單片機(jī)控制的DBPL編碼信號源系統(tǒng)設(shè)計

官楓林，習(xí)友寶

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731）

官楓林（碩士研究生），研究方向為SoC設(shè)計與驗證。

引 言

DBPL（Differential Bi－Phase Level）編碼是一種超越傳統(tǒng)數(shù)字傳輸極限的編碼方式［1］。DBPL編碼被廣泛應(yīng)用于以太網(wǎng)、工程測井儀器和鐵路應(yīng)答器等工程應(yīng)用中。在鐵路應(yīng)答器中，通過DBPL編碼傳輸信號給列車車載處理器，實現(xiàn)對列車運行的控制。

本文設(shè)計了一種基于AT89LV51單片機(jī)控制的DBPL編碼信號的信號源系統(tǒng)，能夠產(chǎn)生DBPL編碼信號；同時設(shè)計了系統(tǒng)的電源管理模塊，保證系統(tǒng)的正常供電。

1 信號源系統(tǒng)的設(shè)計

該信號源由時鐘復(fù)位模塊、DBPL信號產(chǎn)生電路、DCDC轉(zhuǎn)換電路、充電管理電路和A／D轉(zhuǎn)換電路組成。單片機(jī)AT89LV51控制編碼模塊產(chǎn)生DBPL信號；充電管理電路對系統(tǒng)所用電池進(jìn)行充電管理，保證電池的充分充電；DC－DC轉(zhuǎn)換電路為單片機(jī)以及編碼邏輯產(chǎn)生穩(wěn)定電壓的供電；A／D轉(zhuǎn)換電路采集電池電量信息，并告知單片機(jī)處理。信號源系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 信號源系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.1 DBPL信號產(chǎn)生電路

本設(shè)計中，DBPL信號［2］由作為能量載波的正弦波與脈沖編碼信號合成。脈沖編碼信號采用DBPL編碼，平均傳輸速率為564.48kb／s；能量載波為正弦波，信號頻率為8.82kHz。該模塊的輸入為8位待編碼的并行二進(jìn)制數(shù)據(jù)，與AT89LV51單片機(jī)的P1.0～P1.7相接，由單片機(jī)控制提供輸入。DBPL信號產(chǎn)生電路原理圖如圖2所示。

圖2 DBPL信號產(chǎn)生電路原理圖

其中，并行轉(zhuǎn)串行電路采用一片8位并串轉(zhuǎn)換移位寄存器74166和一片計數(shù)器74163，計數(shù)器74163采用模8計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器計滿8個數(shù)時，清零計數(shù)器，重新開始計數(shù)；計數(shù)期間，8位并行數(shù)據(jù)按照時鐘節(jié)拍輸出。2分頻及64分頻采用計數(shù)器74163實現(xiàn)。微分電路采用D觸發(fā)器及門電路實現(xiàn)。并串轉(zhuǎn)換輸出Q1經(jīng)過非門與微分電路取得的上升沿Q2相與，得出Q3，經(jīng)過D觸發(fā)器實現(xiàn)2分頻輸出Q4，最后Q0與Q4異或求得編碼輸出。輸出8.82 kHz的方波和564.48kHz的脈沖波，再分別進(jìn)行濾波、放大調(diào)理，然后合成為最終所要得到的DBPL信號。假設(shè)單片機(jī)輸入并行數(shù)據(jù)為11010011，則圖2中各點的波形如圖3所示。

圖3 原碼為11010011時各點波形

1.2 充電管理電路

出于對系統(tǒng)便攜式的考慮，本系統(tǒng)采用可充電電池（6節(jié)鎳氫電池）對系統(tǒng)供電，每節(jié)電池的電壓為1.2V；同時，采用Maxim公司的電池管理芯片MAX713CPE對鎳氫電池進(jìn)行管理，確保電池安全且完全充電，且由單片機(jī)對電源模塊進(jìn)行控制和檢測。

MAX713CPE是一種用于鎳氫和鎳鎘電池的快速充電管理芯片，它具有以下特點［3］：

◆電池數(shù)量、充電時間以及電流大小可調(diào)；

◆零點電壓斜率檢測，對電池進(jìn)行快速、涓流充電；

◆電池不充電時，芯片消耗最大電流僅為5μA；

◆所需外圍電路少，僅需一個PNP引腳便可實現(xiàn)基本的充電管理。

充電管理電路如圖4所示。VLIM引腳用于設(shè)定最大的電池電壓，它與電池電壓和電池節(jié)數(shù)存在如下關(guān)系：

（BATT＋－BATT－）≤（VLIMIT×n）

圖4 充電管理電路

其中，（BATTC＋－BATT－）為電池兩端電壓，n為電池節(jié)數(shù)，一般情況下將VLIMIT連接到REF引腳即可。PGM0和PGM1引腳用來設(shè)定被充電電池的節(jié)數(shù)（1～16節(jié)）：根據(jù)需要將PGM0、PGM1有選擇地連接到V＋、REF、BATT－中的任何一引腳或者懸空，本設(shè)計中充電電池設(shè)定為6節(jié)。PGM2和PGM3引腳用來設(shè)定最大快速充電時間，按照與設(shè)置PGM0和PGM1引腳相同的方法，可按需求設(shè)定最大快速充電時間（33～264min），本設(shè)計中設(shè)為120min。

本系統(tǒng)還實現(xiàn)電池電量的檢測，在圖4中通過放大器OP07EP檢測電池電壓并送入到A／D轉(zhuǎn)換電路［4］，最后交給單片機(jī)進(jìn)行處理。

電池電壓輸出為7.2V，充滿狀態(tài)下可達(dá)到7.4～7.6V。單片機(jī)所用電壓為3.3V，DBPL信號產(chǎn)生電路所需的電壓為5V，這就需要DC－DC轉(zhuǎn)換電路將7.2V的額定電壓轉(zhuǎn)換為5V和3.3V。采用兩級轉(zhuǎn)換：第一級將7.2V電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生5V電壓供給DBPL信號產(chǎn)生電路，第二級將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V供給單片機(jī)。系統(tǒng)采用SPX1117（SPX1117－5和SPX1117－3.3）作為 DC－DC轉(zhuǎn)換電路中的穩(wěn)壓芯片［5］。該芯片的特點是低壓差，0.8A時壓差僅為1.1V，且電壓可選（為5V及3.3V）。DC－DC轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 DC－DC轉(zhuǎn)換電路

2 測試結(jié)果

該系統(tǒng)設(shè)計完成之后，對其進(jìn)行了詳細(xì)的測試實驗。測試結(jié)果表明，輸入信號能夠通過單片機(jī)編程得到很好的控制，信號源輸出的正弦波幅度和脈沖波幅度均達(dá)到應(yīng)用要求，可以廣泛應(yīng)用于仿真測試、項目實驗領(lǐng)域。如果需要進(jìn)一步放大，須外接放大電路和外部電源。DBPL編碼信號傳輸速率為指定的564.48kb／s。電源管理電路能夠有效地對電池進(jìn)行管理，充電時間大致保持在120～140 min，電池充滿后進(jìn)入到涓流充電。在使用過程中，單片機(jī)可以通過A／D轉(zhuǎn)換電路實時監(jiān)測電池的電量并告警。DC－DC轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓穩(wěn)定，且功耗低。

［1］陳新坤，周東，余敬東.Manchester編碼器的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報，2003（3）.

［2］周軍，茍昌華，李小邦.FPGA實現(xiàn)曼徹斯特通信在測井中的應(yīng)用［J］.科技資訊，2010（2）.

［3］蔣勇.可編程快速充電管理芯片 MAX712／MAX713及其應(yīng)用［J］.今日電子，2005（2）.

［4］寧玉門，胡清.單片機(jī)控制AD轉(zhuǎn)換試驗在Protues虛擬環(huán)境中的實現(xiàn)［J］.福建電腦，2009（6）.

［5］姚雨迎，張東來，徐殿國.級聯(lián)式DC／DC變換器輸出阻抗的優(yōu)化設(shè)計與穩(wěn)定性［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2009（3）.