閆 鑫

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

0 引言

遙測(cè)技術(shù)發(fā)展已久，它對(duì)產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)起到重要的作用。它可以提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的原始數(shù)據(jù)，產(chǎn)品研制階段的故障分析數(shù)據(jù)，以及鑒定階段產(chǎn)品的驗(yàn)收數(shù)據(jù)等。在實(shí)際應(yīng)用中，由于遙測(cè)環(huán)境復(fù)雜，各種干擾因素可造成遙測(cè)信號(hào)的短時(shí)中斷，出現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)丟幀現(xiàn)象，而有些重要的數(shù)據(jù)可能恰恰出現(xiàn)在干擾嚴(yán)重的情況下，數(shù)據(jù)幀的丟失造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)的不完整性，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。采用記憶重發(fā)技術(shù)構(gòu)成的PCM編碼器就會(huì)彌補(bǔ)這一損失。因此，設(shè)計(jì)成的記憶重發(fā)編碼器具有重要的實(shí)用價(jià)值[1]。

1 PCM記憶重發(fā)編碼器的設(shè)計(jì)要求及原理

脈沖編碼調(diào)制（PCM）是用串行二進(jìn)制脈沖編碼序列傳送時(shí)分多路采樣信號(hào)的一種數(shù)字化遙測(cè)系統(tǒng)。由于PCM能夠完成高精度信號(hào)傳輸、靈活多變的遙測(cè)幀格式及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的加工處理等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為應(yīng)用廣泛的遙測(cè)體制。另外，在新型的彈載（機(jī)載、星載）遙測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，總線制，模塊化已經(jīng)成不容置疑的發(fā)展趨勢(shì)，而實(shí)現(xiàn)總線制。模塊化的遙測(cè)系統(tǒng)則應(yīng)著重發(fā)展多數(shù)據(jù)流和記憶重發(fā)技術(shù)[2]。

PCM記憶重發(fā)編碼器主要完成如下功能：

a) 對(duì)模擬被測(cè)電信號(hào)的采樣保持；

b) 電信號(hào)的數(shù)字量化；

c) 形成標(biāo)準(zhǔn)的PCM串行數(shù)據(jù)流；

d) PCM幀結(jié)構(gòu)的可編程設(shè)計(jì)；

e) 具有記憶重發(fā)功能，重發(fā)時(shí)間可編程。

記憶重發(fā)技術(shù)是指將被測(cè)模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量，一方面實(shí)時(shí)插入PCM串行數(shù)據(jù)流中：另一方面，將其存貯于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，經(jīng)過(guò)Δt存儲(chǔ)延遲后再取出，插入PCM數(shù)據(jù)流，經(jīng)無(wú)線信道重發(fā)，形成“先進(jìn)先出”的循環(huán)工作方式，數(shù)據(jù)已讀出的存儲(chǔ)空間作為新采集數(shù)據(jù)的存貯單元，如此循環(huán)往復(fù)工作。根據(jù)PCM記憶重發(fā)編碼器所要完成的主要功能及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，采用高速、對(duì)半閃爍A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，可編程時(shí)序控制技術(shù)及數(shù)據(jù)記憶重發(fā)技術(shù)，格式編排技術(shù)等構(gòu)成新型、靈活、方便的可編程PCM記憶重發(fā)編碼器它主要由如下幾大部分構(gòu)成：時(shí)鐘發(fā)生器、可編程時(shí)序碼控制器，多路復(fù)用器、數(shù)據(jù)記憶存儲(chǔ)器4幀同步碼發(fā)生器及格式控制器等，如圖1所示。

圖1 PCM記憶重發(fā)編碼器框圖

依據(jù)被測(cè)參數(shù)的信號(hào)特征和測(cè)試要求，對(duì)PCM幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算，確定合理的幀結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)可編程時(shí)序碼控制器形成可控制的時(shí)序碼信號(hào)，分別控制多路復(fù)用器、數(shù)據(jù)記憶存儲(chǔ)器及幀同步碼發(fā)生器，通過(guò)對(duì)模擬多路復(fù)用器的編程控制，可以實(shí)現(xiàn)不同被測(cè)信號(hào)的超倍采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換：通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)記憶存儲(chǔ)器的讀、寫(xiě)及片選控制，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記憶存儲(chǔ)及Δt時(shí)間后的數(shù)據(jù)重發(fā)功能并形成“先進(jìn)先出”的循環(huán)工作方式；通過(guò)對(duì)幀同步碼發(fā)生器的地址及片選控制，使幀同步碼出現(xiàn)于每幀的最后幾個(gè)字的位置上，有了上述的各種編程控制，就可以形成適合不同要求的PCM幀結(jié)構(gòu)形式。依靠格式控制器，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、重發(fā)數(shù)據(jù)及幀同步碼進(jìn)行數(shù)據(jù)合理編排，獲取完整的PCM串行數(shù)據(jù)流，再經(jīng)濾波器輸出，供發(fā)射機(jī)調(diào)制使用。

2 可編程時(shí)序碼控制器

將預(yù)先設(shè)計(jì)編排好的時(shí)序控制碼寫(xiě)入EPROM，把EPROM的每根數(shù)據(jù)輸出線作為時(shí)序控制信號(hào)線，在相關(guān)時(shí)鐘的作用下，讀出EPROM相應(yīng)地址單元的時(shí)序碼，即形成相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)。例如選用8bit的EPROM，就可同時(shí)輸出8路時(shí)序控制信號(hào)，若需要更多的控制信號(hào)，只需要選用較多bit數(shù)的EPROM即可。其中，時(shí)序碼存儲(chǔ)器可根據(jù)設(shè)計(jì)要求綜合考慮選定多種型號(hào)的只讀存儲(chǔ)器，同時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況，選用讀取時(shí)間適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器，以便輸出準(zhǔn)確的時(shí)序控制信號(hào)。當(dāng)各路被測(cè)模擬信號(hào)頻帶范圍各異時(shí)，各路信號(hào)的采樣頻率將會(huì)有所不同，這時(shí)，只要改變EPROM內(nèi)的時(shí)序碼就可以方便地改變時(shí)序控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超倍采樣。

3 多路復(fù)用器

由A/D轉(zhuǎn)換器及模擬多路復(fù)用器構(gòu)成PCM編碼器的核心部件，多路復(fù)用器是對(duì)多路被測(cè)模擬量分時(shí)采集，形成時(shí)分多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過(guò)選通多路復(fù)用器模擬通道的相應(yīng)地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。

多路復(fù)用器的設(shè)計(jì)方案基本上分成兩種：(1)直接選用自身帶多路模擬通道的A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)并聯(lián)使用，構(gòu)成任意模擬通道的多路復(fù)用器；(2)使用單通道A/D轉(zhuǎn)換器加上多通道模擬門(mén)，構(gòu)成靈活的多路復(fù)用器。兩種方法各有特點(diǎn)，可根據(jù)任務(wù)需求，靈活選擇使用。下面給出第二種方法的設(shè)計(jì)思路。

A/D轉(zhuǎn)換器選用單通道、高速8位的AD7820模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有如下特點(diǎn)：

a) 快速轉(zhuǎn)換時(shí)間：1.36 u smax；

b) 內(nèi)部跟蹤/保持功能：

c) 無(wú)誤碼：

d) 用戶無(wú)需微調(diào)，無(wú)需外部時(shí)鐘：

e) 單電源供電+5 V。

AD7820是高速的8位、微處理兼容的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用對(duì)半閃爍I（haIf-flash)轉(zhuǎn)換技術(shù)，使得轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.36 μs。轉(zhuǎn)換器模擬量輸入范圍是0～5 V，并帶有單極性+5 V電源，其最高功耗僅有75 mW，總的調(diào)整誤差小于1/2LSB，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)無(wú)誤碼，多通道模擬門(mén)的品種眾多，使用簡(jiǎn)單，將多路模擬門(mén)的輸出端并聯(lián)接入A/D轉(zhuǎn)換器，就構(gòu)成實(shí)用的多路復(fù)用器[4]。

4 數(shù)據(jù)記憶重發(fā)

選用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在對(duì)時(shí)序碼控制器的作用下，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)插入PCM串行數(shù)據(jù)流的同時(shí)，存入數(shù)據(jù)記憶存儲(chǔ)器中，等待延時(shí)Δt時(shí)間后再讀出，插入PCM串行數(shù)據(jù)流，形成“先進(jìn)先出”的記憶重發(fā)循環(huán)工作方式，數(shù)據(jù)已讀出的空間作為新采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，循環(huán)往復(fù)工作，其重發(fā)時(shí)間由如下計(jì)算公式得到：

式中 T：記憶重發(fā)時(shí)間；N：存儲(chǔ)器地址線最高權(quán)位：fin：地址發(fā)生器輸入時(shí)鐘頻率。

通過(guò)地址線權(quán)位控制，可以改變記憶重發(fā)時(shí)間。

5 可重組PCM采編器原理樣機(jī)的調(diào)試

PCM采編器電路原理圖通過(guò)Altera公司的quartuII的編譯仿真通過(guò)后，編譯生成的.sof文件和.pof文件，可以用計(jì)算機(jī)通過(guò)下載電纜byteblaster MV，將.pof文件中的數(shù)據(jù)下載到EPC2中。在實(shí)際工作中，每次系統(tǒng)通電時(shí)，EPC2就主動(dòng)將所設(shè)計(jì)電路加載到EPFl0K20TCl44-4中，加載時(shí)間不超過(guò)100 ms，然后電路就能按照設(shè)計(jì)要求工作。圖2就是PCM編碼器在示波器上的輸出波形，如圖所示，上面波形為PCM數(shù)據(jù)輸出，下面波形為同步時(shí)鐘輸出，通過(guò)示波器顯示，時(shí)鐘與數(shù)據(jù)同步，數(shù)據(jù)完整，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 PCM采編器輸出波形

6 結(jié)論

該采編器采用高速A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，可編程時(shí)序控制技術(shù)，以及記憶重發(fā)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多種幀結(jié)構(gòu)設(shè)汁，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)丟幀的現(xiàn)象，提高遙測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為地面數(shù)據(jù)處理帶來(lái)方便.采用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的編碼器已經(jīng)成功地應(yīng)用于遙測(cè)及遠(yuǎn)程多管火箭遙測(cè)系統(tǒng)中，取得了良好的效果，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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