單片機控制的DBPL編碼信號源系統(tǒng)設(shè)計

引言
    DBPL(Differential Bi-Phase Level)編碼是一種超越傳統(tǒng)數(shù)字傳輸極限的編碼方式。DBPL編碼被廣泛應(yīng)用于以太網(wǎng)、工程測井儀器和鐵路應(yīng)答器等工程應(yīng)用中。在鐵路應(yīng)答器中，通過DBPL編碼傳輸信號給列車車載處理器，實現(xiàn)對列車運行的控制。
    本文設(shè)計了一種基于AT89LV51單片機控制的DBPL編碼信號的信號源系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生DBPL編碼信號；同時設(shè)計了系統(tǒng)的電源管理模塊，保證系統(tǒng)的正常供電。

1 信號源系統(tǒng)的設(shè)計
    該信號源由時鐘復(fù)位模塊、DBPL信號產(chǎn)生電路、DC-DC轉(zhuǎn)換電路、充電管理電路和A／D轉(zhuǎn)換電路組成。單片機AT89LV51控制編碼模塊產(chǎn)生DBPL信號；充電管理電路對系統(tǒng)所用電池進行充電管理，保證電池的充分充電；DC-DC轉(zhuǎn)換電路為單片機以及編碼邏輯產(chǎn)生穩(wěn)定電壓的供電；A／D轉(zhuǎn)換電路采集電池電量信息，并告知單片機處理。信號源系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

1．1 DBPL信號產(chǎn)生電路
    本設(shè)計中，DBPL信號由作為能量載波的正弦波與脈沖編碼信號合成。脈沖編碼信號采用DBPL編碼，平均傳輸速率為564．48 kb／s；能量載波為正弦波，信號頻率為8．82 kHz。該模塊的輸入為8位待編碼的并行二進制數(shù)據(jù)，與AT89LV51單片機的P1．0～P1．7相接，由單片機控制提供輸入。DBPL信號產(chǎn)生電路原理圖如圖2所示。

    其中，并行轉(zhuǎn)串行電路采用一片8位并串轉(zhuǎn)換移位寄存器74166和一片計數(shù)器74163，計數(shù)器74163采用模8計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器計滿8個數(shù)時，清零計數(shù)器，重新開始計數(shù)；計數(shù)期間，8位并行數(shù)據(jù)按照時鐘節(jié)拍輸出。2分頻及64分頻采用計數(shù)器74163實現(xiàn)。微分電路采用D觸發(fā)器及門電路實現(xiàn)。并串轉(zhuǎn)換輸出 Q1經(jīng)過非門與微分電路取得的上升沿Q2相與，得出 Q3，經(jīng)過D觸發(fā)器實現(xiàn)2分頻輸出Q4，最后Q0與Q4異或求得編碼輸出。輸出8．82kHz的方波和564．48 kHz的脈沖波，再分別進行濾波、放大調(diào)理，然后合成為最終所要得到的DBPL信號。假設(shè)單片機輸入并行數(shù)據(jù)為11010011，則圖2中各點的波形如圖3所示。

1．2 充電管理電路
    出于對系統(tǒng)便攜式的考慮，本系統(tǒng)采用可充電電池(6節(jié)鎳氫電池)對系統(tǒng)供電，每節(jié)電池的電壓為1．2 V；同時，采用Maxim公司的電池管理芯片MAX713CPE對鎳氫電池進行管理，確保電池安全且完全充電，且由單片機對電源模塊進行控制和檢測。
    MAX713CPE是一種用于鎳氫和鎳鎘電池的快速充電管理芯片，它具有以下特點：
    ◆電池數(shù)量、充電時間以及電流大小可調(diào)；
    ◆零點電壓斜率檢測，對電池進行快速、涓流充電；
    ◆電池不充電時，芯片消耗最大電流僅為5μA；
    ◆所需外圍電路少，僅需一個PNP引腳便可實現(xiàn)基本的充電管理。
    充電管理電路如圖4所示。VLIM引腳用于設(shè)定最大的電池電壓，它與電池電壓和電池節(jié)數(shù)存在如下關(guān)系：
    (BATT+-BATT-)≤(VLIMIT×n)

    其中，(BATTC+-BATT-)為電池兩端電壓，n為電池節(jié)數(shù)，一般情況下將VLIMIT連接到REF引腳即可。PGM0和PGM1引腳用來設(shè)定被充電電池的節(jié)數(shù)(1～16節(jié))：根據(jù)需要將PGM0、PGM1有選擇地連接到V+、REF、BATT-中的任何一引腳或者懸空，本設(shè)計中充電電池設(shè)定為6節(jié)。PGM2和PGM3引腳用來設(shè)定最大快速充電時間，按照與設(shè)置PGM0和PGM1引腳相同的方法，可按需求設(shè)定最大快速充電時間(33～264 min)，本設(shè)計中設(shè)為120min。
    本系統(tǒng)還實現(xiàn)電池電量的檢測，在圖4中通過放大器OP07EP檢測電池電壓并送入到A／D轉(zhuǎn)換電路，最后交給單片機進行處理。
    電池電壓輸出為7．2 V，充滿狀態(tài)下可達到7．4～7．6 V。單片機所用電壓為3．3 V，DBPL信號產(chǎn)生電路所需的電壓為5 V，這就需要DC-DC轉(zhuǎn)換電路將7．2 V的額定電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3．3 V。采用兩級轉(zhuǎn)換：第一級將7．2 V電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生5 V電壓供給DBPL信號產(chǎn)生電路，第二級將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3．3 V供給單片機。系統(tǒng)采用SPX1117(SPX1117-5和SPX1117-3．3)作為DC-DC轉(zhuǎn)換電路中的穩(wěn)壓芯片。該芯片的特點是低壓差，0．8A時壓差僅為1．1V，且電壓可選(為5 V及3．3V)。DC-DC轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

2 測試結(jié)果
    該系統(tǒng)設(shè)計完成之后，對其進行了詳細的測試實驗。測試結(jié)果表明，輸入信號能夠通過單片機編程得到很好的控制，信號源輸出的正弦波幅度和脈沖波幅度均達到應(yīng)用要求，可以廣泛應(yīng)用于仿真測試、項目實驗領(lǐng)域。如果需要進一步放大，須外接放大電路和外部電源。DBPL編碼信號傳輸速率為指定的564．48 kb／s。電源管理電路能夠有效地對電池進行管理，充電時間大致保持在120～140min，電池充滿后進入到涓流充電。在使用過程中，單片機可以通過A／D轉(zhuǎn)換電路實時監(jiān)測電池的電量并告警。DC-DC轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓穩(wěn)定，且功耗低。