无线电引信实时数据采集发送模块设计

摘 要： 利用Altera公司的开发软件Quartus II 8.1进行VHDL编程，给出了一种利用CPLD进行曼彻斯特编码以实现无线电引信实时数据采集及传输的技术方案。整个系统分为衰减网络、调理电路、A/D转换电路、A/D控制及编码和电光转换电路五部分，最终将电信号转化为光信号，实现电信号安全可靠输出。
关键词： 曼彻斯特编码；衰减网络；无线电引信

无线电引信在做电磁兼容性试验时，需要在微波暗室外实时观测无线电引信的点火信号，这就需要不断采集无线电引信的点火信号。由于试验是在微波暗室中进行，对于传输信道要求非常苛刻：自身抗干扰性强同时不向外辐射电磁波，因而本设计选用了曼彻斯特编码，并用光纤进行传输。
曼彻斯特码（Manchester）又称双相码,是一种超越传统数字极限的编码/解码方式。常规码型的缺点是缺少定位时钟信息，也就是无法识别收到数据位的开始与结束的宽度。曼彻斯特编码解决了传输数据没有时钟的问题。它对每个二进制代码分别利用两个具有不同相位的二进制新码去取代[1]。与常规非归零二进制码(NRZ)相比，具有很多的优点，它消除了NRZ码的直流成分，具有时钟恢复和更好的抗干扰性能[2]。
由于无线电引信点火信号以尖峰电压的形式输出，最短尖峰电压时间仅为5 μs，同时以曼彻斯特码发送数据时是串行的方式，实时性非常高，时序要求非常严格，因而用CPLD实现数据的实时采集和曼彻斯特码发送。
1 硬件结构
本文设计的基于曼彻斯特编码的无线电引信实时数据采集发送模块由衰减网络、调理电路、A/D转换电路、A/D控制及编码、电光信号转换五部分组成，如图1所示。该采集模块实现点火信号的实时采集和传输，模块上电后开始采集点火信号，同时CPLD也将前一次的A/D转换结果以曼彻斯特编码输出，数据采集和传输实现流水线操作，有效地提高了效率。

下面对各个模块电路做以简单介绍。
　(1)衰减网络
　为了保证测量的带宽和精度，衰减网络采用了阻容分压的结构[3]。一般的电阻都有分布电容，纯电阻衰减网络只能衰减低频的信号,在衰减高频信号时会有失真，因此在电路中加入了电容，实现高频补偿。这样低频信号通过时，电阻起衰减作用；高频信号通过时，电容起衰减作用，从而使得引信点火信号无失真地通过。引信点火信号的电压范围是-30 V~+30 V，按照30：1的比例进行衰减，衰减后的电压范围为：-1 V~+1 V。

　(2)调理电路
调理电路主要是对衰减后的电压进行调理。主要由电压跟随电路和偏置电路组成。点火信号经过前端阻容网络大比例衰减后，带负载能力比较低，需要加电压跟随器以增加其带负载的能力。点火信号为尖峰脉冲，依据傅里叶变换，尖峰脉冲的高频成分比较丰富，为了让衰减后的点火信号不失真地通过，在选择运放时，要选择带宽大、失调电压小的运放，因此，选择AD8065作为电压跟随器。AD8065失调电流小、速度快、+1 G带宽可达145 MHz，能够满足设计的要求。由于后端A/D采样的输入电压是1.5 V~3.5 V，要对点火信号进行采集，就要把点火信号的电压范围变换到这个范围，即要把衰减后的电压范围抬高2.5 V，偏置电路就是将衰减后的电压抬高2.5 V，使点火信号的电压变为1.5 V~3.5 V。偏置电路由精密电压源REF3025、IL072D组成的反向比例放大器和以AD8065组成的反向求和电路组成。调理电路如图3所示。

(3)A/D转换电路
A/D转换电路主要由A/D 芯片ADS830E和少量外围电路组成。ADS830E为TI公司的8位高速A/D转换器，它的采样频率为10 kS/s~60 MS/s。ADS830E的输入电压幅度可以通过编程控制，11脚(RSEL)为控制引脚，当11脚置高电平时,ADS830E的输人电压范围是1.5 V~3.5 V， 即2 Vpp; 当11脚置低电平时, 输入电压范围是2 V~3 V，即1 Vpp。本设计选用2 Vpp。
　引信点火信号最短尖峰电压时间是5 ?滋s。根据耐奎斯特定理，采样频率至少是被测信号最高频率的2倍才能复现出被测信号。而要将信号还原采样频率至少应该是被测信号频率的5倍以上才行。本设计的采样频率选择为2.1 MHz。
　(4)A/D控制及编码
A/D控制及编码部分是整个系统的核心，由CPLD完成。CPLD选用的是Altera公司的EPM240T100I5N芯片，该芯片采用新型CPLD构架，功耗低、性能好、体积小、价格低廉，内含240个宏单元，能够完成一般的控制任务。EPM240T100I5N主要完成A/D采样控制和A/D转换结果的编码输出。A/D采样控制比较简单，A/D芯片工作只需要提供一个稳定的时钟信号即可，在CPLD内部将位率时钟分频为2.1 MHz并提供给ADS830E工作，ADS830E在时钟信号的下降沿输出A/D转换结果，CPLD在2.1 MHz时钟的下降沿读取A/D转化结果,并将其编码为曼彻斯特码输出。
(5)电光转换电路
电光转换电路将CPLD编码的电信号转化为光信号输出。光信号不易受干扰、衰减小、传输距离远。电光转化采用的是单模TTL电平单光纤收发一体模块，最高速度可到84 Mb/s。
2 程序设计
程序使用VHDL硬件描述语言编写，主要完成A/D采样控制和曼彻斯特编码输出。由于模块对实时性要求比较强，在一个采样周期内必须完成一次A/D 采样的曼彻斯特编码并输出，故程序采取牺牲面积换速度的原则，采用流水线操作[4]，在A/D转换数据的过程中把前一次A/D转换结果进行编码输出,有效地提高了速度。
在采用曼彻斯特码的传输系统中，广泛采用数据的帧格式[1]。本设计中一帧数据共有12 bit，其中4 bit同步头（前两位为“0”，后两位为“1”），8 bit数据位。根据曼彻斯特码的特点，每个位都是由高低电平组成，因为在连续传输的有效数据位中不会存在超过一个数据位宽度的高电平或低电平，在每帧数据的前面设一个同步头，高低电平各为2倍位率时钟，这样在接收数据时，只要采样得到的电平满足2倍位率时钟，则认为是同步头，开始接收数据[1]。由于曼彻斯特编码是将NRZ码二进制数据与其位率时钟信号相异或而得，因此，要产生位率时钟信号[5]， EPM240T100I5N工作的外部晶振时钟为25 MHz，此外部时钟既作为CPLD的工作时钟，同时也作为位率时钟。在本文中，分频是用计数器来完成的。功能仿真图如图4所示。