一种远距离复杂电磁环境中的通信方式及应用

习喜龙 刘勇 李光磊 周岗

（1.海军工程大学电气与信息工程学院， 武汉430033；2.海军工程大学科研部，武汉430033；3.中国人民解放军海军驻九江地区军事代表室，江西 332007）

1 引言

传统的船舶控制系统中，由于复杂电磁环境的影响，一般采用自整角机对信号进行采集及发送。这种模拟信号的传输方式使其必须通过A/D与 D/A转换电路才能实现与数字控制系统的对接。A/D和D/A具有转换速度快，应用方便的特点[1]。但是在强干扰环境中，它又有数据采集不稳、易受干扰的缺点。这就有可能使计算机得到不正确或误差较大的信息和发出的信息经传送后失真。特别当模拟数据要传送较长距离时更是如此[2]。且电路设计复杂，传输距离也具有一定的限制。随着数字式传感器在现代控制系统中的广泛应用，数字信号的获取逐渐代替传统的模拟信号，这种发展方式实现了信号采集与数字电路的无缝连接。而串行通信作为控制系统中广泛应用的数据传输模式，由于在数据发送过程中频带太宽且无法人为的控制，在复杂电磁环境且传输距离非常远的情况下会出现高误码率，实时性差，同时占用非常多的资源。在实时性要求比较高的系统中无法满足要求。

频率信号具有较高的抗干扰能力，适合远距离传输，实时性好，测量精度较高等特点，因此许多非频率信号量都转化成频率信号量来进行测量和处理，在现代控制系统中得广泛的应用[3]。且在不同电磁环境下，根据通信距离的不同，需要选择合适的通信频带。这就要求传输过程中频率信号的频带范围可以根据需要人为的加以控制。同时，数据的更新速率随频带的选择改变，频率越高，更新速率更快。传统的D/F转换采取的是数字信号与频率成线性的思想。在接收端进行数字信号还原的过程中需要对频率进行测量。如果采取单位时间内测周期个数的方式，无法保证较高的实时性和准确性。且当信号持续时间不足测量的单位时间，会造成数据的丢失。

本文通过对数字信号进行处理，将采集的每一个数字信号值与一个单位周期包含特定个基准频率周期的频率信号相对应，实现数字信号与周期个数的线性和可控化。最终实现D/T转换、发送，接收及T/D转换的全过程。较数字与频率成线性的D/F转换方式，本文采用的是计算接收到的频率信号单位周期内包含的基准频率周期的个数，也就是说只需要发送过来一个完整周期的频率信号，接收端就能够准确还原数字信号。从测量一个周期与测量N个周期相比，这在实时性上具有很大的提高。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构示意图

2 数字—周期转换

数字/周期转换主要实现的是将采集的数字信号通过电路转换成单位周期包含特定个基准频率周期的频率信号进行发送。这就要求采集的数字信号与发送频率之间具有一一对应的关系。电路工作原理如图2所示。

图2 发送模块原理

通常新型数字传感器或单片机采集的信号一般为N位的二进制数，我们根据采集信号的位数选择合适的计数器芯片个数（以12位数字信号为例一般采用三片74LS163）。计数器采取并接级联方式，即所有的计数器采用同一时钟信号，前一级溢出信号作为下一级计数器的允许计数标志，这样可以充分保证最后一级计数器的溢出信号的高电平持续时间刚好为时钟的一个周期，同时应用其对所有的计数器进行同步置数。

我们将获得的数字信号置于计数器的置位端，作为起始值开始计数。当计数器计满，最高位的溢出端 RCO将产生一个基准时钟周期长度的高电平，利用其对计数器进行置位，如此一直循环。由于计数器采用同一时钟，这就保证其置位的同时性。并且置位信号只维持一个基准时钟周期，这就保证了置位操做的唯一性。同时只有在最高位的计数器计满溢出时才进行置位操作，即使在这期间预置数发生变化，本次循环依然进行直到计满溢出，避免了非完整周期的产生而造成系统误差。输出的溢出信号的波形如图3所示。

溢出端频率信号每个周期包含的基准频率的周期个数为：n=(2N-1)-P (n-包含基准频率周期个数，N-数字信号的总体位数，P-预置数数值)。当N=12时，采用6M晶振作为基准频率，则数字信号的最快更新速率为 n/(6M)=1/(6M)≈0.17μs。当然考虑到实际应用采集的数字信号数值处于0-111111111111的不同位置范围，要求的更新速率也不同。根据频段选择的不同，更新速率必须大于所选频段中最低频率单位周期的长度，即T＞tMAX=n/M=(2N-1-P)/M（T-更新速率，n-包含基准频率周期个数，F-基准时钟频率，N-数字信号位数，P-预置数数值）。总之，预置数值越大则更新速率越快，反之则更新应越慢。以给定的D0～D11=100000000000为例，则溢出端每个周期包含的基准频率周期个数n=2047，最快更新速率约为0.34 ms。

但是在实现频率信号的差分发送时，由于溢出频率信号的占空比非常小，在短距离发送试验中还可以勉强实现无故障传输，但是在远距离传输试验中，抗干扰能力非常差。因此考虑将溢出信号在周期不变的情况下进行占空比调整。调整的结果如图3所示。

图3 溢出频率信号占空比调整

由图3可见，调整后的频率信号每个周期包含两个溢出周期，这样的调整方式不但使占空比达到了 50%，同时可使精度得到提高。由于每个发送频率信号的单位周期内包含两个溢出周期，因此在复现模块中计数的数值将是一个溢出周期包含的基准周期数的两倍，即 2n。这可以起到测量多个周期然后获取平均值以达到提高精度的效果。同时发送的频率信号的频率计算公式为：f=F/2n（f-发送信号频率，F-基准频率，n-单个溢出频率周期包含基准频率周期个数）。

由此当采集的数字信号涵盖0—111111111111所有的数值，则发送的频率信号的频带则为0.732 kHz～3 MHz。当然在工程应用中可以通过软件的方式将采集的数字信号数值对应到一个相对较小的范围内，以实现对频带范围的压缩与选择。如以1000,0000,0000为中心前后各800，即1248～2848，总共1600种的情况下，其频率范围则相对非常地集中在1.05～1.6 kHz之间，频率的变化非常小，这种频率的可控性可使其应用于一些对通过频率具有严格要求的环境。

3 周期-数字转换

周期/数字转换电路的主要作用是测量接收频率信号单位周期包含基准频率周期的准确个数，最终实现对数字信号的复现。其基本的原理图如图4所示。

图4 接收模块原理

发送端根据采集信号的数值控制发送频率单位周期包含的基准频率周期个数，因此在复现模块中只需要精确地测量这个数值，就能够对数字信号进行复现。我们采用计数器对接收的频率信号一个周期时间进行计数的方式。计数器的连接方式依然采用并接级联，只是在接收端计数器不需要进行置位，需要的是在频率信号每个周期结束时，对计数器进行清零。同时为方便单片机等微处理器获取计数器的计数值，必须利用锁存电路对每个周期结束时的计数值进行锁存处理。因此这里的操作包括，首先对计数器进行停止计数操作，然后是锁存，最后才进行清零。停止计数操作的主要作用是保证锁存操作时计数器计数端的数值不发生变化，保持最后数值状态，保证锁存操作的准确性。在锁存操作完成以后才进行清零处理，不然此周期的操作将失去意义。这些操作都是控制电路通过获取接收频率信号一个周期开始时的上升沿而产生。控制信号的生成见图5。

当然锁存信号的生成同时受硬件本身和处理器的双重控制，单片机需要读取数值时，则让硬件产生锁存信号，否则不进行锁存操作。由于接收的频率信号是连续的，但为了保证控制器数据采集的准确性而在每个周期开端进行停止计数操作，这就使下一个周期计数的开始位置并不是从下降沿就开始，其中会错过几个周期。但是错过的周期个数是固定的，并且可以在硬件电路的设计时精确的设定。当然为使三种控制操作之间不相互影响，错过的周期个数应设计得更长一些。最小的间隔周期应为四个，即停止计数占两个周期，锁存占停止计数中的后一个周期，最后清零信号在占一个周期。同时为了提高测量的精度，在复现端我们选取的有源晶振的频率是发送端的两倍（如发送端采用6M，则接收端采用的是12M晶振）。这样就使计数值是原来的两倍，加上原来发送端的翻倍处理。这就是说最终复现的数值是一个溢出周期包含的发送端基准频率周期个数的四倍。当然在这样的情况下计数器的使用个数会增加，但是这样的处理就相当于连续计四个周期，然后求其平均值。将计数值右移去掉了不稳定的最低两位，起到了非常好的提高精度的效果。对应一个接收信号其相对接收端晶振的周期个数：n’=4n=N+k (n-单个溢出频率周期包含基准频率周期个数；N-接收端计数器计数值；k-错过的四个周期)。

图5 控制信号生成示意图

4 实验结果

通过搭建硬件电路，对发送模块进行测试。通过单片机定时向计数器置位端写初值，最终通过占空比调整，能够生成清晰稳定的占空比为50%的方波。然后，将产生的频率信号通过差分发送的方式通过一千米的电缆线圈传输，最终在接收端准确地接收到发送的波形。接收模块准确计数，最终复现初值。当对传输线路线缆进行强干扰实验室，计数端只有最低两位有所波动。由于采用了四个周期求平均值的方法，通过向低位右移，最低两位的变化不影响最终的接受结果，取得预期的实验效果。

Quartus软件仿真结果:

发送端预置数为 100000000000时生成的方波频率信号，如图6所示。

接收端接收到频率分别为500 Hz和1 kHz时计数仿真，仿真结果如图7所示。

图6 12位发送端预置10000000000时输出的方波频率信号

图7 接收端不同频率下计数器输出

由此可见，每个接收信号周期都有四个时钟周期计数器没有计数，这正是生成停止计数，锁存与清零等锁存信号时所占用的四个周期，虽然这会使每个计数值相对接收信号对应时钟信号的周期个数不准确，但这是硬件设计产生，而且固定相差4。因此，可以在接收端软件上进行精确的补偿。

电路设计硬件封装以后的发送模块及接受模块如图8所示。

图8 发送与接收模块

5 实验结论

针对现代船舶控制系统中数字信号采集及发送，设计了全新的数字/频率发送及接收电路，实现数字系统的直接频率信号输出，有效地避免了传统频率输出系统由于的非整周期刷新而造成的系统误差，同时由于采用了数字与发送频率信号单个周期包含基准周期个数成线性的转换方式，使传输频率大小可控，接收端不再需要测量频率大小，而只测量其中一个周期包含基准频率周期的个数。这大大加快了测量的速度和效率，提高了系统的实时性。同时由于采用频率的传输方式，有效地提高了信号在远距离，强噪声干扰环境下的抗干扰能力。为数字系统的频率输出与接收还原提供了一个完整的解决方案。此系统设计已经在船舶控制系统中得到了大量的应用，实时性与抗干扰性方面得到了验证并取得了很好的效果。

[1]刘孝定. 数字/频率、频率/数字转换电路的应用[J].舰船电子对抗,2004 ,27 (3):20～23

[2]郑德智, 樊尚春, 邢维巍. 新型数字-频率变换在科氏质量流量计中的应用[J]. 北京航空航天大学学报,2006 ,32(1).

[3]马献果, 焦阳. 频率测量方法的改进[J]. 仪器仪表学报, 2004 ,25 (4):120～121.

[4]谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学: 232～246.

[5]Zheng Dezhi, Fan Shangchun. A Novel Digital Coriolis Mass Flowmeter[A]. In The 12th International Conference on Flow Measurement,Beijing Chinese Society for Measurement Press,204 455～460

[6]Prasad N Enjeti , Ashek Rahman, Ranjit Jakkli.Economic Single-phase to Three Phase Converter Topologies for Fixed and Variable Frequency Output[J]. Transaction Power Electronics, 1993 , 8(3)329～335.