一種遠距離復雜電磁環(huán)境中的通信方式及應用

習喜龍 劉勇 李光磊 周崗

（1.海軍工程大學電氣與信息工程學院， 武漢430033；2.海軍工程大學科研部，武漢430033；3.中國人民解放軍海軍駐九江地區(qū)軍事代表室，江西 332007）

1 引言

傳統(tǒng)的船舶控制系統(tǒng)中，由于復雜電磁環(huán)境的影響，一般采用自整角機對信號進行采集及發(fā)送。這種模擬信號的傳輸方式使其必須通過A/D與 D/A轉(zhuǎn)換電路才能實現(xiàn)與數(shù)字控制系統(tǒng)的對接。A/D和D/A具有轉(zhuǎn)換速度快，應用方便的特點[1]。但是在強干擾環(huán)境中，它又有數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)、易受干擾的缺點。這就有可能使計算機得到不正確或誤差較大的信息和發(fā)出的信息經(jīng)傳送后失真。特別當模擬數(shù)據(jù)要傳送較長距離時更是如此[2]。且電路設計復雜，傳輸距離也具有一定的限制。隨著數(shù)字式傳感器在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中的廣泛應用，數(shù)字信號的獲取逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號，這種發(fā)展方式實現(xiàn)了信號采集與數(shù)字電路的無縫連接。而串行通信作為控制系統(tǒng)中廣泛應用的數(shù)據(jù)傳輸模式，由于在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中頻帶太寬且無法人為的控制，在復雜電磁環(huán)境且傳輸距離非常遠的情況下會出現(xiàn)高誤碼率，實時性差，同時占用非常多的資源。在實時性要求比較高的系統(tǒng)中無法滿足要求。

頻率信號具有較高的抗干擾能力，適合遠距離傳輸，實時性好，測量精度較高等特點，因此許多非頻率信號量都轉(zhuǎn)化成頻率信號量來進行測量和處理，在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中得廣泛的應用[3]。且在不同電磁環(huán)境下，根據(jù)通信距離的不同，需要選擇合適的通信頻帶。這就要求傳輸過程中頻率信號的頻帶范圍可以根據(jù)需要人為的加以控制。同時，數(shù)據(jù)的更新速率隨頻帶的選擇改變，頻率越高，更新速率更快。傳統(tǒng)的D/F轉(zhuǎn)換采取的是數(shù)字信號與頻率成線性的思想。在接收端進行數(shù)字信號還原的過程中需要對頻率進行測量。如果采取單位時間內(nèi)測周期個數(shù)的方式，無法保證較高的實時性和準確性。且當信號持續(xù)時間不足測量的單位時間，會造成數(shù)據(jù)的丟失。

本文通過對數(shù)字信號進行處理，將采集的每一個數(shù)字信號值與一個單位周期包含特定個基準頻率周期的頻率信號相對應，實現(xiàn)數(shù)字信號與周期個數(shù)的線性和可控化。最終實現(xiàn)D/T轉(zhuǎn)換、發(fā)送，接收及T/D轉(zhuǎn)換的全過程。較數(shù)字與頻率成線性的D/F轉(zhuǎn)換方式，本文采用的是計算接收到的頻率信號單位周期內(nèi)包含的基準頻率周期的個數(shù)，也就是說只需要發(fā)送過來一個完整周期的頻率信號，接收端就能夠準確還原數(shù)字信號。從測量一個周期與測量N個周期相比，這在實時性上具有很大的提高。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)字—周期轉(zhuǎn)換

數(shù)字/周期轉(zhuǎn)換主要實現(xiàn)的是將采集的數(shù)字信號通過電路轉(zhuǎn)換成單位周期包含特定個基準頻率周期的頻率信號進行發(fā)送。這就要求采集的數(shù)字信號與發(fā)送頻率之間具有一一對應的關(guān)系。電路工作原理如圖2所示。

圖2 發(fā)送模塊原理

通常新型數(shù)字傳感器或單片機采集的信號一般為N位的二進制數(shù)，我們根據(jù)采集信號的位數(shù)選擇合適的計數(shù)器芯片個數(shù)（以12位數(shù)字信號為例一般采用三片74LS163）。計數(shù)器采取并接級聯(lián)方式，即所有的計數(shù)器采用同一時鐘信號，前一級溢出信號作為下一級計數(shù)器的允許計數(shù)標志，這樣可以充分保證最后一級計數(shù)器的溢出信號的高電平持續(xù)時間剛好為時鐘的一個周期，同時應用其對所有的計數(shù)器進行同步置數(shù)。

我們將獲得的數(shù)字信號置于計數(shù)器的置位端，作為起始值開始計數(shù)。當計數(shù)器計滿，最高位的溢出端 RCO將產(chǎn)生一個基準時鐘周期長度的高電平，利用其對計數(shù)器進行置位，如此一直循環(huán)。由于計數(shù)器采用同一時鐘，這就保證其置位的同時性。并且置位信號只維持一個基準時鐘周期，這就保證了置位操做的唯一性。同時只有在最高位的計數(shù)器計滿溢出時才進行置位操作，即使在這期間預置數(shù)發(fā)生變化，本次循環(huán)依然進行直到計滿溢出，避免了非完整周期的產(chǎn)生而造成系統(tǒng)誤差。輸出的溢出信號的波形如圖3所示。

溢出端頻率信號每個周期包含的基準頻率的周期個數(shù)為：n=(2N-1)-P (n-包含基準頻率周期個數(shù)，N-數(shù)字信號的總體位數(shù)，P-預置數(shù)數(shù)值)。當N=12時，采用6M晶振作為基準頻率，則數(shù)字信號的最快更新速率為 n/(6M)=1/(6M)≈0.17μs。當然考慮到實際應用采集的數(shù)字信號數(shù)值處于0-111111111111的不同位置范圍，要求的更新速率也不同。根據(jù)頻段選擇的不同，更新速率必須大于所選頻段中最低頻率單位周期的長度，即T＞tMAX=n/M=(2N-1-P)/M（T-更新速率，n-包含基準頻率周期個數(shù)，F(xiàn)-基準時鐘頻率，N-數(shù)字信號位數(shù)，P-預置數(shù)數(shù)值）。總之，預置數(shù)值越大則更新速率越快，反之則更新應越慢。以給定的D0～D11=100000000000為例，則溢出端每個周期包含的基準頻率周期個數(shù)n=2047，最快更新速率約為0.34 ms。

但是在實現(xiàn)頻率信號的差分發(fā)送時，由于溢出頻率信號的占空比非常小，在短距離發(fā)送試驗中還可以勉強實現(xiàn)無故障傳輸，但是在遠距離傳輸試驗中，抗干擾能力非常差。因此考慮將溢出信號在周期不變的情況下進行占空比調(diào)整。調(diào)整的結(jié)果如圖3所示。

圖3 溢出頻率信號占空比調(diào)整

由圖3可見，調(diào)整后的頻率信號每個周期包含兩個溢出周期，這樣的調(diào)整方式不但使占空比達到了 50%，同時可使精度得到提高。由于每個發(fā)送頻率信號的單位周期內(nèi)包含兩個溢出周期，因此在復現(xiàn)模塊中計數(shù)的數(shù)值將是一個溢出周期包含的基準周期數(shù)的兩倍，即 2n。這可以起到測量多個周期然后獲取平均值以達到提高精度的效果。同時發(fā)送的頻率信號的頻率計算公式為：f=F/2n（f-發(fā)送信號頻率，F(xiàn)-基準頻率，n-單個溢出頻率周期包含基準頻率周期個數(shù)）。

由此當采集的數(shù)字信號涵蓋0—111111111111所有的數(shù)值，則發(fā)送的頻率信號的頻帶則為0.732 kHz～3 MHz。當然在工程應用中可以通過軟件的方式將采集的數(shù)字信號數(shù)值對應到一個相對較小的范圍內(nèi)，以實現(xiàn)對頻帶范圍的壓縮與選擇。如以1000,0000,0000為中心前后各800，即1248～2848，總共1600種的情況下，其頻率范圍則相對非常地集中在1.05～1.6 kHz之間，頻率的變化非常小，這種頻率的可控性可使其應用于一些對通過頻率具有嚴格要求的環(huán)境。

3 周期-數(shù)字轉(zhuǎn)換

周期/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路的主要作用是測量接收頻率信號單位周期包含基準頻率周期的準確個數(shù)，最終實現(xiàn)對數(shù)字信號的復現(xiàn)。其基本的原理圖如圖4所示。

圖4 接收模塊原理

發(fā)送端根據(jù)采集信號的數(shù)值控制發(fā)送頻率單位周期包含的基準頻率周期個數(shù)，因此在復現(xiàn)模塊中只需要精確地測量這個數(shù)值，就能夠?qū)?shù)字信號進行復現(xiàn)。我們采用計數(shù)器對接收的頻率信號一個周期時間進行計數(shù)的方式。計數(shù)器的連接方式依然采用并接級聯(lián)，只是在接收端計數(shù)器不需要進行置位，需要的是在頻率信號每個周期結(jié)束時，對計數(shù)器進行清零。同時為方便單片機等微處理器獲取計數(shù)器的計數(shù)值，必須利用鎖存電路對每個周期結(jié)束時的計數(shù)值進行鎖存處理。因此這里的操作包括，首先對計數(shù)器進行停止計數(shù)操作，然后是鎖存，最后才進行清零。停止計數(shù)操作的主要作用是保證鎖存操作時計數(shù)器計數(shù)端的數(shù)值不發(fā)生變化，保持最后數(shù)值狀態(tài)，保證鎖存操作的準確性。在鎖存操作完成以后才進行清零處理，不然此周期的操作將失去意義。這些操作都是控制電路通過獲取接收頻率信號一個周期開始時的上升沿而產(chǎn)生?？刂菩盘柕纳梢妶D5。

當然鎖存信號的生成同時受硬件本身和處理器的雙重控制，單片機需要讀取數(shù)值時，則讓硬件產(chǎn)生鎖存信號，否則不進行鎖存操作。由于接收的頻率信號是連續(xù)的，但為了保證控制器數(shù)據(jù)采集的準確性而在每個周期開端進行停止計數(shù)操作，這就使下一個周期計數(shù)的開始位置并不是從下降沿就開始，其中會錯過幾個周期。但是錯過的周期個數(shù)是固定的，并且可以在硬件電路的設計時精確的設定。當然為使三種控制操作之間不相互影響，錯過的周期個數(shù)應設計得更長一些。最小的間隔周期應為四個，即停止計數(shù)占兩個周期，鎖存占停止計數(shù)中的后一個周期，最后清零信號在占一個周期。同時為了提高測量的精度，在復現(xiàn)端我們選取的有源晶振的頻率是發(fā)送端的兩倍（如發(fā)送端采用6M，則接收端采用的是12M晶振）。這樣就使計數(shù)值是原來的兩倍，加上原來發(fā)送端的翻倍處理。這就是說最終復現(xiàn)的數(shù)值是一個溢出周期包含的發(fā)送端基準頻率周期個數(shù)的四倍。當然在這樣的情況下計數(shù)器的使用個數(shù)會增加，但是這樣的處理就相當于連續(xù)計四個周期，然后求其平均值。將計數(shù)值右移去掉了不穩(wěn)定的最低兩位，起到了非常好的提高精度的效果。對應一個接收信號其相對接收端晶振的周期個數(shù)：n’=4n=N+k (n-單個溢出頻率周期包含基準頻率周期個數(shù)；N-接收端計數(shù)器計數(shù)值；k-錯過的四個周期)。

圖5 控制信號生成示意圖

4 實驗結(jié)果

通過搭建硬件電路，對發(fā)送模塊進行測試。通過單片機定時向計數(shù)器置位端寫初值，最終通過占空比調(diào)整，能夠生成清晰穩(wěn)定的占空比為50%的方波。然后，將產(chǎn)生的頻率信號通過差分發(fā)送的方式通過一千米的電纜線圈傳輸，最終在接收端準確地接收到發(fā)送的波形。接收模塊準確計數(shù)，最終復現(xiàn)初值。當對傳輸線路線纜進行強干擾實驗室，計數(shù)端只有最低兩位有所波動。由于采用了四個周期求平均值的方法，通過向低位右移，最低兩位的變化不影響最終的接受結(jié)果，取得預期的實驗效果。

Quartus軟件仿真結(jié)果:

發(fā)送端預置數(shù)為 100000000000時生成的方波頻率信號，如圖6所示。

接收端接收到頻率分別為500 Hz和1 kHz時計數(shù)仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 12位發(fā)送端預置10000000000時輸出的方波頻率信號

圖7 接收端不同頻率下計數(shù)器輸出

由此可見，每個接收信號周期都有四個時鐘周期計數(shù)器沒有計數(shù)，這正是生成停止計數(shù)，鎖存與清零等鎖存信號時所占用的四個周期，雖然這會使每個計數(shù)值相對接收信號對應時鐘信號的周期個數(shù)不準確，但這是硬件設計產(chǎn)生，而且固定相差4。因此，可以在接收端軟件上進行精確的補償。

電路設計硬件封裝以后的發(fā)送模塊及接受模塊如圖8所示。

圖8 發(fā)送與接收模塊

5 實驗結(jié)論

針對現(xiàn)代船舶控制系統(tǒng)中數(shù)字信號采集及發(fā)送，設計了全新的數(shù)字/頻率發(fā)送及接收電路，實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的直接頻率信號輸出，有效地避免了傳統(tǒng)頻率輸出系統(tǒng)由于的非整周期刷新而造成的系統(tǒng)誤差，同時由于采用了數(shù)字與發(fā)送頻率信號單個周期包含基準周期個數(shù)成線性的轉(zhuǎn)換方式，使傳輸頻率大小可控，接收端不再需要測量頻率大小，而只測量其中一個周期包含基準頻率周期的個數(shù)。這大大加快了測量的速度和效率，提高了系統(tǒng)的實時性。同時由于采用頻率的傳輸方式，有效地提高了信號在遠距離，強噪聲干擾環(huán)境下的抗干擾能力。為數(shù)字系統(tǒng)的頻率輸出與接收還原提供了一個完整的解決方案。此系統(tǒng)設計已經(jīng)在船舶控制系統(tǒng)中得到了大量的應用，實時性與抗干擾性方面得到了驗證并取得了很好的效果。

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