微型多路PCM遥测编码器的设计

微型多路PCM遥测编码器的设计
毕　海　李永新　李　柯
文　摘　针对遥测系统愈来愈小的重量和体积的要求,介绍遥测系统发送端PCM遥测编码器的几种实现方法,并对某遥测系统的PCM编码器采用了数字逻辑
电路来实现,详细介绍其设计思路及过程。

设计的编码器,全部控制电路由一片可编
程逻辑器件(PLD)来完成,减小了电路板的面积。

主题词　遥测　编码器　+可编程逻辑器件
1　引　言
当今,遥测技术的应用已愈来愈广泛和深入,遥测系统以强大的功能应用于航空航天等尖端技术领域并应用于工业和国防的许多部门。

同时,它还向着微型化、灵活多样化等方面发展,用来解决常规测量难以解决的问题。

例如,各种旋转体动态参数的测量、人体生理参数的动态遥测、弹丸在发射过程中的各种动态参量的测量等。

这些特殊场合的测量往往由于空间狭小或是被测物体处于运动之中而导致引线困难,而不得不借助于遥测手段来传输信号,并对遥测系统特别是其发送端的设计提出了重量和体积尽可能小的要求。

许多测试内容至今无法进行的原因正是由于遥测部件的重量和体积过大,而无法安装于被测体狭小的空间内。

因此,这种微型遥测编码器应该尽量简化系统的设计,尽可能地采用小型封装、高集成度的集成电路或元器件,以满足对遥测部件重量和体积的苛刻要求。

如此,才有助于解决许多诸如上述提到的特殊环境下的测试难题。

2　PCM遥测编码器的构成[1]
在遥测技术中,PCM调制以其可以实现数字信号的再生,具有高的信噪比和测量精度,已逐渐取代传统的FM调制方式而成为一种主要的遥测体制。

采用PCM方式时,其核心也就是对传感器或调理电路输出的多路模拟信号进行模数转换,按时分多路复用方式进行数字编码信号的传输,并插入帧同步码,从而使编码器的输出为一具有特定帧格式的串行PCM码流,它可直接进行基带信号传输,也可以送入高频发射机经二次调制成FM信号进行无线传输。

在PCM方式中,控制电路控制A/D转换器的工作,并完成后续的一系列数字码型的变换,是遥测编码器的核心。

根据遥测对象的要求,控制电路的设计大多以微处理器或EPROM为核心构成。

采用微处理器的遥测前端,A/D转换器的启动、读取结果、数据的并串转换、插入同步码等都由程序来执行,并可以根据具体情况设定不同的A/D采样速率、帧结构等,具有一定的通
　收稿日期:1998-03-16
用性。

而以EPROM为核心的控制电路,其原理是由一时钟电路驱动地址计数器,依次读出事先已确定并存储在EPROM中的数据内容并经译码后而产生相应的时序控制命令来完成A/ D转换、形成帧结构等功能。

采用这种方法时,系统的结构比较简单,并且可以获得较高的速度,但A/D的采样速率、输出的PCM码速率、帧结构等都是事先设定好的,故此它适用于低成本、小体积要求下的遥测。

在对某一应用于特殊环境下瞬态过程的PCM遥测装置的研究中,要求遥测编码器能对至少三路模拟信号进行PCM编码,且对编码器的体积有严格的限制。

在设计此编码器时,若采用微处理器为核心,则由于受程序执行周期的影响,A/D转换的速率将难以达到瞬态数据采集的要求,微处理器的功能也显得过剩,且外围扩展电路也使整个编码器的体积难以满足安装空间的要求。

以EPROM为核心时,可以获得较高的速度,但整个控制电路仍然要有地址计数器、译码器等其它逻辑电路组成,显得不够简明。

因此,在设计中我们完全以基本逻辑电路来实现,即只要设计一时序发生电路,使其按顺序产生一组A/D转换器及后续逻辑单元的通道选择信号,并由脉冲分配器产生符合工作时序要求的控制脉冲,就可以有效地控制整个电路的工作,完成A/D转换器的启动、读取结果、数据的并串转换、插入帧同步码等。

采用逻辑电路的优点是整个编码器的控制电路可以由可编程逻辑器件(PLD)来实现,从而将整个数字电路部分由用户编程集成在一片可编程逻辑器件里,可以大大减小体积和成本,并提高可靠性。

3　PCM遥测编码器控制电路的设计
现以具有三路模拟通道的编码器为例,说明设计的要点。

根据测量精度方面的要求,A/D 转换器的分辨率为8位时,可以满足精度要求。

在设计PCM遥测编码器时,首先应确定其帧结构。

在帧结构中不仅要确定各路信号所占据的位置,还要有一组特殊的脉冲序列作为同步码,以利于接收设备正确地识别一帧的起点,从而能把各支路对应的码元正确地分路。

针对本文遥测系统的特点,确定一帧有32个码元,每路数据的8位有效位占用8个码元位置。

帧同步码采取集中插入的方式。

这样,时序发生器固定地依次发出对4个模拟通道的选通及A/D转换命令,而第四路模拟通道是不用的,在输出的PCM信号中,同步码就插入在第四路模拟通道数据的位置。

选取同步码组为通讯中常用的7位同步码型:
0011011
这一码组只有一个临界点,在码组邻接区内被唯一的确定,接收端以此码组提取帧同步。

这样,在一帧内按顺序排列有24位数据码元和7位同步码,还有一剩余码元没有使用并在电路中取为“0”,同步码组实际上占用了一路模拟通道,这种帧结构有利于硬件电路的实现,并能保证各模拟通道具有相同的A/D转换速率。

为了保证编码器输出的PCM码流中各路有效数据能够正常地衔接,要求用于每一通道的模数转换应在8个时钟周期内完成。

在确定帧结构后,取系统时钟主频也即PCM码流速率为4MHz。

由此可以计算出,A/D转换器的转换速率为500kHz,一帧的周期125kHz。

即时钟为4MHz时,每路模拟通道可以获得125kHz的转换速率。

而设计中要求每一路A/D转换的速率大于100kHz。

据此,我们选用M ax im公司的M AX118A/D转换器,它是一种具有8个模拟通道、8位有效位数的A/D转换器,最快转换时间可达660ns,数据以并行方式输出并
具有三态锁存功能,可以很方便地与其它芯片接口。

对其工作时序要求进行分析后可以确定,在读模式时,仅需对MAX 118的模拟通道选择端A 0、A 1及RD 端进行操作,而其余控制端只需固定地接不同的逻辑电平即可达到我们的要求。

因此,时序发生器只需产生如下一组时序波形,其核心是一个5位2进制同步计数器,输出端分别是Q 1、Q 2、Q 3、Q 4、Q 5,其中Q 4、Q 5作为模拟通道切换信号分别与M AX118的A 0,A 1通道选择端相连,而RD=Q 1・Q 2・Q 3。

A /D 转换器的输出数据在RD 的上升沿锁存到移位寄存器中,而RD
的下降沿则开始新的一次转换。

RD
Q 5
Q 4
时钟
图1　A /D 转换器的控制时序
时序发生器产生的波形使A/D 转换器处于连续工作的状态,其数据端口不断地出现8位有效数据。

控制电路中的移位寄存器在RD 的上升沿时刻将数据锁存后,就在时钟的作用下进行并串转换,并在第四路模拟通道的数据锁存时刻将移位寄存器的各位全置为“1”,同时放开同步码移位寄存器的置位端。

这样,在其后的8个时钟周期中,两个移位寄存器的输出端相与,从而将同步码插入到PCM 码流中,再经过一个D 触发器对信号进行整形后,作为编码器的输出信号。

整个控制电路在时序发生器的作用下呈流水工作状态,其工作时序如图2所示。

取结果t
地址有效启动地址有效启动地址有效启动并串转换并串转换
并串转换
通道帧同步码
3通道2通道1地址有效启动取结果模拟通道并串转换1模拟通道2模拟通道3模拟通道4PCM 码流输出图2　系统工作时序图
在PCM调制方式的遥测中,为了使接收端能正确地从PCM码流中提取出时钟信号,要求发射端发出的PCM码流中不能有过长的全“0”或全“1”存在。

在本文的遥测系统中,如果三路模拟信号的转换结果都为“0”,则一帧中将出现至少24个全“0”,在传感器没有输出时,这种情况是存在的,此时将不利于接收端正确地提取时钟信号,因此必须采取一定的措施加以解决。

一种常用的方法是增加一级自同步式扰码器。

扰码器实际上是由移位寄存器构成的M序列发生器,它把一个M序列逐位地、依顺序地模二加到待扰码的码流上。

经扰码后,码流中的全“0”或全“1”现象将得到有效改善,而接收端可以用同样的M序列对扰码以后的码流进行恢复。

图3为本文采用的m=15的M序列扰码器原理图[2]。

····
··
·
·in
clk out
D D D D
Q Q Q Q
图3　扰码器原理图
4　采用可编程逻辑器件的实现[3]
可编程逻辑器件(PLD)是近年来随着微电子技术的高速发展而出现的一种新型器件,它一改采用传统中、小规模集成电路来设计数字系统所固有的芯片种类多、体积大、设计周期长、费用高的缺点,消除了印制电路板(PCB)上元件之间连线交叉、重叠,工艺要求高,分布电容大而带来的系统可靠性的下降,从而使设计者可以随心所欲地用PLD完成各种规模系统的设计,准确实现系统各项功能的要求,因而在智能仪表、计算机接口、通讯等各种数字系统中得到广泛应用。

在PCM遥测编码器数字电路的硬件实现方面,本文选用了Alter a公司的可编程逻辑器件,利用其功能强大、易于使用的M ax+PlusⅡ软件来进行设计。

该软件支持多种设计输入方法,同时还可完成逻辑综合、设计规则检查、多器件划分、引脚选择、生成编译文件、时序仿真、定时分析等功能,具有很高的自动化程度,可以将设计者的设计思想很快地转化为硬件,并进行功能仿真验证。

经过设计,本文的PCM遥测编码器的全部控制电路可以用一片EPM7064器件来实现。

采用TQFP封装时,它有44个引脚,其中36个引脚可由用户定义,该芯片的面积仅为12×12mm2。

5　结束语
本文采用数字逻辑电路实现了多路模拟信号的PCM编码方案,仅以一片可编程逻辑器
件来实现全部控制电路,较之采用微处理器时具有高的PCM编码速率,整个系统的设计非常简明。

采用可编程逻辑器件后,整个PCM遥测编码器仅由三块集成电路加少量的电阻、电容等器件组成,可以做在一块非常小的电路板上,大大减小了体积,并提高了可靠性。

通过时序仿真及实际电路的调试,证实该电路完全满足设计要求。

这种方法不仅满足了本文研究内容的需要,而且可以很容易地对模拟通道数进行扩展,以扩大适用范围。

例如,将时序发生器中的5位计数器改为6位,以Q4、Q5、Q6的输出作为通道选择信号,对本文的其它设计不作任何改动,就可以将模拟通道扩展为7路(同步码占用了一路)。

如采用多片A/D,对控制电路中的逻辑稍作修改后,可以实现更多通道的PCM编码。

参考文献
1　王仲文.工程遥控遥测技术.北京:机械工业出版社,1991.2
2　李秉钧.实用逻辑电路.北京:人民邮电出版社,1985.12
3　A lter a Data Boo k.A lt era Co rpor ation,1996.
The Design of a Mini Multi-Channel PCM Telemetry Encoder
Bi Hai　Li Yong xin　Li Ke
Abstract　Appointed to the less and less requirement of w eig ht and v olume of the telemetry sy stem,so me method of co mposing a PCM telem etry encoder is introduced.T he dig ital logic cir cuit is adapted to relies the encoder o f a special telemetry sy stem.T he design idea and the procedure are discussed in detail.In the designed enco der,all of the control cir-cuits are realized w ith a PLD(Prog ramm able Lo gic Device).T he area o f the printed circuit board is r educed o bv io usly.
Subject terms　T elemetry　Encoder　+PLD
[作者简介]
毕　海　博士　主要从事动态测试、数字系统设计、虚拟仪器软硬件等研究　南京理工大学105教研室　210094
李永新　副教授　研究方向为动态测试、工业检测与控制等　南京理工大学105教研室　210094
李　柯　讲师,在职博士　研究测控技术、VXI及虚拟仪器技术等　南京理工大学105教研室　210094。