某探測器測試與信號處理系統(tǒng)的PCM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行采集、記錄，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后再進一步進行變換、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、時分制等。其中時分制遙測是以不同時間區(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數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)的時序，并加上幀同步碼以形成一定格式的數(shù)據(jù)，再進行并/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是一個典型的PCM幀格式示意圖。

　　2 信息采集系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

　　2.1 信息采集系統(tǒng)的構(gòu)成原理

　　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序向各個部件發(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)計直接用DSP實現(xiàn)其功能。

　　圖2中的多路模擬門(俗稱交換子)選用兩個16選1的ADG426芯片進行組合設(shè)計，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，同時為信號提供足夠的放大倍數(shù)，使被測信號最大值達到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，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，當相應(yīng)采樣時隙到來時才將外來數(shù)字量同步插入數(shù)據(jù)幀格式。時分制遙測信號的同步和時隙關(guān)系是很嚴格的，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，所有時隙格式和同步關(guān)系就固定下來了。對于外來的帶同步標志的整個碼組數(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，接收端先按照主PCM同步標志找到窗口位置，再由外來數(shù)據(jù)的群同步標志碼組得到該數(shù)據(jù)塊的組成規(guī)律。顯然，一個PCM全幀可開多個窗口。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采用增強型LC2MOS工藝，具有低功耗、高開關(guān)速度和低阻抗的特點。低功耗對電池供電系統(tǒng)是很實用的。當處于開通狀態(tài)時，每個通道可以相等地傳導(dǎo)兩個方向的數(shù)據(jù)，而且還有一個超出電源范圍的輸入信號。當處于斷路狀態(tài)時，高出電源范圍的信號電平將被阻塞。當轉(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)計中，當轉(zhuǎn)變是數(shù)字輸入時，其固有特性是由最小瞬時狀態(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。同時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。其實時差分輸入結(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速率的信號進行采樣。AD9240在差分輸入模式中，其SHA能達到優(yōu)良的動態(tài)特性，并可超過額定的5MHz Nyquist 頻率。采用單時鐘輸入來控制所有的內(nèi)部轉(zhuǎn)換周期。數(shù)據(jù)輸出采用直接二進制輸出格式。超出轉(zhuǎn)換范圍時，可用OTR信號指示溢出，該信號同時還可判斷結(jié)果是高位溢出還是低位溢出。

　　AD9240的轉(zhuǎn)換時鐘5MHz，每4次轉(zhuǎn)換只取一個有效數(shù)據(jù)，故可用1.25MHz時鐘作DMAR。通過DMAR信號讀取前四個周期中第二次轉(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)超標量處理器，專為大信號處理任務(wù)和通信結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。該處理器將非常寬的存儲帶寬和雙運算模塊組合在一起，從而建立了數(shù)字信號處理器性能的新標準。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，分為三個模塊，每個模塊均通過單獨的地址總線和數(shù)據(jù)總線相連，故可以同時進行訪問。核內(nèi)有雙運算模塊，每個運算模塊都包含一個ALU、一個乘法器、一個移位器和一個寄存器組。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DMA通道、4個鏈路口和SDRAM控制器等，片上仲裁系統(tǒng)還可構(gòu)成8個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)總線寬度擴展為128位，外部數(shù)據(jù)總線寬度可擴展為64位。

　　ADSP-TS101的綜合處理能力非常優(yōu)異。其峰值運算能力可達1600M Flops/s，1024點復(fù)數(shù)FFT僅需32.78μs，外部總線的數(shù)據(jù)傳輸速率可達800Mbytes/s。每個鏈路口的數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Mbytes/s。

　　2.3 時序關(guān)系及部分硬件電路

　　通過時鐘的上升沿鎖存時，其時序關(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)計時還用到了Altera公司CPLD系列中的EPM7128。

圖4 原理框圖
3　軟件設(shè)計

　　3.1 幀格式

　　在中國的某些規(guī)定中，為了保護PCM遙控數(shù)據(jù)，在PCM遙測中使用兩種遙控擴展幀，即實時開關(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長度為8m(m=1，2，3……)bit的序列以用于數(shù)據(jù)的保護。具體如圖5所示。

　　本系統(tǒng)中?信號采樣后可按照基準信號的周期進行分幀處理，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1幀)，然后再根據(jù)計算結(jié)果合成跟蹤信號;在處理數(shù)據(jù)的同時，可采用中斷輸出的上一幀來計算跟蹤信號(跟蹤信號輸出延時2幀)。

　　假設(shè)基準信號如圖6所示，那么，采用過零檢測可得到正、負過零時刻，但有時基準信號的過零點不唯一，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)程序首先記錄當前緩沖區(qū)的長度L，然后進行緩沖區(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個緩沖區(qū)將按照1->2->3->4->1的方式循環(huán)。

　　在負過零時刻，將由過零檢測電路產(chǎn)生硬件中斷IRQ1，然后計算基準信號正峰值位置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中斷時當前緩沖區(qū)的長度，則N1=M/2。相鄰兩個峰值之間的數(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)將跨越兩個緩沖區(qū)，同時為了處理目標跨越兩幀數(shù)據(jù)的情況，可將采樣緩沖區(qū)數(shù)定為4個，其中一個作為當前采集數(shù)據(jù)的DMA傳輸目的，另外三個作為兩幀完整數(shù)據(jù)的緩存。

　　因為共有22路信號需要采樣，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為基準信號，22為解鎖信號。

　　3.2 同步問題

　　除幀格式外，時分制遙測信號的同步和時隙關(guān)系也很嚴格?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、偽隨機碼組等。實際上更基本的同步是時鐘同步(也稱為路同步或位同步)，也就是要求收發(fā)兩端數(shù)據(jù)流的時鐘嚴格同步。本系統(tǒng)使用CPLD對接收到的基準信號進行處理以作為幀同步的標志。

　　4 結(jié)束語

　　通過時分制，并用DSP DMA技術(shù)實現(xiàn)的PCM高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很高的信噪比，完全可以達到設(shè)計要求。實際上，本實現(xiàn)方案也可推廣到多路的采集系統(tǒng)，但設(shè)計時應(yīng)考慮性價比及總線速度問題。