【毕业学位论文】(Word原稿)数据采集与传输系统-控制理论与控制工程

44 数据采集与传输系统 摘 要 该数据采集与传输系统以 89 89核心，由数据采集模块、调制解调模块、模拟信道、测试码发生器、噪声模拟器、结果显示模块等构成。 在本方案中仅使用通用元器件就较好的实现了题目要求的各项指标。 其中调制解调模块、噪声模拟器 分别 采用 单片机和 可编程逻辑器件实现。本数据采集与传输系统既可对 8 路数据进行轮检，也可设置为对一路数据单独监控。本系统硬件设计应用了 件设计采用了模块化的编程方法。 传输码元速率为 168二进制数据流 。 另外，还使用 了 “ 1”：“ 01”、“ 0”：“ 10”的 码方法使数据流的数据位减少 ,从而提高传输速率。 45 一、方案设计与论证 首先，我们分析一下信道与信噪比情况。本题中码元传输速率为16k 波特，而信号被限定在 30k 50范围内，属于典型的窄带高速率数字通信。而信噪比情况相对较好。这是因为信号带宽仅为20噪声 近似 为 0 431 45% 的 窄带 白噪声 ， 这样 即使在信号和噪声幅度比值为 1： 1 的情况下，带内的噪声功率仍然比较小 ， 所以 系 统具有较高的 信噪比。 方案一： 常用的数字调制系统有 ： 。其中 有较强的抗干扰能力，但其要求的 的带宽 最 宽， 频带利用率最低，所以首先排除。 论上 虽然可行，但 在本题目中， 由于一个码元内只包括约两个周期的载波，所以 采用 包络检波法 难以解调 ， 也不可行。另外，对于本题目，还可以考虑采用基带编码的方法进行传输，如，但这种编码方法其抗干扰能力较差，因此也不太适合。 方案 二 ： 制方式具有较强的抗干扰能力，同时其调制带宽相对也比 46 较窄，因此我们 考虑 采用这种 调制 方式。 为了简化系统，在实际实现时， 我们采用 了 方波作为载波的 制 方式。 当要求的数据传输速率较低（ 24， 对原始数据处理的方法如下： “ 1”用“ 1010”（ 0 相位两个周期的方波）表示； “ 0”用“ 0101”（相位两个周期的方波）表示。 上述调制方法能传输的最大码元速率为 24当要求的数据传输速率 大于 24，对原始数据处理的方法如下： “ 1”用“ 10”（ 0 相位 一 个周期的方波）表示； “ 0”用“ 01”（相位 一 个周期的方波）表示。 同时我们 为了避免 制方式复杂的载波提取 电路的设计 ，在具体设计时采用了异步传输和软件解调相结合的解调方法，即：首先利用异步传输 的起始位，确定数据的初始相位，避免了 调时相位的随机性；然后利用 简单的软件判决 进行 数据的 解调 。 这样做有以下优点： 1、只使用两个电平，有足够的定位信息，直流漂移 较小 。 2、信号频谱的主要部分在 30k 50通带范围内，利于传输。 3、实现 方法简单，避免了 调时复杂的 载波提取和位同步提取电路。 4、 在数据速率较低时，系统 具有一定的纠错能力。例如当收到 1110时可判为 1（ 1010），当收到 0111 时可判为 0（ 0101） 。 本系统通过软件加入了自动纠错，能纠正码距为 1 的误码。 47 5、系统具有比较宽的数据传输范围： 1648然在高端和低端 传输速率 时，已调信号的带宽已超出了 信道的 3宽的范围，但由于已调信号的大部分能量仍然在信道的带宽范围之内，而信道噪声又比较小，所以对于正确解调影响不大。 在具体实现上采用单片机完成调制与解调，通信采用单片机间的串行通信来完成。这样做的好处是： 1、采用单片机串口通信，便于同步，定位方便。 2、单片机本身对于串行信号具有多次抽判的功能。 3、单片机可对接收到的 1010 四位序 列进行软件判决，提高系统的抗噪性能。 4、系统可升级性好，可以根据需要，进行纠错编码。当信道条件改变时也能较快适应。 系统原理框图 如下 图 统原理框图 8路被测电压A / 码发 生 器噪 声模 拟发 生 器3 0 K H z - 5 0 K H 信 道 滤 波 器解调器采集结果显示发 送 端 接 收 端V sV S 2 48 二 、系统实现及理论分析 1 带通滤波器模块 带通滤波器 N 阶全极点传递函数近似式如上式，可看出带通滤波器的传递函数是由低通滤波器的传递函数变换而来的。四阶带通滤波器可由低通滤波器和高通滤波器级连而成，因此可以把一个截止频率为 300用切比雪夫型高低通滤波器级联 ， 经计算 中心频率约为40 切比雪夫型低通滤波器其幅频公式如下： 122() 1 ( / ) e 和 常数 阶切比雪夫型多项表达式， 将低通滤波器传递函数的 s 换为 1/s 即可得到 高通滤波器的传递函数 。 滤波器采用归一化设计，求出归一化系数后查表得到所需阻容参数。 为此我们用 写了一个滤波器快速设计软件 ，只要填入频率值和 所选电容值就可得出其他电路参数。 220021 ()11 1 0n b S b S b 49 图 波器设计软件界面 该软件是根据 美 源滤波器快速实用设计一书设计的。 首先将输入的截止频率 电容 c 的值代入式子： 100cK 算出参数 K，然后查该书相应的阻值表得到各电阻在 K=1 时的阻值，将该阻值乘以 K 即得到所设计电路中各电阻的阻值。以上计算过程和所用到的参数、表格和电路形式都已设计在程序里，由程序自滤波器快速设计 50 动完成，因此使用时只需选择要设计的电路形式和该电路所需的必要参数即可立刻得到该电路各元件的值，可十分方便快速地设计出所需的各种滤波器。 最后设计出的带通滤波器如 下 （ 图 。 图 通过 拟得到的频谱响应如下 （ 图 ： 51 图 2数据采集模块： 数据采集模块数据采集系统如 （ 图 ，采用 数转换器及 89制数据采集。 8 位 8 输入通道的 换器 ， 满足题目所提出的要求 。 由单片机控制进行轮询采集或是指定通道采集。 52 图 3调制解调模块 按据前述对 题目的要求 的分析和各方案比较 ，我们最终决定 采用方载波的 制方法实现。 具体实现方法 是直接利用软件进行调制，然后通过异步方式进行传输。 解调时利用异步传输的特点 ，根据起始位确定已调信号的初始相位，并通过软件判决进行 解调。具体实现方法如下： 首先， 对要传输的数据进行数字 制，然后把调制后的数据作为 异步传输的数据，通过单片 机的串行口进行 异步 传输 ， 即为其再增加异步传输的起始位 、校验位 和停止位。在接收端 ， 首先对接收 53 到的信号进行整形，并 利用单片机的串行口 对调制信号 作为异步 传输的数据 进行接收，然后利用软件判决的方法 对接收到的数据 进行 样就避免了 调时复杂的载波提 取和同步提取电路的设计 ，同时得到较好的接收性能。 在本次设计中，我们采用了 晶体，这是一种在通信中常用的晶体，可方便的分频出 1624328传输时钟。 数据传输的码元速率不大于 24： “ 1”用“ 1010”（ 0 相位两个周期的方波）表示， “ 0”用“ 0101”（相位两个周期的方波）表示。 另外，为了防止单片机的停止位产生富含低频分量的较长连续“ 1”，通过信道传输前先将单片机串口输出的码序列取非 。 具体调制结果示 例如 下 ： 起始 位 数据 止位 原信号 0 0000 1111* X 1. 编码取非后(4 字节 ) 1 1010 1010 X 0. 1 1010 1010 X 0 . 1 0101 0101 X 0 . 1 0101 0101 X 0 . *：设数据为“ 00001111”。 这样可以保证数据流中没有三个连续“ 1”，也没有 ”11”与 ”00”连在一 54 起的情况。这样，使用 96波特率传输时，调制信号的频谱分量大部分集中分布在 32 48间 ,这样便可在题目所要求的信道中传输码元速率 不大于 24数据信息（由于带宽很窄，可不考虑谐波分量）。对于它的解调，接收到信号后取非再用单片机译码即可实现，同时由于编码的特点，还可纠正传输中码距为 1 的误码，如单片机收到 1101(已取非还原 )的数据时可判原信号为 0。 当数据传输的码元速率较高 (24，编码自动调整为“ 1”用“ 10”（ 0 相位一个周期的方波）表示，“ 0”用“ 01”（相位一个周期的方波）表示的 制方法，使每一码元编码后对应的二进制数据位减少 ,在相同的时间内传输更多的码元，从而提高码元传输速率，达到扩展功能中提高传 输速率的要求。由于编码位数减少一半，因此使用 96波特率传输时，理论上可达到 48码元传输速率。 另外，由于调制部分和解调部分的输入波特率与输出波特率均不同（调制部分输入波特率为 1648出波特率为 96解调部分输入波特率为 96出波特率为 1648，而且在一片单片机上同时实现数据的收发也 较 困难，因此调制部分 与解调部分 均 采用 了 两片 89分别管理数据的输入与输出 ，以减轻每一片单片机的负担。这两片单片机之间通过并口 实时 传输数据 ，具体电路原理图见 (图 55 图 在串口加入了一个衰减器使输出电压可以在 0范围内连续 变化。 输入口使用 较器构成电平判决电路 。该 电路如 (图 图 平判决电路原理图 56 4采集结果显示模块 在此模块中，我们采用了 图形点阵式液晶显示器， 它的分辨率为 128 16。这样我们可以利用自制的字模生成软件编制易懂的中文 分级 菜单界面 ，人机交互性较好。 电路原理图见附录总图。 三 、其它功能的实现 1 噪声模拟发生器： 通常产生伪随机序列的电路为一反馈移位寄存器。一般的，线性反馈移位寄存器由于理论比较成熟，实现比较简单，实际中常常使用。由线性反馈移位寄存器产生出的最长的二进制数字序列成为最大长度线性反馈移位寄存器序列，通常简称为 m 序列。 图示为一般的线性反馈移位寄存器的组成： a n - 2a n - 1 a 1 a 0+ + +c 1 c 2 c n - 1c 0 = 1 . . . . . . . . . . . . 则表示此线断开， 则表示接通。 由于 n 级移位寄存器共有 2n 个可能的不同状态，除全 0 外，只剩 2n 57 个，那末，任何 n 级线性反馈移位寄存器产生的序列的周期最长为2n 设 n 级移位寄存器的初始状态为：12. na a a ，经过一次移位后，状态变为 0 2 - 1. na a a a 。经过 n 此移位后，状态为 0.a a a。再位移一次时，移位寄存器 左端新得到的输入 1 1 2 2 0 1. . . 2n n ia c a c a c a c a （ 模 ）。 故对任意状态：1k c a 。 令 20 1 20( ) . . . x c c x c x c x c x 这一方程即为特征方程（或特征多项式）。 由此可以得出 3 7( ) 1f x x x 的线性反馈移位寄存器。 当各级触发器均处于 0 状态时，电路就停止产生序列信号，即产生 了阻塞现象。这是由于序列发生器在 0 状态下不具有自启动特性，所以需要在反馈中增加一个防止全 0 的修正项，即得到如下图所示的序列发生电路。 在输出口加入了一个衰减器使输出电压可以在 0围内连续变化。 （衰减器电路图请见调制解调器电路图） 58 图 随机序列发生电路原理图 方案 一 采用 普通数字 逻辑 单元 器件产生，此方案 所需 器件多 ， 结构 复杂 。 方案二 我们利用 司的大规模可编程逻辑器件 持在系统可编程（ 能，由强大的 计软件 I 支持，编程 、修改、 调试十分方便。 采用 7128 产生伪随 机 序列满足方程3 7( ) 1f x x x ，此方案简单 易行 ，只需把编译好的文件下载到可编程器件中即可。而且可以仿真，在编译好文件后就可以看出自己的设计是否正确。 伪 随机 序列实现如 下 图 图 随机序列电路仿真结果 2 测试码发生器 测试码发生器 方案一：采用数字逻辑电路。由带预置的并入串出移位寄存器、移位 59 时钟等构成。 这样构成复杂，且时延 制较难。 方案二：采用单片机做 测试 码发生器可 输 出多种码型并且可以通过示出码 元速 率 和码型 ， 功能强大、 使用灵活 ， 我们采取 这种方案 。 测试码采用 89片机生成，通过键盘输入发送的测试码和发送的信息速率 ,同时用 示。设置完成后 ,单片机就会由串口不停输出测试码。其电路图如下， 动采用 司生产的 动器。该芯片 只需要三根控制 /数据 线，采用 串行 移位方式输入数据，可十分方便地控制 图 路原理图 60 3噪声加法电路 如果基带传输系统中 无码间干扰又无噪声， 则 连接在接收端的 判决电路 就能无 误码 地恢 复 出 调制器 发送的 已调 信号 。 但存在噪声时 ，便 难 保证无 误码。 我们采用一款由运算放大器构成的加法电路。其中信号的放大倍数为 1，噪声的放大倍数为 3 档，分别是 1， 1/3， 1/5。 加法电路如 （ 图 图 4简易误码率测试仪及网络时延测试仪 这种误码测试仪仍然由单片机构成。原理图如下，首先将被测系统串联接入单片机的串口，单片机将预先设定的码型经由串行口发送至被测系统，同时开始计时，再利用双工串口接收，并与原码型比较，计算出待测系统的误码率，同时计算出网络时延。这样与常规构成方式相比 具有码型可变、时延可自适应等优点。具体实现方法可参考后 61 面软件流程图部分的 相应图表（ 图 待 测 网 络 单 片 机 系 统测 试 序 列反 馈 序 列 图 码及网络时延测试仪原理框图 5信道数据的纠错编码 为了降低误码率，我们还在程序中加入了前向纠错码。前向纠错码使 接收端不仅能在收到的信码中发现有错码，还能够纠正错码。对于二进制系统，如果能够确定错码的位置，就能够纠正它。这种方法不需要反向信道（传递重发指令），也不存在由于反复重发而延误时间，实时性好。 而且使用单片机软件可以较简单的实现。在本系统中，由于信道特性，不存在突发干扰，所以仅使用编码和 解码都不太复杂的 循环码就可收到较好效果。 循环码的码组由两部分构成：信息位和监督位。信息位用来传递本码组的有用信息，而监督位用来对本码组的码元进行差错监督。 7,4码虽然只能纠一位随机错码，可是比起能纠多位错码的 有编码解码简单、易于用单片机实现的特点。 62 如果生成矩阵为： G(x)= 那么，整个码组可以由信息位生成： G(x) 。 其实我们在进行编码时可以根据矩阵乘法编制算法。 G(x)可以看作是 5H 7H 6H (其中 “ ” 指异或，或者模 2加 ) 用高级语言描述算法（假设编码后的数据存于变量 A）： A:=0; IF :=A 5H; IF :=A 7H; IF :=A 6H; IF :=A 根据 G(x)，不难求得监督矩阵 H(x): 63 H 矩阵的转置为： 校正子 S RH ，即有 S 而得到 S 的值 5、 7、 6、 3、 4、 2、 1 分别对应 于 3、 有错，接收到的 0H、 20H、 10H、08H、 04H、 02H、 01H，即可得到正确的发送码组。如果 ，则说明无误码。 64 四软件流程图 数 据 采 集 主 程 序初 始 化读 按 键循 环 采 集 ?通 道 号 加 1 模 8停 止 采 集 ?对 通 道 号 所 指 的 通 道 采 样调 用 发 送 数 据 程 序其 它 键 为 单 次 采 集置 通 道 号 为 相 应 序 号据采集主程序 发 送 程 序置 T B 8 准 备 发 送 通 道 号通 过 串 口 发 送 通 道 号清 T B 8 准 备 发 送 该 通 道 数 据通 过 串 口 发 送 数 据返 回通 道 号 分 拆 成 高 低 字 节 乘 以 G ( x ) 生 成 循 环 码数 据 分 拆 成 高 低 字 节 乘 以 G ( x ) 生 成 循 环 码图 据采集中的发送程序 65 数 据 显 示 主 程 序初 始 化显 示 主 菜 单 等 待 选 择显 示 测 试 码 ? 循 环 显 示 ? 显 示 通 道 0 ?从 测 试 码 数 据 单 元 读 值并 显 示有 取 消 键 ?显 示 通 道 号 及 该 通 道 数 据延 时 约 1 秒有 取 消 键 ?显 示 通 道 0 数 据显 示 通 道 1 ? 显 示 通 道 1 数 据显 示 通 道 2 ? 显 示 通 道 2 数 据显 示 通 道 3 ? 显 示 通 道 3 数 据显 示 通 道 4 ? 显 示 通 道 4 数 据显 示 通 道 5 ? 显 示 通 道 5 数 据显 示 通 道 6 ? 显 示 通 道 6 数 据显 示 通 道 7 ? 显 示 通 道 7 数 据通 道 号 加 1 模 8N 误 码 率 测 试 ? 测 试 误 码 和 时 延据显示主程序 66 串 口 中 断现 场 保 护清 R 帧 中 通 道 号 更 新 相 应通 道 的 数 据 以 供 显 示现 场 恢 复中 断 返 回接 收 完 一 帧 ?数 据 放 入 帧 缓 冲 区若 出 错 则 重 新 接 收 此 帧帧 计 数 器 加 1帧 计 数 器 清 0对 帧 中 的 数 据 进 行 纠 错 处 理N 据显示中的串口接收程序 67 误 码 率 测 试 调 用查 m 序 列 表 得 到 要 送 出 的 测试 码 型从 串 口 发 送 该 码 型 , 同 时 启动 定 时 器超 时 ?误 码 率 设 为 最 大 值时 延 设 为 最 大 值接 收 码 与 原 码 异 或计 算 误 码 数 量等 待 串 口计 算 误 码 率 和 时 延关 闭 定 时 器显 示 误 码 率 和 时 延返 回据显示中的误码与时延测试程序 68 编 码 调 制 程 序初 始 化以 1 6 k 或 所 设 置 的 的 波 特 率 读入 欲 传 输 的 数 据将 输 入 数 据 按 如 下 编 码 规 则编 码 , 生 成 1 B 4 B 码1 - 1 0 1 00 - 0 1 0 1将 第 9 位 T B 8 也 按 相 同 规 则 编码 , 生 成 的 4 位 信 息 依 次 插 入到 刚 生 成 的 四 字 节 之 尾以 9 6 k 的 波 特 率 发 送 同 步 头0 1 1 0 1 0 0 1 ( 6 9 H )以 9 6 k 的 波 特 率 发 送 已 编 好 的四 字 节 编 码 数 据等 待 发 送 完 毕译 码 解 调 程 序初 始 化以 9 6 k 的 波 特 率 读 入 一 字 节 编码 数 据为 同 步 头 ? 已