某探测器测试与信号处理系统的PCM信息采集

　　1 引言

　　信息采集主要包括信号和数据的采集、存储、处理和控制。它首先对被测对象的温度、压力、流量、位移、角度、电压等物理模拟量进行采集、记录，并将其转换为数字量，然后再进一步进行变换、存储、处理、记录和采集。多路信号传送的方法有频分制、码分制、时分制等。其中时分制遥测是以不同时间区间来区分遥测信号。用采样脉冲幅度反映被测参量的方法称为脉冲幅度调制(PAM);用采样脉冲宽度或位置反映被测参量的方法被称为脉冲宽度参量(PDM)或脉冲位置调制(PPM)?而如果用一组编码脉冲来反映被测参量，则被称为脉冲编码调制(PCM)。目前在导弹、航天器遥测中，使用最多的是PCM，其次是PAM。

　　PCM遥测系统是一种常用的遥测设备，它可以采集多路数据并进行通信传输和数据处理，其多路数据采集设备就是采编器。采编器主要用于控制采集各个数据通道数据的时序，并加上帧同步码以形成一定格式的数据，再进行并/串转换形成串行数据流送到调制设备供传送。图1是一个典型的PCM帧格式示意图。

　　2 信息采集系统的硬件实现

　　2.1 信息采集系统的构成原理

　　基本信息采集系统的结构如图2所示。其核心部件是帧格式形成器(有ROM和CPU两类)，该形成器一方面按时序向各个部件发出采集命令和地址码，另一方面收集各种数据并加上同步码组和其它信息码组，从而形成便于传送的数据帧格式。本设计直接用DSP实现其功能。

　　图2中的多路模拟门(俗称交换子)选用两个16选1的ADG426芯片进行组合设计，以构成符合要求的多路传输门。帧格式形成器送来的地址码作为开关控制信号。前置放大电路选用低噪声放大器，来保证系统对微弱信号的无失真放大测量。放大器的作用是为输入端提供高输入阻抗，以尽量减少参量误差，同时为信号提供足够的放大倍数，使被测信号最大值达到A/D满刻度电平。由于模拟信号的输入电平规定为0～5V，因此，测量交流信号时，应将中心值抬高+2.5V，使用AD9240可以很容易地满足其要求。

　　多路数字参量先在接口中等待，当相应采样时隙到来时才将外来数字量同步插入数据帧格式。时分制遥测信号的同步和时隙关系是很严格的，一旦根据传送信号和使用要求确定了码速率和帧格式后，所有时隙格式和同步关系就固定下来了。对于外来的带同步标志的整个码组数据块(不是可拆的字)，PCM帧格式可以用窗口来接收。将外来数据块“堆叠”在主PCM帧格式窗口位置之中称为异步嵌入格式。执行时，接收端先按照主PCM同步标志找到窗口位置，再由外来数据的群同步标志码组得到该数据块的组成规律。显然，一个PCM全帧可开多个窗口。数据记录仪的重放数据就可用这种异步格式嵌入到PCM帧格式中传输。

　　2.2 器件选择

　　ADG426是具有十六输入和一个公共输出的单片CMOS模拟选择器，可用作系统中的模拟交换门。可通过4位二进制地址码A0、A1、A2和A3来决定选择哪一路。 ADG426有芯片级(单片级)地址和控制阀门，很容易与微处理器接口。

　　ADG426采用增强型LC2MOS工艺，具有低功耗、高开关速度和低阻抗的特点。低功耗对电池供电系统是很实用的。当处于开通状态时，每个通道可以相等地传导两个方向的数据，而且还有一个超出电源范围的输入信号。当处于断路状态时，高出电源范围的信号电平将被阻塞。当转变通道的瞬间，在所有的通道转变之前的一瞬间，它们都呈断开状态。在设计中，当转变是数字输入时，其固有特性是由最小瞬时状态的低电荷注入的。

　　A/D转换器选用采样率为10MSPS的14位AD9240。AD9240带有高性能低噪声的取样保持放大器和可编程电压基准。同时也可以选择外部参考电压，以满足使用中对直流精度和温度漂移的需求。该器件采用多级差分流水线结构，并有数字输出误差校正逻辑，因而可以保证在整个温度范围内无失码。AD9240的输入有很高的灵活性? 可为图像、通信、医疗和数字采集系统提供便捷的接口。其实时差分输入结构可提供单端输入和差分输入接口。取样保持放大器?SHA　也同样适用于多路复用系统，该系统在连续的通道中可转换满刻度电平，甚至可对单通道输入频率超过 Nyquist速率的信号进行采样。AD9240在差分输入模式中，其SHA能达到优良的动态特性，并可超过额定的5MHz Nyquist 频率。采用单时钟输入来控制所有的内部转换周期。数据输出采用直接二进制输出格式。超出转换范围时，可用OTR信号指示溢出，该信号同时还可判断结果是高位溢出还是低位溢出。

　　AD9240的转换时钟5MHz，每4次转换只取一个有效数据，故可用1.25MHz时钟作DMAR。通过DMAR信号读取前四个周期中第二次转换的有效数据，可以避免ADG426选择器120ns开关时间的影响。

　　AD9240转换器内带2.5V参考电压，可采用单端直接耦合方式把信号输入到AD9240中。数据锁存则由CPLD完成。锁存时钟与DSP的DMAR同周期，也就是说：CPLD锁存后，可以马上通过DMA方式输入到DSP。

　　TigerSHARC DSP芯片ADSP-TS101是一款高性能的静态超标量处理器，专为大信号处理任务和通信结构进行优化。该处理器将非常宽的存储带宽和双运算模块组合在一起，从而建立了数字信号处理器性能的新标准。其主要性能有：

　　●指令执行速度300MHz，指令周期3.3ns。

　　●片内有6M位SRAM，分为三个模块，每个模块均通过单独的地址总线和数据总线相连，故可以同时进行访问。核内有双运算模块，每个运算模块都包含一个ALU、一个乘法器、一个移位器和一个寄存器组。核内有双整数ALU，可提供数据寻址和指针操作功能。

　　●I/O部分含14个DMA通道、4个链路口和SDRAM控制器等，片上仲裁系统还可构成8个Tiger SHARC DSP共享总线无缝连接的多处理器系统。

　　ADSP-TS101有三套独立的地址总线和数据总线。内部数据总线宽度扩展为128位，外部数据总线宽度可扩展为64位。

　　ADSP-TS101的综合处理能力非常优异。其峰值运算能力可达1600M Flops/s，1024点复数FFT仅需32.78μs，外部总线的数据传输速率可达800Mbytes/s。每个链路口的数据传输速率为250 Mbytes/s。

　　2.3 时序关系及部分硬件电路

　　通过时钟的上升沿锁存时，其时序关系如图3所示。图4所示是该系统的部分硬件原理图。设计时还用到了Altera公司CPLD系列中的EPM7128。

图4 原理框图
 

　　3　软件设计

　　3.1 帧格式

　　在中国的某些规定中，为了保护PCM遥控数据，在PCM遥测中使用两种遥控扩展帧，即实时开关指令和串行数据注入帧。这两种遥控帧的后面都可以附加一个长度为8m(m=1，2，3……)bit的序列以用于数据的保护。具体如图5所示。

　　本系统中?信号采样后可按照基准信号的周期进行分帧处理，程序每次处理的是上一帧的采样数据(数据处理延时1帧)，然后再根据计算结果合成跟踪信号;在处理数据的同时，可采用中断输出的上一帧来计算跟踪信号(跟踪信号输出延时2帧)。

　　假设基准信号如图6所示，那么，采用过零检测可得到正、负过零时刻，但有时基准信号的过零点不唯一，故可将过零检测改为过某一固定电平检测。

　　在正过零时刻，由过零检测电路可产生硬件中断IRQ0，中断响应程序首先记录当前缓冲区的长度L，然后进行缓冲区切换。假设将缓冲区切换到Buffer(I)(I=1，2，3，4)，此后的采样数据采用DMA方式放入Buffer(I)。那么，4个缓冲区将按照1->2->3->4->1的方式循环。

　　在负过零时刻，将由过零检测电路产生硬件中断IRQ1，然后计算基准信号正峰值位置N，(为了清楚起见，图6中不同周期的N分别用N1和N2表示)，定义M为IRQ1中断时当前缓冲区的长度，则N1=M/2。相邻两个峰值之间的数据为一帧数据，图6中，N1和N2之间的数据为一帧数据。

　　由于基准信号的频率不稳定，因此不能采用固定长度的缓冲区。为了便于寻址，采集数据缓冲区的长度定为1024。由于一帧完整的数据将跨越两个缓冲区，同时为了处理目标跨越两帧数据的情况，可将采样缓冲区数定为4个，其中一个作为当前采集数据的DMA传输目的，另外三个作为两帧完整数据的缓存。

　　因为共有22路信号需要采样，设置的缓冲区应有22组，故此，定义0～15为中波信号，16～20为短波信号，21为基准信号，22为解锁信号。

　　3.2 同步问题

　　除帧格式外，时分制遥测信号的同步和时隙关系也很严格?即所谓的同步问题。具体有帧同步、字同步、位同步等多种形式。在数字遥测(PCM)系统中，信道上传输的是二进制编码序列，插入帧同步信号要易于识别和提取，并应与正常信号编码有显著差别且能减少假同步和漏同步概率。目前常用的帧同步码组有巴克码组、伪随机码组等。实际上更基本的同步是时钟同步(也称为路同步或位同步)，也就是要求收发两端数据流的时钟严格同步。本系统使用CPLD对接收到的基准信号进行处理以作为帧同步的标志。

　　4 结束语

　　通过时分制，并用DSP DMA技术实现的PCM高速数据采集系统具有很高的信噪比，完全可以达到设计要求。实际上，本实现方案也可推广到多路的采集系统，但设计时应考虑性价比及总线速度问题。