CN113873351A

CN113873351A - 一种基于SoC技术的微型遥测采编器和方法

Info

Publication number: CN113873351A
Application number: CN202110960317.XA
Authority: CN
Inventors: 高君路; 高星; 郑昉; 盛莹
Original assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Current assignee: Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement
Priority date: 2021-08-20
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2041-08-20
Also published as: CN113873351B

Abstract

本申请公开了一种基于SoC技术的微型遥测采编器和方法，包括数字量采集电路、模拟量采集电路、采编控制模块、PCM码流生成模块，所述模拟量采集电路包含交换子模块、XADC转换模块；所述交换子模块，用于接收并行的多路模拟量轮流切换输出至XADC转换模块；所述XADC转换模块，最高采样率为f₁，用于实现模数转换，生成模拟量的信号量化值；所述采编控制模块，将所述数字量采集电路生成的数字量和所述XADC转换模块生成的信号量化值编排为数字信号数列，再经PCM码流生成模块生成PCM码流输出，码速率为f₂；满足f₂>f₁；所述交换子模块输出的每一路模拟量的采样时间间隔为N/f₂。本申请解决遥测采编器体积过大和功耗过高的问题。

Description

一种基于SoC技术的微型遥测采编器和方法

技术领域

本申请涉及遥感技术领域，尤其涉及一种基于SoC技术的微型遥测采编器和遥测采编方法。

背景技术

遥测装置是飞行器研制过程中重要的测试设备，用于对关键信号和数据的获取和记录，同时在水纹检测、环境监测等民用领域也有大量应用。由于体积和成本、重量、功耗等限制，目前很多被测产品尚且不能安装遥测，而且由于被测产品功能、接口不一致，也导致普通的遥测系统存在重复开发等情况。因此，急需开发一种体积小、重量轻、成本低、功耗小、可靠性高的通用化遥测产品，从而满足更多的产品测试需求。在遥测系统中，采编模块是主要的功能模块，因此微型化遥测采编模块的设计与实现是首要解决的问题。正是基于此需求，本发明提出了一种基于SoC技术的微型遥测采编器。

发明内容

本申请实施例提供一种基于SoC技术的微型遥测采编器和方法，解决现有技术遥测采编器体积过大和功耗过高的问题。

本申请实施例提出一种基于SoC技术的微型遥测采编器，包括数字量采集电路、模拟量采集电路、采编控制模块、PCM码流生成模块。所述模拟量采集电路包含交换子模块、XADC转换模块；

所述交换子模块，用于接收并行的多路模拟量轮流切换输出至XADC转换模块；

所述XADC转换模块，最高采样率为f₁，用于实现模数转换，生成模拟量的信号量化值；

所述采编控制模块，将所述数字量采集电路生成的数字量和所述XADC转换模块生成的信号量化值编排为数字信号数列，再经PCM码流生成模块生成PCM码流输出，码速率为f₂；满足f₂>f₁；

所述交换子模块输出的每一路模拟量的采样时间间隔为N/f₂。

优选地，所述交换子模块为M个，交替采集所述多路模拟量，每一个交换子模块输出的模拟量采样时刻错开，经XADC转换模块生成的N路模拟量的信号量化值再经采编控制模块编排为连续的数字信号数列。

N，M为正整数，可取M≥N。

优选地，所述交换模块输出的相邻的模拟量波道的信号量化值之间，插入其他数字信号。

所述其他数字信号，包括以下至少一种：

所述数字量采集电路生成的数字量，帧同步信息，帧计数信息、填充信息、冗余信息。

进一步地，所述数字量采集电路包含第一连接器、数字信号收发器、光电隔离模块、数字信号通信模块；被采集的数字信号经第一连接器、数字信号收发器、光电隔离模块、数字信号通信模块输入到所述采编控制模块。

进一步地，所述模拟量采集电路包括第二连接器，被采集的多路模拟量经第二连接器、交换子模块、XADC转换模块生成信号量化值输入到采编控制模块。

优选地，所述基于SoC技术的微型遥测采编器，包含2个32选1交换子模块完成64路模量采集。

本申请实施例还提出一种遥测采编方法，使用本申请任意一项实施例所述的基于SoC技术的微型遥测采编器，包括以下步骤：

所述交换子模块，接收并行的多路模拟量轮流切换输出至XADC转换模块，所述交换子模块输出的每一路模拟量的采样时间间隔为N/f₂；

所述XADC转换模块，最高采样率为f₁，实现模数转换，生成模拟量的信号量化值；

所述采编控制模块，将所述数字量采集电路生成的数字量和所述XADC转换模块生成的信号量化值编排为数字信号数列，再经PCM码流生成模块生成PCM码流输出，码速率为f₂；满足f₂>f₁。

或者，所述交换模块输出的相邻的模拟量波道的信号量化值之间，插入其他数字信号。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

遥测采编模块微型化设计，同时能够在保证高码速率大信息量PCM遥测信号传输的前提下，突破AD转换器的采样速率和交换子模块的切换速率限制，以合理、经济的方法传输最大数量的信息，并确保模拟量的稳定和可靠采集。

本发明采用SoC芯片内部集成的AD转换器，包含双通道12位1MSPS采样率模数转换器,该AD转换器能够满足遥测多路信号的不失真采集要求，并提高了系统的集成度；本发明选用常用的RS-485半双工通信收发芯片作为数字量的收发器，兼容性好，每个器件中都有一个驱动器和一个接收器，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请的基于SoC技术的微型遥测采编器实施例；

图2为传统遥测波导编排方式模拟量采集示意图；

图3为本发明方法实施例波道编排方式模拟量采集示意图；

图4为本发明另一方法实施例波道编排方式模拟量采集示意图。

其中，1为第一连接器，2为第二连接器，3为驱动器，4为数字信号收发器，5为二次电源模块，6为交换子模块，7为光电隔离模块，8为数字信号通信模块，9为采编控制模块，10为XADC模数转换模块，11为PCM码流生成模块，12为SoC芯片。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

微型遥测采编器包括：连接器，驱动器，数字信号收发器，二次电源模块，交换子模块，光电隔离模块，数字信号通信模块，采编控制模块，XADC模数转换模块，PCM信号生成模块，SoC芯片，晶振。

需要说明的是，图1中的模拟量和数字量，在应用场景中的功能目的是，模拟量电压将模拟电压通过AD转换器进行采集，通常为表征设备状态的电压信号和各类传感器的输出电压信号。数字量是来自于其它各设备发送的RS-485/RS-422等总线数据或串口数据。遥测设备接收模拟量数字量等信息后转为PCM码流送至发射机模块并进行上变频调制，调制成便于传输的无线射频信号通过天线将其辐射出去。

结合附图1，遥测采编器自定义信号通路中，SoC芯片12输出端与驱动器3输入端印刷电路板导线连接，驱动器输出端与第一连接器1输入端印刷电路板导线连接。数字量信号通路中，一个方向，第一连接器1输出端与数字信号收发器4输入端印刷电路板导线连接，数字信号收发器输出端与光电隔离模块7输入端印刷电路板导线连接，光电隔离模块输出端与数字信号通信模块8输入端印刷电路板导线连接，另一方向，数字信号通信模块输出端与光电隔离模块输入端印刷电路板导线连接，光电隔离模块输出端与数字信号收发器4输入端印刷电路板导线连接，数字信号收发器输出端与第一连接器输入端印刷电路板导线连接。时钟信号通路中，晶振13输出端与SoC芯片输入端印刷电路板导线连接。电源通路中，第二连接器2输出端与二次电源模块5输入端印刷电路板导线连接，二次电源模块输出端与SoC芯片输入端印刷电路板导线连接。模拟量信号通路中，第二连接器输出端与交换子模块6输入端印刷电路板导线连接，交换子模块输出端与XADC模数转换模块10输入端印刷电路板导线连接。SoC芯片内部逻辑连接通路中，数字信号通信模块8输出端与采编控制模块9输入端SoC芯片内部逻辑连接，相反，采编控制模块输出端与数字信号通信模块输入端与SoC芯片内部逻辑连接；XADC模数转换模块10输出端与采编控制模块输入端SoC芯片内部逻辑连接，采编控制模块输出端与PCM码流生成模块11输入端SoC芯片内部逻辑连接。控制端信号通路中，SoC芯片控制端与数字信号发生器控制端印刷电路板导线连接，SoC芯片控制端与交换子模块控制端印刷电路板导线连接。

遥测采编器是遥测系统的重要组成部分，来自外部各设备采集的0～5V阻抗较小的并行多路模拟信号，串联相应的匹配电阻后，转换成标准形式的模拟信号，然后经过交换子模块的切换形成单路时分的模拟信号流，最后输入到XADC模数转换模块进行模拟/数字AD转换，完成对模拟信号的采样和编码。遥测采编器与外部设备数字接口通信采用RS-485总线方式，采编器通过数字信号收发器和光电耦合器模块进行信号隔离处理后，送入SoC芯片内部数字信号通信模块，完成数字信号的接收和协议解析。将处理好的数字信号汇同模拟信号的采样信息送到综合器，按照事先确定的帧格式进行组帧综合。SoC芯片内部PCM码流生成模块,编辑接收的数字信息，加入帧同步、帧计数等信息，生成符合要求的遥测帧输出,而后对NRZ-L形式的PCM码流随机化编码处理，进而生成RNRZ-L形式的PCM码流，输出到遥测发射机进行调制，形成射频信号，最后通过遥测发射天线辐射到空间中去。晶振向SoC芯片提供稳定的数字电路时基振荡源。二次电源模块完成遥测电池+5V电压到SoC芯片所需的+3.3V,+1.8V,+1V等所需工作电压的转换，并实现电源的滤波和保护。

本发明选用微小型贴片封装的元器件，且印刷电路板布局和走线进行紧凑优化，在不减少遥测采集路数和基本功能的前提下，将采编器电路板尺寸缩小至45mm×40mm；

本发明选用2个超微矩形印制板连接器作为对外接口，连接器外形尺寸小巧，锁紧可靠，在满足系统轻型化和小型化需求的同时，能够满足64路0～5V模拟量的采集和2路RS-485数字量的稳定通信需求；

本发明选用的关键器件均为微型、低功耗器件，不仅降低了尺寸和成本，同时确保了整机的低功耗指标。

结合附图2、图3、图4，本发明选用一种特殊遥测帧和交换子编排方式，能够在保证高码速率大信息量PCM遥测信号传输的前提下，突破AD转换器的采样速率和交换子模块的切换速率限制，以合理、经济的方法传输最大数量的信息，并确保模拟量的稳定和可靠采集。当PCM遥测信号波道进行高速转换时，AD转换器和交换子模块也随之进行高速切换，来自外部的并行多路模拟信号，转换成统一标准形式的模拟信号进入AD转换器，各路信号相互之间存在启动速度及稳定时间差异，若以固定的采样点进行高速采集，采样稳定度差。同时受到下一波道模拟量信号的交换子切换时间限制，需在下一波道到来前完成本次采集，若交换子保持时间不够，信号可能会在波动时或到达峰值之前即将其采集，采集值不可靠不准确。需要说明的是，遥测PCM信号组帧排列方式，每一路模拟量安排一个波道，64路模拟量就是64个波道。

需要说明的是，图2～4是时序图，表示遥测模拟量出现在帧中的先后顺序。

图2～4中，模拟量1～4中对应的数字是标识模拟量电压采样后的数据，为AD转换后的量化值。例如，可以是图1中的64路模拟量中的其中几路由交换子进行选通后的AD量化值。

对应于一个模拟量的多个信号量化值是一个时间序列，在每一模拟量单元中，遥测采集值是在6个信号量化值中取一个最大值，作为一个示例，遥测采样点安排到每个波道最后一个值的位置，以该位置的AD转换器量化的值作为该波道的采样值输出。交换子交替切换，信号由无到有，有个上升过程。本文示例几种信号真实值都是6，若正常采集，待信号稳定后采集到的值应该都是6，图2示例高速采集下各种模拟量的上升速度不同，受采样点和保持时间限制，信号到达峰值之前便将其采集，导致采集出的值各不相同，采集值不可靠不准确。

本发明针对上述现有的缺点，提出的具体改进措施如下：

本发明使用的微型SoC芯片，内部集成的AD转换器，最高采样率为f₁＝1MHz,当要求生成码速率f₂高于1MHz的PCM遥测信号时，受AD采样速率限制，单一波道保持时间短，无法完成采样操作，考虑利用多波道和空闲波道进行采集准备工作及遥测采集。所述交换子模块输出的每一路模拟量的采样时间间隔为N/f₂。这样，所实现的PCM编码速率可以达到f₂＝N f₁。

方法1：所述交换模块输出的相邻的模拟量波道的信号量化值之间，插入其他数字信号。

具体做法可将模拟量波道进行错开编排，在相邻模拟量波道之间插入来自无需交换子及AD转换器工作的采集信息、例如数字信息、帧同步、帧计数及其他遥测表征信息、冗余及固定填充信息等。这样可增加相邻模拟量波道的间隔，提高交换子的稳定保持时间，有利于提高采样稳定度。在图3所表示的实施例中，N＝2。注意，图3中数字量下的“信号量化值”只是针对模拟量的，例如，模拟量1对应的数字采样值序列为123456666666，最后输出的信号量化值为6；模拟量2对应的数字采样值序列为123445566666，最后输出的信号量化值为6；模拟量3对应的数字采样值序列为123344556666，最后输出的信号量化值为6；模拟量4对应的数字采样值序列为112233445566，最后输出的信号量化值为6。

方法2：所述交换子模块为M个，交替采集所述多路模拟量，每一个交换子模块输出的模拟量采样时刻错开，经XADC转换模块生成的N路模拟量的信号量化值再经采编控制模块编排为连续的数字信号数列。

具体地，本发明使用的交换子分为多个模拟量交换子芯片，每个交换子的输出再由1个交换子进行选通后送AD转换器采集，印刷电路板布局布线即将波道交错并平均分配至每个交换子。以本发明使用的2个32选1交换子完成64路模拟量采集为例，交换子1完成奇数模拟量波道分配及选择，交换子2完成偶数模拟量波道分配及选择，2个交换子芯片并行工作交替采集，当交换子1进行采集时，交换子2同时进行下一路模拟信号的采集准备工作并进行采样前的保持，待信号稳定后再进行遥测采集，反之亦然。在图4所示的例子中，M＝2，N＝2。

还需要说明的是，实施例中方法1和方法2的共同构思是：模拟量信号进行高速切换和采集过程中采样稳定度差，都是为了解决AD转换器的采样速率和交换子模块的切换速率限制。

还需要说明的是，本申请的创新点在于如何实现波道编排，方法1方法2是由采编控制模块实现的。方法2描述了一种波道编码方式，同时需要在交换子模块进行特定设计的前提下编排。

本发明的设计对遥测产品的微型化起到了重要作用，成功降低了产品成本、缩小了产品体积、减少了产品功耗、减轻了产品重量。整机可满足多路标准形式的模拟量和数字量的采集需求，且通用性好，兼容性强。后续可依托遥测实际应用需求，对微型化SoC遥测采编模块进行不断改进。

本发明采用了微小型封装形式实现了样机研制，外形尺寸仅为50mm×45mm×10mm。将采编器模块与发射机模块、发射天线进行互联，并通过遥测站进行信号接收解调。经验证，微型系统工作状态稳定，通讯误码率低，采编器输出PCM可靠。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种基于SoC技术的微型遥测采编器，包括数字量采集电路、模拟量采集电路、采编控制模块、PCM码流生成模块，其特征在于，所述模拟量采集电路包含交换子模块、XADC转换模块；

2.如权利要求1所述的基于SoC技术的微型遥测采编器，其特征在于，所述交换子模块为M个，交替采集所述多路模拟量，每一个交换子模块输出的模拟量采样时刻错开，经XADC转换模块生成的N路模拟量的信号量化值再经采编控制模块编排为连续的数字信号数列。

3.如权利要求1所述的基于SoC技术的微型遥测采编器，其特征在于，所述交换模块输出的相邻的模拟量波道的信号量化值之间，插入其他数字信号。

4.如权利要求3所述的基于SoC技术的微型遥测采编器，其特征在于，所述其他数字信号，包括以下至少一种：

5.如权利要求1～4任意一项所述的基于SoC技术的微型遥测采编器，其特征在于，所述数字量采集电路包含第一连接器、数字信号收发器、光电隔离模块、数字信号通信模块；被采集的数字信号经第一连接器、数字信号收发器、光电隔离模块、数字信号通信模块输入到所述采编控制模块。

6.如权利要求1～4任意一项所述的基于SoC技术的微型遥测采编器，其特征在于，所述模拟量采集电路包括第二连接器，被采集的多路模拟量经第二连接器、交换子模块、XADC转换模块生成信号量化值输入到采编控制模块。

7.如权利要求1～4任意一项所述的基于SoC技术的微型遥测采编器，其特征在于，包含2个32选1交换子模块完成64路模量采集。

8.一种遥测采编方法，使用权利要求1～7任意一项所述的基于SoC技术的微型遥测采编器，其特征在于，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述遥测采编方法，其特征在于，所述交换子模块为M个，交替采集所述多路模拟量，每一个交换子模块输出的模拟量采样时刻错开，经XADC转换模块生成的N路模拟量的信号量化值再经采编控制模块编排为连续的数字信号数列。

10.如权利要求8所述的遥测采编方法，其特征在于，所述交换模块输出的相邻的模拟量波道的信号量化值之间，插入其他数字信号。