小型遙測通信設備設計探討

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摘要：設計了一種基于ARM處理器和集成收發器架構的遙測通信設備，用于采集多路模擬信號和數字信號。不同的應用場景通過修改配置參數，設備工作模式可在無線遙測模式或者無線通信模式之間靈活切換；具有集成度高、體積小、質量輕和成本低的特點。該遙測通信設備經過試驗驗證，結果表明該遙測通信設備性能可靠、可以滿足遙測需求。

關鍵詞：遙測設備；通信設備；小型化

PCM遙測系統因其系統實現簡易、性能良好，擔任遙測系統的主力。在遙測系統中配置有大量PCM體制遙測接收設備[1-2]。當加裝的遙測設備較少時，可以采用分頻遙測模式，使用PCM體制遙測接收設備進行數據接收；當加裝的遙測設備較多時，考慮通道帶寬和三階交調等因素的影響，只能采用同頻分時的遙測模式。盡管以FPGA器件和數字變頻技術為代表的軟件遙測設備具備集成度高、可在線重構、開發周期短的優點[3-4]，但這種遙測系統會增加系統在設計和批抽檢過程中的成本。針對該需求遙測設備需既兼容PCM體制遙測接收設備，又具備無線半工通信功能，且兼具小型化和低成本的特點。本文設計了一種基于ARM處理器和集成收發器的遙測通信設備，可采集彈上多路模擬信號和數字總線數據，具有一體化集成度高、體積小、重量輕的特點。

1系統總體設計

1.1設計要求

遙測通信設備主要技術要求：無線電頻段為S頻段，采用PCM/GFSK遙測傳輸體制或者無線半工通信模式；供電范圍18～32V。

1.2系統原理

根據測試需求，遙測通信設備組成框圖如下頁圖1所示。根據配置參數的不同，遙測通信設備可配置為無線遙測模式或者無線通信模式。當配置為無線遙測模式時，ARM處理器作為主控制芯片控制模數轉換器進行模擬通道切換和模數轉換，同時接收RS485數字信號，將模擬數據和數字量混合編碼形成遙測幀，然后轉化為串行PCM碼流傳輸至集成收發器進行信號調制，通過模擬上變頻器變頻到S頻段輸出至遙測天線；當配置為無線通信模式時，可接收外部無線配置信息、參數設置或者信息回傳等指令，通過命令解析做出相應的處理，通過該模式實現多個設備的分時操作。ARM處理器分時切換射頻開關，實現無線通信數據的接收和發送，接收信號經過濾波和變頻后輸出至集成收發器進行信號解調，解調后送至ARM處理器完成數據處理形成應答幀，并將應答數據幀經集成收發器調制后發送出去。

2設計方案

2.1主要元器件選型

ARM處理器選用ST的STM32F407ZET6，該芯片集成了FPU和DSP指令，具有192KBSRAM、1024KFLASH、12個16位定時器、2個DMA控制器（共16個通道）、3個SPI和3個12位的ADC等。ARM處理器控制ADC進行模數轉換，接收USART串口數據，并完成基帶數據生成，并將PCM信號輸出至集成收發器。操作固態存儲器保存配置信息，防止斷電后信息丟失。集成收發器選用SiliconLaboratories公司生產的SI4463，這是一款高度集成的無線ISM頻段收發芯片，頻率范圍為119～1050MHz，有極低的接收靈敏度（-126dBm），業界領先的+20dBm的輸出功率保證擴大范圍和提高鏈路性能。具有FSK、GFSK和OOK的調制模式，4線SPI配置接口。可配置為Packet模式，前同步信號檢測，64字節收發數據寄存器（FIFO），方便數據包的發送和接收，同時也可以配置為DirectTx模式。

2.3電源模塊設計

電源模塊的傳導性電磁干擾是產品的主要干擾源之一，高頻的快速瞬變過程本身就是一電磁騷擾源，產品EMC指標已成為系統電子設備的一個重要的性能參數[5]。遙測通信設備采用外部28V供電，采用隔離DC-DC可實現18～36V寬范圍輸入換為電路需要的工作電源，電源電路邏輯示意圖如圖2所示。

2.4軟件設計

2.4.1設備工作流程上電后，首先讀取固態存儲器配置參數，依據配置參數初始化各外設（包括UART、ADC、ADF4351等）和設置工作參數（混頻器本振頻率、通信窗口期和工作模式等）。初始化完成后，配置SI4463為無線通信模式（Packet模式），并啟動定時器定時通信窗口期時長等待接收外部無線通信指令，若收到無線通信指令，則進入無線通信模式，作為無線通信設備使用；若在通信窗口期內沒有接收到外部發送的無線通訊指令，則配置為無線遙測模式（DirectTx模式）。設備工作流程圖如圖3所示。2.4.2信號采集編碼混合編碼程序在ARM處理器內部實現，主要由模擬信號采集模塊、數字量接收模塊、混合編碼模塊組成，模擬量和數字量緩存由ARM處理器內部的RAM構成。遙測幀采用反碼副幀格式，幀內包括模擬數據、數字量數據、同步字和標識字等部分，接收后數據依據幀格式分離數據和回放顯示。2.4.3無線通信模式（Packet模式）集成收發器芯片內部集成兩個64字節FIFO用于發送和接收數據。發送時，當發送FIFO中數據量達到設置閾值時，集成收發器進入發射模式發送FIFO中的數據，發送完數據后轉為預備狀態。接收時，當接收FIFO達到設置閾值時，將通過nIRQ引腳產生一個中斷，ARM處理器從FIFO中讀取數據。Packet模式的包配置靈活，包含網絡通信的通用字段（如引導碼、同步字、發送頭、包長和CRC等），用戶僅需要將實際發送的數據填充至數據區，如下頁圖4所示。當設備配置為無線通信模式（Packet模式）時，根據要求實時采集模擬信號和數字信號，并更新數據緩沖區。ARM處理器設置射頻開關將設備配置為接收狀態，等待接收外部無線通信指令，通過命令解析做出相應的處理，從數據緩沖區讀取數據形成應答幀。ARM處理器設置射頻開關將設備配置為發送狀態，將應答幀發送出去。發送完成后，設備配置為接收狀態，等待下一條指令。2.4.4無線遙測模式（DirectTx模式）PCM碼流是在時序控制下產生的基于某種特定幀格式的一組串行數據流，設備采用SI4463的DirectTx模式來實現。當待發送的數據包比64字節的FIFO更大時，將不再適合使用FIFO發送和接收數據，DirectTx模式完全繞開FIFO而采用從芯片的一個引腳輸入數據，實現實時調制。ARM處理器首先根據實際需求設置數據速率（Rb）、頻率偏差（FD）、濾波器帶寬（BW）和發送數據時鐘源，并配置相應的寄存器。STM32SPI配置為DMA雙Buffer從模式，接收SI4463發送的數據時鐘，發送數據至SI4463，保證發送PCM數據的連續性。信號采集編碼模塊實時檢測DMA發送情況，并將新的數據填充至DMABuffer中。SI4463接收到數據后，按照設置參數調制，并實時發送出去。

3試驗結果

設備配置為無線通信模式，數據交互正常。遙測通信設備配置為無線遙測模式，通過遙測地面站接收遙測數據，從遙測數據幀中分離接收的數字量與數據源格式一致?；胤胚b測數據幀中的模擬波道，記錄的電壓值與外部輸入物理電壓值的誤差小于1%。信號還原顯示如圖5所示。

4結論

該遙測通信設備采用ARM處理器和集成收發器架構，同時采集多路模擬量和數字量，通過外部命令可配置無線遙測和無線通信模式，工作模式靈活，設備體積小，具有成本低的特點，經試驗驗證，能夠滿足遙測需求。

參考文獻

[1]史長捷.現代歐美遙測技術發展簡況[J].遙測遙控，2000，21（5）：6-11.

[2]謝銘勛.再入遙測技術（上/下冊）[M].北京：國防工業出版社，1992.

[3]楊小牛,樓才義.徐小良.軟件無線電原理及其應用[M].北京：北京理工大學出版社，2010：10-15.

[4]陶玉柱，胡建旺，崔佩璋.軟件無線電技術綜述[J].通信技術，2011，44（1）：37-39.

[5]霍利鋒.一種彈載電子設備電源保護電路設計[J].電子設計工程，2018，26（10）：184-188.

作者：那凱鵬 裴俊杰 劉國忠 單位：山西科泰航天防務技術股份有限公司