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摘要：設(shè)計(jì)了一種基于ARM處理器和集成收發(fā)器架構(gòu)的遙測(cè)通信設(shè)備，用于采集多路模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。不同的應(yīng)用場(chǎng)景通過修改配置參數(shù)，設(shè)備工作模式可在無線遙測(cè)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(zhì)量輕和成本低的特點(diǎn)。該遙測(cè)通信設(shè)備經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該遙測(cè)通信設(shè)備性能可靠、可以滿足遙測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：遙測(cè)設(shè)備；通信設(shè)備；小型化

PCM遙測(cè)系統(tǒng)因其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易、性能良好，擔(dān)任遙測(cè)系統(tǒng)的主力。在遙測(cè)系統(tǒng)中配置有大量PCM體制遙測(cè)接收設(shè)備[1-2]。當(dāng)加裝的遙測(cè)設(shè)備較少時(shí)，可以采用分頻遙測(cè)模式，使用PCM體制遙測(cè)接收設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)接收；當(dāng)加裝的遙測(cè)設(shè)備較多時(shí)，考慮通道帶寬和三階交調(diào)等因素的影響，只能采用同頻分時(shí)的遙測(cè)模式。盡管以FPGA器件和數(shù)字變頻技術(shù)為代表的軟件遙測(cè)設(shè)備具備集成度高、可在線重構(gòu)、開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)[3-4]，但這種遙測(cè)系統(tǒng)會(huì)增加系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和批抽檢過程中的成本。針對(duì)該需求遙測(cè)設(shè)備需既兼容PCM體制遙測(cè)接收設(shè)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(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM處理器和集成收發(fā)器的遙測(cè)通信設(shè)備，可采集彈上多路模擬信號(hào)和數(shù)字總線數(shù)據(jù)，具有一體化集成度高、體積小、重量輕的特點(diǎn)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)要求

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

1.2系統(tǒng)原理

根據(jù)測(cè)試需求，遙測(cè)通信設(shè)備組成框圖如下頁圖1所示。根據(jù)配置參數(shù)的不同，遙測(cè)通信設(shè)備可配置為無線遙測(cè)模式或者無線通信模式。當(dāng)配置為無線遙測(cè)模式時(shí)，ARM處理器作為主控制芯片控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬通道切換和模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)接收RS485數(shù)字信號(hào)，將模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字量混合編碼形成遙測(cè)幀，然后轉(zhuǎn)化為串行PCM碼流傳輸至集成收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，通過模擬上變頻器變頻到S頻段輸出至遙測(cè)天線；當(dāng)配置為無線通信模式時(shí)，可接收外部無線配置信息、參數(shù)設(shè)置或者信息回傳等指令，通過命令解析做出相應(yīng)的處理，通過該模式實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的分時(shí)操作。ARM處理器分時(shí)切換射頻開關(guān)，實(shí)現(xiàn)無線通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，接收信號(hào)經(jīng)過濾波和變頻后輸出至集成收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，解調(diào)后送至ARM處理器完成數(shù)據(jù)處理形成應(yīng)答幀，并將應(yīng)答數(shù)據(jù)幀經(jīng)集成收發(fā)器調(diào)制后發(fā)送出去。

2設(shè)計(jì)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(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器（共16個(gè)通道）、3個(gè)SPI和3個(gè)12位的ADC等。ARM處理器控制ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，接收USART串口數(shù)據(jù)，并完成基帶數(shù)據(jù)生成，并將PCM信號(hào)輸出至集成收發(fā)器。操作固態(tài)存儲(chǔ)器保存配置信息，防止斷電后信息丟失。集成收發(fā)器選用SiliconLaboratories公司生產(chǎn)的SI4463，這是一款高度集成的無線ISM頻段收發(fā)芯片，頻率范圍為119～1050MHz，有極低的接收靈敏度（-126dBm），業(yè)界領(lǐng)先的+20dBm的輸出功率保證擴(kuò)大范圍和提高鏈路性能。具有FSK、GFSK和OOK的調(diào)制模式，4線SPI配置接口。可配置為Packet模式，前同步信號(hào)檢測(cè)，64字節(jié)收發(fā)數(shù)據(jù)寄存器（FIFO），方便數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，同時(shí)也可以配置為DirectTx模式。

2.3電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊的傳導(dǎo)性電磁干擾是產(chǎn)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(chǎn)品EMC指標(biāo)已成為系統(tǒng)電子設(shè)備的一個(gè)重要的性能參數(shù)[5]。遙測(cè)通信設(shè)備采用外部28V供電，采用隔離DC-DC可實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)

2.4.1設(shè)備工作流程上電后，首先讀取固態(tài)存儲(chǔ)器配置參數(shù)，依據(jù)配置參數(shù)初始化各外設(shè)（包括UART、ADC、ADF4351等）和設(shè)置工作參數(shù)（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(dòng)定時(shí)器定時(shí)通信窗口期時(shí)長(zhǎng)等待接收外部無線通信指令，若收到無線通信指令，則進(jìn)入無線通信模式，作為無線通信設(shè)備使用；若在通信窗口期內(nèi)沒有接收到外部發(fā)送的無線通訊指令，則配置為無線遙測(cè)模式（DirectTx模式）。設(shè)備工作流程圖如圖3所示。2.4.2信號(hào)采集編碼混合編碼程序在ARM處理器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，主要由模擬信號(hào)采集模塊、數(shù)字量接收模塊、混合編碼模塊組成，模擬量和數(shù)字量緩存由ARM處理器內(nèi)部的RAM構(gòu)成。遙測(cè)幀采用反碼副幀格式，幀內(nèi)包括模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字量數(shù)據(jù)、同步字和標(biāo)識(shí)字等部分，接收后數(shù)據(jù)依據(jù)幀格式分離數(shù)據(jù)和回放顯示。2.4.3無線通信模式（Packet模式）集成收發(fā)器芯片內(nèi)部集成兩個(gè)64字節(jié)FIFO用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。發(fā)送時(shí)，當(dāng)發(fā)送FIFO中數(shù)據(jù)量達(dá)到設(shè)置閾值時(shí)，集成收發(fā)器進(jìn)入發(fā)射模式發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)，發(fā)送完數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)為預(yù)備狀態(tài)。接收時(shí)，當(dāng)接收FIFO達(dá)到設(shè)置閾值時(shí)，將通過nIRQ引腳產(chǎn)生一個(gè)中斷，ARM處理器從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。Packet模式的包配置靈活，包含網(wǎng)絡(luò)通信的通用字段（如引導(dǎo)碼、同步字、發(fā)送頭、包長(zhǎng)和CRC等），用戶僅需要將實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)填充至數(shù)據(jù)區(qū)，如下頁圖4所示。當(dāng)設(shè)備配置為無線通信模式（Packet模式）時(shí)，根據(jù)要求實(shí)時(shí)采集模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，并更新數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。ARM處理器設(shè)置射頻開關(guān)將設(shè)備配置為接收狀態(tài)，等待接收外部無線通信指令，通過命令解析做出相應(yīng)的處理，從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)形成應(yīng)答幀。ARM處理器設(shè)置射頻開關(guān)將設(shè)備配置為發(fā)送狀態(tài)，將應(yīng)答幀發(fā)送出去。發(fā)送完成后，設(shè)備配置為接收狀態(tài)，等待下一條指令。2.4.4無線遙測(cè)模式（DirectTx模式）PCM碼流是在時(shí)序控制下產(chǎn)生的基于某種特定幀格式的一組串行數(shù)據(jù)流，設(shè)備采用SI4463的DirectTx模式來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)待發(fā)送的數(shù)據(jù)包比64字節(jié)的FIFO更大時(shí)，將不再適合使用FIFO發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，DirectTx模式完全繞開FIFO而采用從芯片的一個(gè)引腳輸入數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)制。ARM處理器首先根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置數(shù)據(jù)速率（Rb）、頻率偏差（FD）、濾波器帶寬（BW）和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鐘源，并配置相應(yīng)的寄存器。STM32SPI配置為DMA雙Buffer從模式，接收SI4463發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)鐘，發(fā)送數(shù)據(jù)至SI4463，保證發(fā)送PCM數(shù)據(jù)的連續(xù)性。信號(hào)采集編碼模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)DMA發(fā)送情況，并將新的數(shù)據(jù)填充至DMABuffer中。SI4463接收到數(shù)據(jù)后，按照設(shè)置參數(shù)調(diào)制，并實(shí)時(shí)發(fā)送出去。

3試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)備配置為無線通信模式，數(shù)據(jù)交互正常。遙測(cè)通信設(shè)備配置為無線遙測(cè)模式，通過遙測(cè)地面站接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，從遙測(cè)數(shù)據(jù)幀中分離接收的數(shù)字量與數(shù)據(jù)源格式一致?；胤胚b測(cè)數(shù)據(jù)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(hào)還原顯示如圖5所示。

4結(jié)論

該遙測(cè)通信設(shè)備采用ARM處理器和集成收發(fā)器架構(gòu)，同時(shí)采集多路模擬量和數(shù)字量，通過外部命令可配置無線遙測(cè)和無線通信模式，工作模式靈活，設(shè)備體積小，具有成本低的特點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠滿足遙測(cè)需求。

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作者：那凱鵬 裴俊杰 劉國(guó)忠 單位：山西科泰航天防務(wù)技術(shù)股份有限公司