CN112738426A - 一种多路传感数据、图像混合采编调制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多路传感数据、图像混合采编调制装置，包括收发器、线缆均衡器、串并转换模块、记录仪、FPGA模块、调制模块及DSP模块；收发器将接收的多路传感数据信号发送给FPGA模块，将接收的单路串行图像信号通过线缆均衡器传输给串并转换模块，串并转换模块将单路串行图像信号转换成并行图像信号给FPGA模块；FPGA模块将并行图像信号重映射后由DSP模块进行图像压缩再返给FPGA模块，并与接收到的多路传感数据信号进行混合组帧，发送给调制模块进行调制编码，完成传感数据信号与单路串行图像信号的混合采编调制；记录仪记录、存储信号数据。本发明实现了多路传感数据信号与单路串行图像信号的混合采编调制。

Description

一种多路传感数据、图像混合采编调制装置
技术领域
本发明涉及数据采集、信号调制技术领域，具体涉及一种多路传感数据、图像混合采编调制装置。
背景技术
航天飞行器飞行过程中需要对温度、压力、冲击、加速度、图像等信息进行实时采集。在无线传输系统中，无线传感器采集温度、压力、冲击、加速度等信息，将模拟信号采集、AD转换、调制编码再通过天线进行无线发送；接收端通过解调器、DA转换器，再通过提供的关系式解算出诸如温度、压力、加速度等信息。飞行器上摄像头采集的图像信息一般需要通过AD转换，压缩编码，解码，DA转换，控制中心显示等过程。传感信号具有信号种类多、数据量小、要求响应及时等特点；图像数据具有数据量大、要求延时小、带宽高等特点。随着航天器零部件的增多和新技术的引入，多路传感数据和图像数据分别进行传输，导致产生信号传输电缆增多、重量增加、通信带宽不足问题日益显著，新型飞行器对信号采集和传输也有特殊的要求，越来越多的场合和场景需要使用无线网络传输。军用无线传感器逐渐进入人们的考虑和讨论中来。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多路传感数据、图像混合采编调制装置，能够完成多路传感数据信号与单路串行图像信号的混合采编调制，集成化更高、成本更低、功耗更小、使用空间更省。
本发明采用的技术方案如下：
一种多路传感数据、图像混合采编调制装置，包括收发器、线缆均衡器、串并转换模块、记录仪、FPGA模块、调制模块及数字信号处理模块；
收发器接收多路传感数据信号和单路串行图像信号，将多路传感数据信号发送给FPGA模块，将单路串行图像信号通过线缆均衡器传输给串并转换模块，串并转换模块将单路串行图像信号转换成并行图像信号给FPGA模块；FPGA模块将接收到的并行图像信号重映射，发送给数字信号处理模块进行图像压缩，压缩后的图像信号再返回给FPGA模块，并与接收到的多路传感数据信号进行混合组帧，再发送给调制模块进行调制编码，完成多路传感数据信号与单路串行图像信号的混合采编调制；所述记录仪用于对多路传感数据信号和并行图像信号的记录、存储。
进一步地，所述收发器采用带隔离的RS422收发器。
进一步地，所述线缆均衡器采用自适应电缆均衡器。
进一步地，所述串并转换模块采用低电压差分信号串行器/解串器。
进一步地，所述调制模块采用直接数字频率合成原理设计的最小频移键控调制芯片。
进一步地，根据多路传感数据信号和单路串行图像信号的实时性要求对各个信号进行优先级排序，优先传输优先级高的信号，在网络传输间隙或网络空闲阶段传输优先级低的信号。
有益效果：
1、本发明能够实现对多路传感数据信号与单路串行图像信号的混合采集、组帧、压缩、编码，相比较传感数据和图像数据分别进行传输的技术方案，具有集成化更高、成本更低、功耗更小、使用空间更省等优点；而且利用了FPGA模块并行处理大量数据的优势，满足数据处理速度要求。
2、本发明采用隔离式收发器将采编调制装置与外部设备相隔离，提高了装置的抗干扰能力。
3、本发明自适应电缆均衡器能够保证图像信号长距离传输情况下的可靠传输。
4、本发明通过对多路传感数据信号和单路串行图像信号进行优先级排序，优先传输优先级高的信号，在网络间隙或者网络空闲阶段低的信号，既能在总传输带宽基础上保证冲击等高频传感数据的实时性，又能保证图像信号的低延时传输。
附图说明
图1为本发明的组成框图；
图2为带隔离RS422收发器电路图；
图3为自适应电缆均衡器电路图；
图4为串并转换模块电路图；
图5为记录仪电路图；
图6为FPGA模块原理图；
图7为MSK调制模块电路图；
图8为DSP模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种多路传感数据、图像混合采编调制装置，包括收发器、线缆均衡器、串并转换模块、记录仪、FPGA模块、调制模块及数字信号处理(DSP)模块。
收发器采用带隔离RS422收发器，接收RS422数据信号。
线缆均衡器采用自适应电缆均衡器，保证图像信号长距离传输情况下的可靠传输。
串并转换模块采用18位总线低电压差分信号(LVDS)串行器/解串器，实现LVDS串行图像信号转换为18位的并行数据信号。
记录仪采用128M flash存储器，实现对图像和数据信号的记录、存储。
调制模块使用直接数字频率合成原理(DDS)设计的最小频移键控调(MSK)调制芯片，实现信号的调制。
DSP模块的使用DSP芯片完成图像压缩算法的实现。
该采编调制装置的输入包括RS422数据信号以及单路串行LVDS图像信号，输出为经过调制的MSK信号。如图1所示，多路RS422数据信号经过带隔离RS422收发器，再发送给FPGA模块；单路串行LVDS图像信号则先通过线缆均衡器，再通过串并转换模块，将单路串行LVDS图像信号转换成并行LVDS图像信号给FPGA模块；FPGA模块将接收到的并行LVDS图像信号重映射，发送给DSP模块进行图像压缩，压缩后的图像数据再返回给FPGA模块，并与接收到的多路RS422数据信号进行混合组帧，再通过与MSK调制模块之间的并行接口通信，发送给MSK调制模块进行调制编码，从而完成多路RS422数据信号以及单路串行LVDS图像信号的混合采编。记录仪与FPGA模块进行数据交互，对多路传感数据信号和并行图像信号进行记录、存储。
本实施例中，输入信号包括6路异步RS422串行数字量信号、1路图像信号；RS422串行数字量信号：数据格式为1位起始位、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验位，输入信号的波特率、帧周期、帧长等参数可配置、6路数字量有效信息总速率为256KBPS。图像信号：输入图像为LVDS制式图像信号，要求采用H.264进行压缩，压缩后输出数据速率不高于256KBPS。输出信号为经过MSK正交调制的150MHz的模拟信号。
如图2所示，带隔离RS422收发器电路采用ADM2582E全双工收发器负责RS422数据的收发；采编调制装置侧使用3.3V直流供电，C28、C29、C30、C37均为去耦电容，起到为电源去耦的作用；R10、R13为120Ω端接电阻，防止传输线发生信号反射。
如图3所示，线缆均衡器采用LMH0024自适应线缆均衡器。该均衡器3.3V单电源供电，支持信号频率高至125Mbps到540Mbps，支持单端和差分输入，提供50Ω标准输出阻抗。
如图4所示，串并转换模块进行串并转换时，通过DS92LV18 18位LVDS解串器实现，将输入的图像信号通过解串器解码成并行信号。该解串器支持3.3V供电，15-66MHz信号频率，内置最高20倍频PLL。
如图5所示，记录仪采用K9WAG08U1M NAND FLASH芯片，该芯片存储空间为2G*8bit，具有快速读写速度、硬件数据保护、版权保护等优势。
如图6所示，FPGA模块采用CycloneⅣ系列EP4CE6E22C8，该芯片包含6272个LES,270Kbits片内存储,15个内置18*18乘法器，2个PLL，10个全局时钟网络，8个Banks，91个user IO。FPGA模块实现六路数据信号和一路图像信号的采集、串并转换、组帧、并串转换以及信号的重映射等功能。
如图7所示，MSK调制模块电路选用双通道同步DDS AD9958芯片，该芯片具有32位频率调制精度，14为相位调制精度和10位幅值调制精度，支持SPI通信，可选择的4倍到20倍PLL。MSK调制模块使用DDS技术对混合信号进行MSK调制。MSK调制技术是最小频移键控的简称，是2FSK调制的改进，解决了2FSK存在频带利用率不高、相邻码元波形相位可能不连续等问题，MSK调制相当于是一种包络恒定、相位连续、带宽最小并且严格正交的二进制数字频率调制(2FSK)信号。MSK信号的第k个码元可以表示为：
Figure BDA0002839985180000061
kTB≤t≤(k+1)TB
其中，
wc＝2πfc表示载波角频率；
ak＝±1分别对应输入码元的1和0；
TB表示码元宽度；
Figure BDA0002839985180000062
为第k个码元的初始相位。
t为时间；当输入码元为1时，ak＝+1,故码元频率为f1＝fc+1/(4TB)，fc为角频率；当输入码元为0时，ak＝-1,故码元频率为f0＝fc-1/(4TB)；f1-f0＝1/(2TB)为最小频率间隔。
如图8所示，DSP模块采用TMS320F2812芯片，该芯片片内拥有18K SDRAM，128K片载ROM，含有外部存储器接口，2个事件管理器，4个通用定时器，支持SPI，12位ADC，SCI，CAN等，3个外部中断，56个数字IO。DSP模块负责将FPGA模块传送过来的图像信号进行压缩编码，再传给FPGA模块进行组帧、发送。
本装置信号的传输策略为：在收发器接收到多路传感数据信号和单路串行图像信号后，根据多路传感数据信号和单路串行图像信号的实时性要求对各个信号进行优先级排序，优先传输优先级高的信号，在网络传输间隙或网络空闲阶段传输优先级低的信号。通过对传感数据和图像数据划定不同的优先级，在总传输带宽基础上保证冲击等高频传感数据的实时性，又能保证图像信号的低延时传输。假如多路传感数据信号包括冲击、加速度、温度、压力信号，信号优先级表如下所示：
表1传输信号优先级表
信号类型 优先级
冲击 0
加速度 1
图像信号 2
温度 3
压力 4
由于冲击、加速度传感器数据频响高，数据量小，系统需要实时得到其控制数据对其他部件进行实时响应，所以冲击加速度优先级较高。同时，由于其数据量小，带宽占用不高，不影响图像信号的传输；而温度、压力信号属于稳态信号，数据量小，频响低，在网络传输间隙或者空闲状态下传输即可满足要求。因此对于温度、压力等稳态信号则具有较低的优先级，在网络间隙或者网络空闲阶段进行传输。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多路传感数据、图像混合采编调制装置，其特征在于，包括收发器、线缆均衡器、串并转换模块、记录仪、FPGA模块、调制模块及数字信号处理模块；
收发器接收多路传感数据信号和单路串行图像信号，将多路传感数据信号发送给FPGA模块，将单路串行图像信号通过线缆均衡器传输给串并转换模块，串并转换模块将单路串行图像信号转换成并行图像信号给FPGA模块；FPGA模块将接收到的并行图像信号重映射，发送给数字信号处理模块进行图像压缩，压缩后的图像信号再返回给FPGA模块，并与接收到的多路传感数据信号进行混合组帧，再发送给调制模块进行调制编码，完成多路传感数据信号与单路串行图像信号的混合采编调制；所述记录仪用于对多路传感数据信号和并行图像信号的记录、存储。
2.如权利要求1所述的多路传感数据、图像混合采编调制装置，其特征在于，所述收发器采用带隔离的RS422收发器。
3.如权利要求1所述的多路传感数据、图像混合采编调制装置，其特征在于，所述线缆均衡器采用自适应电缆均衡器。
4.如权利要求1所述的多路传感数据、图像混合采编调制装置，其特征在于，所述串并转换模块采用低电压差分信号串行器/解串器。
5.如权利要求1所述的多路传感数据、图像混合采编调制装置，其特征在于，所述调制模块采用直接数字频率合成原理设计的最小频移键控调制芯片。
6.如权利要求1所述的多路传感数据、图像混合采编调制装置，其特征在于，根据多路传感数据信号和单路串行图像信号的实时性要求对各个信号进行优先级排序，优先传输优先级高的信号，在网络传输间隙或网络空闲阶段传输优先级低的信号。
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