某探測器測試與信號處理系統的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(jìn)行采集、記錄，并將其轉換為數字量，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)間區間來(lái)區分遙測信號。用采樣脈沖幅度反映被測參量的方法稱(chēng)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(chēng)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(lái)反映被測參量，則被稱(chēng)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遙測系統是一種常用的遙測設備，它可以采集多路數據并進(jìn)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(gè)數據通道數據的時(shí)序，并加上幀同步碼以形成一定格式的數據，再進(jìn)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(gè)典型的PCM幀格式示意圖。

　　2 信息采集系統的硬件實(shí)現

　　2.1 信息采集系統的構成原理

　　基本信息采集系統的結構如圖2所示。其核心部件是幀格式形成器(有ROM和CPU兩類(lèi))，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(shí)現其功能。

　　圖2中的多路模擬門(mén)(俗稱(chēng)交換子)選用兩個(gè)16選1的ADG426芯片進(jìn)行組合設計，以構成符合要求的多路傳輸門(mén)。幀格式形成器送來(lái)的地址碼作為開(kāi)關(guān)控制信號。前置放大電路選用低噪聲放大器，來(lái)保證系統對微弱信號的無(wú)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，使被測信號最大值達到A/D滿(mǎn)刻度電平。由于模擬信號的輸入電平規定為0～5V，因此，測量交流信號時(shí)，應將中心值抬高+2.5V，使用AD9240可以很容易地滿(mǎn)足其要求。

　　多路數字參量先在接口中等待，當相應采樣時(shí)隙到來(lái)時(shí)才將外來(lái)數字量同步插入數據幀格式。時(shí)分制遙測信號的同步和時(shí)隙關(guān)系是很?chē)栏竦?，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(shí)隙格式和同步關(guān)系就固定下來(lái)了。對于外來(lái)的帶同步標志的整個(gè)碼組數據塊(不是可拆的字)，PCM幀格式可以用窗口來(lái)接收。將外來(lái)數據塊“堆疊”在主PCM幀格式窗口位置之中稱(chēng)為異步嵌入格式。執行時(shí)，接收端先按照主PCM同步標志找到窗口位置，再由外來(lái)數據的群同步標志碼組得到該數據塊的組成規律。顯然，一個(gè)PCM全幀可開(kāi)多個(gè)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(gè)公共輸出的單片CMOS模擬選擇器，可用作系統中的模擬交換門(mén)?？赏ㄟ^(guò)4位二進(jìn)制地址碼A0、A1、A2和A3來(lái)決定選擇哪一路。 ADG426有芯片級(單片級)地址和控制閥門(mén)，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(kāi)關(guān)速度和低阻抗的特點(diǎn)。低功耗對電池供電系統是很實(shí)用的。當處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，每個(gè)通道可以相等地傳導兩個(gè)方向的數據，而且還有一個(gè)超出電源范圍的輸入信號。當處于斷路狀態(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(kāi)狀態(tài)。在設計中，當轉變是數字輸入時(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(shí)也可以選擇外部參考電壓，以滿(mǎn)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(xiàn)結構，并有數字輸出誤差校正邏輯，因而可以保證在整個(gè)溫度范圍內無(wú)失碼。AD9240的輸入有很高的靈活性? 可為圖像、通信、醫療和數字采集系統提供便捷的接口。其實(shí)時(shí)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，該系統在連續的通道中可轉換滿(mǎn)刻度電平，甚至可對單通道輸入頻率超過(guò) Nyquist速率的信號進(jìn)行采樣。AD9240在差分輸入模式中，其SHA能達到優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，并可超過(guò)額定的5MHz Nyquist 頻率。采用單時(shí)鐘輸入來(lái)控制所有的內部轉換周期。數據輸出采用直接二進(jìn)制輸出格式。超出轉換范圍時(shí)，可用OTR信號指示溢出，該信號同時(shí)還可判斷結果是高位溢出還是低位溢出。

　　AD9240的轉換時(shí)鐘5MHz，每4次轉換只取一個(gè)有效數據，故可用1.25MHz時(shí)鐘作DMAR。通過(guò)DMAR信號讀取前四個(gè)周期中第二次轉換的有效數據，可以避免ADG426選擇器120ns開(kāi)關(guān)時(shí)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(shí)鐘與DSP的DMAR同周期，也就是說(shuō)：CPLD鎖存后，可以馬上通過(guò)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(zhuān)為大信號處理任務(wù)和通信結構進(jìn)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：

　　●指令執行速度300MHz，指令周期3.3ns。

　　●片內有6M位SRAM，分為三個(gè)模塊，每個(gè)模塊均通過(guò)單獨的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)相連，故可以同時(shí)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。核內有雙運算模塊，每個(gè)運算模塊都包含一個(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(gè)DMA通道、4個(gè)鏈路口和SDRAM控制器等，片上仲裁系統還可構成8個(gè)Tiger SHARC DSP共享總線(xiàn)無(wú)縫連接的多處理器系統。

　　ADSP-TS101有三套獨立的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)。內部數據總線(xiàn)寬度擴展為128位，外部數據總線(xiàn)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(diǎn)復數FFT僅需32.78μs，外部總線(xiàn)的數據傳輸速率可達800Mbytes/s。每個(gè)鏈路口的數據傳輸速率為250 Mbytes/s。

　　2.3 時(shí)序關(guān)系及部分硬件電路

　　通過(guò)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所示是該系統的部分硬件原理圖。設計時(shí)還用到了Altera公司CPLD系列中的EPM7128。

圖4 原理框圖