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      單片機(jī)控制的DBPL編碼信號源系統(tǒng)設(shè)計

      2012-06-25 02:45:48官楓林習(xí)友寶
      關(guān)鍵詞:信號源編碼單片機(jī)

      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).

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