＣＭ幀格式可以用窗口來接收。將外來數(shù)據(jù)塊“堆疊”在主ＰＣＭ幀格式窗口位置之中稱為異步嵌入格式。執(zhí)行時(shí)，接收端先按照主ＰＣＭ同步標(biāo)志找到窗口位置，再由外來數(shù)據(jù)的群同步標(biāo)志碼組得到該數(shù)據(jù)塊的組成規(guī)律。顯然，一個(gè)ＰＣＭ全幀可開多個(gè)窗口。數(shù)據(jù)記錄儀的重放數(shù)據(jù)就可用這種異步格式嵌入到ＰＣＭ幀格式中傳輸。

２．２ 器件選擇

ＡＤＧ４２６是具有十六輸入和一個(gè)公共輸出的單片ＣＭＯＳ模擬選擇器，可用作系統(tǒng)中的模擬交換門?？赏ㄟ^４位二進(jìn)制地址碼Ａ０、Ａ１、Ａ２和Ａ３來決定選擇哪一路。 ＡＤＧ４２６有芯片級（單片級）地址和控制閥門，很容易與微處理器接口。

ＡＤＧ４２６采用增強(qiáng)型ＬＣ２ＭＯＳ工藝，具有低功耗、高開關(guān)速度和低阻抗的特點(diǎn)。低功耗對電池供電系統(tǒng)是很實(shí)用的。當(dāng)處于開通狀態(tài)時(shí)，每個(gè)通道可以相等地傳導(dǎo)兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)，而且還有一個(gè)超出電源范圍的輸入信號。當(dāng)處于斷路狀態(tài)時(shí)，高出電源范圍的信號電平將被阻塞。當(dāng)轉(zhuǎn)變通道的瞬間，在所有的通道轉(zhuǎn)變之前的一瞬間，它們都呈斷開狀態(tài)。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)轉(zhuǎn)變是數(shù)字輸入時(shí)，其固有特性是由最小瞬時(shí)狀態(tài)的低電荷注入的。

    Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器選用采樣率為１０ＭＳＰＳ的１４位ＡＤ９２４０。ＡＤ９２４０帶有高性能低噪聲的取樣保持放大器和可編程電壓基準(zhǔn)。同時(shí)也可以選擇外部參考電壓，以滿足使用中對直流精度和溫度漂移的需求。該器件采用多級差分流水線結(jié)構(gòu)，并有數(shù)字輸出誤差校正邏輯，因而可以保證在整個(gè)溫度范圍內(nèi)無失碼。ＡＤ９２４０的輸入有很高的靈活性? 可為圖像、通信、醫(yī)療和數(shù)字采集系統(tǒng)提供便捷的接口。其實(shí)時(shí)差分輸入結(jié)構(gòu)可提供單端輸入和差分輸入接口。取樣保持放大器?ＳＨＡ?也同樣適用于多路復(fù)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)在連續(xù)的通道中可轉(zhuǎn)換滿刻度電平，甚至可對單通道輸入頻率超過 Ｎｙｑｕｉｓｔ速率的信號進(jìn)行采樣。ＡＤ９２４０在差分輸入模式中，其ＳＨＡ能達(dá)到優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，并可超過額定的５ＭＨｚ Ｎｙｑｕｉｓｔ 頻率。采用單時(shí)鐘輸入來控制所有的內(nèi)部轉(zhuǎn)換周期。數(shù)據(jù)輸出采用直接二進(jìn)制輸出格式。超出轉(zhuǎn)換范圍時(shí)，可用ＯＴＲ信號指示溢出，該信號同時(shí)還可判斷結(jié)果是高位溢出還是低位溢出。

ＡＤ９２４０的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘５ＭＨｚ，每４次轉(zhuǎn)換只取一個(gè)有效數(shù)據(jù)，故可用１．２５ＭＨｚ時(shí)鐘作ＤＭＡＲ。通過ＤＭＡＲ信號讀取前四個(gè)周期中第二次轉(zhuǎn)換的有效數(shù)據(jù)，可以避免ＡＤＧ４２６選擇器１２０ｎｓ開關(guān)時(shí)間的影響。

ＡＤ９２４０轉(zhuǎn)換器內(nèi)帶２．５Ｖ參考電壓，可采用單端直接耦合方式把信號輸入到ＡＤ９２４０中。數(shù)據(jù)鎖存則由ＣＰＬＤ完成。鎖存時(shí)鐘與ＤＳＰ的ＤＭＡＲ同周期，也就是說：ＣＰＬＤ鎖存后，可以馬上通過ＤＭＡ方式輸入到ＤＳＰ。

ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ芯片ＡＤＳＰ－ＴＳ１０１是一款高性能的靜態(tài)超標(biāo)量處理器，專為大信號處理任務(wù)和通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。該處理器將非常寬的存儲帶寬和雙運(yùn)算模塊組合在一起，從而建立了數(shù)字信號處理器性能的新標(biāo)準(zhǔn)。其主要性能有：

●指令執(zhí)行速度３００ＭＨｚ，指令周期３．３ｎｓ。

●片內(nèi)有６Ｍ位ＳＲＡＭ，分為三個(gè)模塊，每個(gè)模塊均通過單獨(dú)的地址總線和數(shù)據(jù)總線相連，故可以同時(shí)進(jìn)行訪問。核內(nèi)有雙運(yùn)算模塊，每個(gè)運(yùn)算模塊都包含一個(gè)ＡＬＵ、一個(gè)乘法器、一個(gè)移位器和一個(gè)寄存器組。核內(nèi)有雙整數(shù)ＡＬＵ，可提供數(shù)據(jù)尋址和指針操作功能。

●Ｉ／Ｏ部分含１４個(gè)ＤＭＡ通道、４個(gè)鏈路口和ＳＤＲＡＭ控制器等，片上仲裁系統(tǒng)還可構(gòu)成８個(gè)Ｔｉｇｅｒ ＳＨＡＲＣ ＤＳＰ共享總線無縫連接的多處理器系統(tǒng)。

ＡＤＳＰ－ＴＳ１０１有三套獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線。內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度擴(kuò)展為１２８位，外部數(shù)據(jù)總線寬度可擴(kuò)展為６４位。

ＡＤＳＰ－ＴＳ１０１的綜合處理能力非常優(yōu)異。其峰值運(yùn)算能力可達(dá)１６００Ｍ Ｆｌｏｐｓ／ｓ，１０２４點(diǎn)復(fù)數(shù)ＦＦＴ僅需３２．７８μｓ，外部總線的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)８００Ｍｂｙｔｅｓ／ｓ。每個(gè)鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸速率為２５０ Ｍｂｙｔｅｓ／ｓ。

２．３ 時(shí)序關(guān)系及部分硬件電路

通過時(shí)鐘的上升沿鎖存時(shí)，其時(shí)序關(guān)系如圖３所示。圖４所示是該系統(tǒng)的部分硬件原理圖。設(shè)計(jì)時(shí)還用到了Ａｌｔｅｒａ公司ＣＰＬＤ系列中的ＥＰＭ７１２８。

３　軟件設(shè)計(jì)

３．１ 幀格式

在中國的某些規(guī)定中，為了保護(hù)ＰＣＭ遙控?cái)?shù)據(jù)，在ＰＣＭ遙測中使用兩種遙控?cái)U(kuò)展幀，即實(shí)時(shí)開關(guān)指令和串行數(shù)據(jù)注入幀。這兩種遙控幀的后面都可以附加一個(gè)長度為８ｍ（ｍ＝１，２，３……）ｂｉｔ的序列以用于數(shù)據(jù)的保護(hù)。具體如圖５所示。

本系統(tǒng)中?信號采樣后可按照基準(zhǔn)信號的周期進(jìn)行分幀處理，程序每次處理的是上一幀的采樣數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)處理延時(shí)１幀），然后再根據(jù)計(jì)算結(jié)果合成跟蹤信號；在處理數(shù)據(jù)的同時(shí)，可采用中斷輸出的上一幀來計(jì)算跟蹤信號（跟蹤信號輸出延時(shí)２幀）。

假設(shè)基準(zhǔn)信號如圖６所示，那么，采用過零檢測可得到正、負(fù)過零時(shí)刻，但有時(shí)基準(zhǔn)信號的過零點(diǎn)不唯一，故可將過零檢測改為過某一固定電平檢測。

在正過零時(shí)刻，由過零檢測電路可產(chǎn)生硬件中斷ＩＲＱ０，中斷響應(yīng)程序首先記錄當(dāng)前緩沖區(qū)的長度Ｌ，然后進(jìn)行緩沖區(qū)切換。假設(shè)將緩沖區(qū)切換到Ｂｕｆｆｅｒ（Ｉ）（Ｉ＝１，２，３，４），此后的采樣數(shù)據(jù)采用ＤＭＡ方式放入Ｂｕｆｆｅｒ（Ｉ）。那么，４個(gè)緩沖區(qū)將按照１－＞２－＞３－＞４－＞１的方式循環(huán)。

在負(fù)過零時(shí)刻，將由過零檢測電路產(chǎn)生硬件中斷ＩＲＱ１，然后計(jì)算基準(zhǔn)信號正峰值位置Ｎ，（為了清楚起見，圖６中不同周期的Ｎ分別用Ｎ１和Ｎ２表示），定義Ｍ為ＩＲＱ１中斷時(shí)當(dāng)前緩沖區(qū)的長度，則Ｎ１＝Ｍ／２。相鄰兩個(gè)峰值之間的數(shù)據(jù)為一幀數(shù)據(jù)，圖６中，Ｎ１和Ｎ２之間的數(shù)據(jù)為一幀數(shù)據(jù)。

由于基準(zhǔn)信號的頻率不穩(wěn)定，因此不能采用固定長度的緩沖區(qū)。為了便于尋址，采集數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的長度定為１０２４。由于一幀完整的數(shù)據(jù)將跨越兩個(gè)緩沖區(qū)，同時(shí)為了處理目標(biāo)跨越兩幀數(shù)據(jù)的情況，可將采樣緩沖區(qū)數(shù)定為４個(gè)，其中一個(gè)作為當(dāng)前采集數(shù)據(jù)的ＤＭＡ傳輸目的，另外三個(gè)作為兩幀完整數(shù)據(jù)的緩存。

    因?yàn)楣灿校玻猜沸盘栃枰蓸?，設(shè)置的緩沖區(qū)應(yīng)有２２組，故此，定義０～１５為中波信號，１６～２０為短波信號，２１為基準(zhǔn)信號，２２為解鎖信號。

３．２ 同步問題

除幀格式外，時(shí)分制遙測信號的同步和時(shí)隙關(guān)系也很嚴(yán)格?即所謂的同步問題。具體有幀同步、字同步、位同步等多種形式。在數(shù)字遙測（ＰＣＭ）系統(tǒng)中，信道上傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制編碼序列，插入幀同步信號要易于識別和提取，并應(yīng)與正常信號編碼有顯著差別且能減少假同步和漏同步概率。目前常用的幀同步碼組有巴克碼組、偽隨機(jī)碼組等。實(shí)際上更基本的同步是時(shí)鐘同步（也稱為路同步或位同步），也就是要求收發(fā)兩端數(shù)據(jù)流的時(shí)鐘嚴(yán)格同步。本系統(tǒng)使用ＣＰＬＤ對接收到的基準(zhǔn)信號進(jìn)行處理以作為幀同步的標(biāo)志。

４ 結(jié)束語

通過時(shí)分制，并用ＤＳＰ ＤＭＡ技術(shù)實(shí)現(xiàn)的ＰＣＭ高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很高的信噪比，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，本實(shí)現(xiàn)方案也可推廣到多路的采集系統(tǒng)，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮性價(jià)比及總線速度問題。