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據的采集、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，并將其轉換為數字量，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制(PCM)。目前在導彈、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備，它可以采集多路數據并進行通信傳輸和數據處理，其多路數據采集設備就是采編
器。采編器主要用于控制采集各個數據通道數據的時序，并加上幀同步碼以形成一定格式的數據，再進行并/串轉換形成串行數據流送到調制設備供傳送。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)的構成原理

　　基本信息采集系統(tǒng)的結構如圖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據并加上同步碼組和其它信息碼組，從而形成便于傳送的數據幀格式。本設計直接用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芯片進行組合設計，以構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，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。

　　多路數字參量先在接口中等待，當相應采樣時隙到來時才將外來數字量同步插入數據幀格式。時分制遙測信號的同步和時隙關系是很嚴格的，一旦根據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系就固定下來了。對于外來的帶同步標志的整個碼組數據塊(不是可拆的字)，PCM幀格式可以用窗口來接收。將外來數據塊“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，再由外來數據的群同步標志碼組得到該數據塊的組成規(guī)律。顯然，一個PCM全幀可開多個窗口。數據記錄儀的重放數據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兩個方向的數據，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。當轉變通道的瞬間，在所有的通道轉變之前的一瞬間，它們都呈斷開狀態(tài)。在設計中，當轉變是數字輸入時，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構，并有數字輸出誤差校正邏輯，因而可以保證在整個溫度范圍內無失碼。AD9240的輸入有很高的靈活性? 可為圖像、通信、醫(yī)療和數字采集系統(tǒng)提供便捷的接口。其實時差分輸入結構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用系統(tǒng)，該系統(tǒng)在連續(xù)的通道中可轉換滿刻度電平，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部轉換周期。數據輸出采用直接二進制輸出格式。超出轉換范圍時，可用OTR信號指示溢出，該信號同時還可判斷結果是高位溢出還是低位溢出。

　　AD9240的轉換時鐘5MHz，每4次轉換只取一個有效數據，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換的有效數據，可以避免ADG426選擇器120ns開關時間的影響。

　　AD9240轉換器內帶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。數據鎖存則由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和通信結構進行優(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據總線相連，故可以同時進行訪問。核內有雙運算模塊，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。核內有雙整數ALU，可提供數據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據總線。內部數據總線寬度擴展為128位，外部數據總線寬度可擴展為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點復數FFT僅需32.78μs，外部總線的數據傳輸速率可達800Mbytes/s。每個鏈路口的數據傳輸速率為250 Mbytes/s。

　　2.3 時序關系及部分硬件電路

　　通過時鐘的上升沿鎖存時，其時序關系如圖3所示。圖4所示是該系統(tǒng)的部分硬件原理圖。設計時還用到了Altera公司CPLD系列中的EPM7128。

圖4 原理框圖
[!--empirenews.page--]3　軟件設計

　　3.1 幀格式

　　在中國的某些規(guī)定中，為了保護PCM遙控數據，在PCM遙測中使用兩種遙控擴展幀，即實時開關指令和串行數據注入幀。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的序列以用于數據的保護。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據(數據處理延時1幀)，然后再根據計算結果合成跟蹤信號;在處理數據的同時，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生硬件中斷IRQ0，中斷響應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。假設將緩沖區(qū)切換到Buffer(I)(I=1，2，3，4)，此后的采樣數據采用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據為一幀數據，圖6中，N1和N2之間的數據為一幀數據。

　　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，采集數據緩沖區(qū)的長度定為1024。由于一幀完整的數據將跨越兩個緩沖區(qū)，同時為了處理目標跨越兩幀數據的情況，可將采樣緩沖區(qū)數定為4個，其中一個作為當前采集數據的DMA傳輸目的，另外三個作為兩幀完整數據的緩存。

　　因為共有22路信號需要采樣，設置的緩沖區(qū)應有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。在數字遙測(PCM)系統(tǒng)中，信道上傳輸的是二進制編碼序列，插入幀同步信號要易于識別和提取，并應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)兩端數據流的時鐘嚴格同步。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 結束語

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