小型遥测通信设备设计探讨

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摘要：设计了一种基于ARM处理器和集成收发器架构的遥测通信设备，用于采集多路模拟信号和数字信号。不同的应用场景通过修改配置参数，设备工作模式可在无线遥测模式或者无线通信模式之间灵活切换；具有集成度高、体积小、质量轻和成本低的特点。该遥测通信设备经过试验验证，结果表明该遥测通信设备性能可靠、可以满足遥测需求。

关键词：遥测设备；通信设备；小型化

PCM遥测系统因其系统实现简易、性能良好，担任遥测系统的主力。在遥测系统中配置有大量PCM体制遥测接收设备[1-2]。当加装的遥测设备较少时，可以采用分频遥测模式，使用PCM体制遥测接收设备进行数据接收；当加装的遥测设备较多时，考虑通道带宽和三阶交调等因素的影响，只能采用同频分时的遥测模式。尽管以FPGA器件和数字变频技术为代表的软件遥测设备具备集成度高、可在线重构、开发周期短的优点[3-4]，但这种遥测系统会增加系统在设计和批抽检过程中的成本。针对该需求遥测设备需既兼容PCM体制遥测接收设备，又具备无线半工通信功能，且兼具小型化和低成本的特点。本文设计了一种基于ARM处理器和集成收发器的遥测通信设备，可采集弹上多路模拟信号和数字总线数据，具有一体化集成度高、体积小、重量轻的特点。

1系统总体设计

1.1设计要求

遥测通信设备主要技术要求：无线电频段为S频段，采用PCM/GFSK遥测传输体制或者无线半工通信模式；供电范围18～32V。

1.2系统原理

根据测试需求，遥测通信设备组成框图如下页图1所示。根据配置参数的不同，遥测通信设备可配置为无线遥测模式或者无线通信模式。当配置为无线遥测模式时，ARM处理器作为主控制芯片控制模数转换器进行模拟通道切换和模数转换，同时接收RS485数字信号，将模拟数据和数字量混合编码形成遥测帧，然后转化为串行PCM码流传输至集成收发器进行信号调制，通过模拟上变频器变频到S频段输出至遥测天线；当配置为无线通信模式时，可接收外部无线配置信息、参数设置或者信息回传等指令，通过命令解析做出相应的处理，通过该模式实现多个设备的分时操作。ARM处理器分时切换射频开关，实现无线通信数据的接收和发送，接收信号经过滤波和变频后输出至集成收发器进行信号解调，解调后送至ARM处理器完成数据处理形成应答帧，并将应答数据帧经集成收发器调制后发送出去。

2设计方案

2.1主要元器件选型

ARM处理器选用ST的STM32F407ZET6，该芯片集成了FPU和DSP指令，具有192KBSRAM、1024KFLASH、12个16位定时器、2个DMA控制器（共16个通道）、3个SPI和3个12位的ADC等。ARM处理器控制ADC进行模数转换，接收USART串口数据，并完成基带数据生成，并将PCM信号输出至集成收发器。操作固态存储器保存配置信息，防止断电后信息丢失。集成收发器选用SiliconLaboratories公司生产的SI4463，这是一款高度集成的无线ISM频段收发芯片，频率范围为119～1050MHz，有极低的接收灵敏度（-126dBm），业界领先的+20dBm的输出功率保证扩大范围和提高链路性能。具有FSK、GFSK和OOK的调制模式，4线SPI配置接口。可配置为Packet模式，前同步信号检测，64字节收发数据寄存器（FIFO），方便数据包的发送和接收，同时也可以配置为DirectTx模式。

2.3电源模块设计

电源模块的传导性电磁干扰是产品的主要干扰源之一，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰源，产品EMC指标已成为系统电子设备的一个重要的性能参数[5]。遥测通信设备采用外部28V供电，采用隔离DC-DC可实现18～36V宽范围输入换为电路需要的工作电源，电源电路逻辑示意图如图2所示。

2.4软件设计

2.4.1设备工作流程上电后，首先读取固态存储器配置参数，依据配置参数初始化各外设（包括UART、ADC、ADF4351等）和设置工作参数（混频器本振频率、通信窗口期和工作模式等）。初始化完成后，配置SI4463为无线通信模式（Packet模式），并启动定时器定时通信窗口期时长等待接收外部无线通信指令，若收到无线通信指令，则进入无线通信模式，作为无线通信设备使用；若在通信窗口期内没有接收到外部发送的无线通讯指令，则配置为无线遥测模式（DirectTx模式）。设备工作流程图如图3所示。2.4.2信号采集编码混合编码程序在ARM处理器内部实现，主要由模拟信号采集模块、数字量接收模块、混合编码模块组成，模拟量和数字量缓存由ARM处理器内部的RAM构成。遥测帧采用反码副帧格式，帧内包括模拟数据、数字量数据、同步字和标识字等部分，接收后数据依据帧格式分离数据和回放显示。2.4.3无线通信模式（Packet模式）集成收发器芯片内部集成两个64字节FIFO用于发送和接收数据。发送时，当发送FIFO中数据量达到设置阈值时，集成收发器进入发射模式发送FIFO中的数据，发送完数据后转为预备状态。接收时，当接收FIFO达到设置阈值时，将通过nIRQ引脚产生一个中断，ARM处理器从FIFO中读取数据。Packet模式的包配置灵活，包含网络通信的通用字段（如引导码、同步字、发送头、包长和CRC等），用户仅需要将实际发送的数据填充至数据区，如下页图4所示。当设备配置为无线通信模式（Packet模式）时，根据要求实时采集模拟信号和数字信号，并更新数据缓冲区。ARM处理器设置射频开关将设备配置为接收状态，等待接收外部无线通信指令，通过命令解析做出相应的处理，从数据缓冲区读取数据形成应答帧。ARM处理器设置射频开关将设备配置为发送状态，将应答帧发送出去。发送完成后，设备配置为接收状态，等待下一条指令。2.4.4无线遥测模式（DirectTx模式）PCM码流是在时序控制下产生的基于某种特定帧格式的一组串行数据流，设备采用SI4463的DirectTx模式来实现。当待发送的数据包比64字节的FIFO更大时，将不再适合使用FIFO发送和接收数据，DirectTx模式完全绕开FIFO而采用从芯片的一个引脚输入数据，实现实时调制。ARM处理器首先根据实际需求设置数据速率（Rb）、频率偏差（FD）、滤波器带宽（BW）和发送数据时钟源，并配置相应的寄存器。STM32SPI配置为DMA双Buffer从模式，接收SI4463发送的数据时钟，发送数据至SI4463，保证发送PCM数据的连续性。信号采集编码模块实时检测DMA发送情况，并将新的数据填充至DMABuffer中。SI4463接收到数据后，按照设置参数调制，并实时发送出去。

3试验结果

设备配置为无线通信模式，数据交互正常。遥测通信设备配置为无线遥测模式，通过遥测地面站接收遥测数据，从遥测数据帧中分离接收的数字量与数据源格式一致。回放遥测数据帧中的模拟波道，记录的电压值与外部输入物理电压值的误差小于1%。信号还原显示如图5所示。

4结论

该遥测通信设备采用ARM处理器和集成收发器架构，同时采集多路模拟量和数字量，通过外部命令可配置无线遥测和无线通信模式，工作模式灵活，设备体积小，具有成本低的特点，经试验验证，能够满足遥测需求。

参考文献

[1]史长捷.现代欧美遥测技术发展简况[J].遥测遥控，2000，21（5）：6-11.

[2]谢铭勋.再入遥测技术（上/下册）[M].北京：国防工业出版社，1992.

[3]杨小牛,楼才义.徐小良.软件无线电原理及其应用[M].北京：北京理工大学出版社，2010：10-15.

[4]陶玉柱，胡建旺，崔佩璋.软件无线电技术综述[J].通信技术，2011，44（1）：37-39.

[5]霍利锋.一种弹载电子设备电源保护电路设计[J].电子设计工程，2018，26（10）：184-188.

作者：那凯鹏 裴俊杰 刘国忠 单位：山西科泰航天防务技术股份有限公司