基于AT89LV51控制的DBPL編碼信號(hào)的信號(hào)源系統(tǒng)

引言

　　DBPL（Differential BiPhase 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(cè)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(hào)給列車車載處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行的控制。

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

1　信號(hào)源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　該信號(hào)源由時(shí)鐘復(fù)位模塊、DBPL信號(hào)產(chǎn)生電路、DCDC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(hào)；充電管理電路對(duì)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(hào)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　信號(hào)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.1　DBPL信號(hào)產(chǎn)生電路

　　本設(shè)計(jì)中，DBPL信號(hào)[2]由作為能量載波的正弦波與脈沖編碼信號(hào)合成。脈沖編碼信號(hào)采用DBPL編碼，平均傳輸速率為564.48 kb/s；能量載波為正弦波，信號(hào)頻率為8.82 kHz。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(hào)產(chǎn)生電路原理圖如圖2所示。

圖2　DBPL信號(hào)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(jì)數(shù)器74163，計(jì)數(shù)器74163采用模8計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿8個(gè)數(shù)時(shí)，清零計(jì)數(shù)器，重新開始計(jì)數(shù)；計(jì)數(shù)期間，8位并行數(shù)據(jù)按照時(shí)鐘節(jié)拍輸出。2分頻及64分頻采用計(jì)數(shù)器74163實(shí)現(xiàn)。微分電路采用D觸發(fā)器及門電路實(shí)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(shí)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564.48 kHz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(hào)。假設(shè)單片機(jī)輸入并行數(shù)據(jù)為11010011，則圖2中各點(diǎn)的波形如圖3所示。

圖3　原碼為11010011時(shí)各點(diǎn)波形

1.2　充電管理電路

　　出于對(duì)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(duì)系統(tǒng)供電，每節(jié)電池的電壓為1.2 V；同時(shí)，采用Maxim公司的電池管理芯片MAX713CPE對(duì)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(duì)電源模塊進(jìn)行控制和檢測(cè)。

　　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(diǎn)[3]：
◆ 電池?cái)?shù)量、充電時(shí)間以及電流大小可調(diào)；
◆ 零點(diǎn)電壓斜率檢測(cè)，對(duì)電池進(jìn)行快速、涓流充電；
◆ 電池不充電時(shí)，芯片消耗最大電流僅為5 μA；
◆ 所需外圍電路少，僅需一個(gè)PNP引腳便可實(shí)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(jì)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(shí)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(shí)間（33～264 min），本設(shè)計(jì)中設(shè)為120 min。

　　本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)電池電量的檢測(cè)，在圖4中通過放大器OP07EP檢測(cè)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7.2 V，充滿狀態(tài)下可達(dá)到7.4~7.6 V。單片機(jī)所用電壓為3.3 V，DBPL信號(hào)產(chǎn)生電路所需的電壓為5 V，這就需要DCDC轉(zhuǎn)換電路將7.2 V的額定電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V。采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換：第一級(jí)將7.2 V電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生5 V電壓供給DBPL信號(hào)產(chǎn)生電路，第二級(jí)將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V供給單片機(jī)。系統(tǒng)采用SPX1117（SPX11175和SPX11173.3）作為DCDC轉(zhuǎn)換電路中的穩(wěn)壓芯片[5]。該芯片的特點(diǎn)是低壓差，0.8 A時(shí)壓差僅為1.1 V，且電壓可選(為5 V及33 V)。DCDC轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5　DCDC轉(zhuǎn)換電路

2　測(cè)試結(jié)果

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，輸入信號(hào)能夠通過單片機(jī)編程得到很好的控制，信號(hào)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(cè)試、項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)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(hào)傳輸速率為指定的564.48 kb/s。電源管理電路能夠有效地對(duì)電池進(jìn)行管理，充電時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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。