数据采集与传输系统

第5节 电子综合设计范例4----数据采集与传输系统

一、设计任务与要求

1、设计任务

设计制作一个用于8路模拟信号采集与单向传输系统。系统方框图参见下图。

2、设计要求

求

8路0-5V 分别可调的直流电压。系统具有在发送端设定8路顺序循环采集与器。

Hz 的带通滤波器(带外衰减优于35 dB/十倍频程)作为模拟信道。 压值。

个用伪随机码形成的噪声模拟发生器，伪随机码时钟频率为96 kHz ，周期为在解调器输入他(如自制用来定量测量系统误码的简易误码率测试仪，其方框图见下图，等等)。

⑴ 基本要 ① 被测电压为指定某一路采集的功能。

② 采用8位A/D 变换 ③ 采用3 dB 带宽为30～50 k ④ 调制器输出的信号峰-峰值Vsp －p 为0～1 V 可变，码元速率16 kbps ；制作一个时钟频率可变的测试码发生器(如0101…码等)，用于测试传输速率。

⑤ 在接收端具有显示功能，要求显示被测路数和被测电 ⑵ 发挥部分

① 设计制作一127位码元，生成多项式采f(x)=x 7+x 3+1。其输出峰-峰值V np-p 为0～l v 连续可调。

② 设计一个加法电路，将调制器输出V sp-p 与噪声电压V np-p 相加送入模拟信道。

端测量信号与噪声峰-峰值之比(V sp-p /V np-p )，当其比值分别为1、3、5时，进行误码测试。测试方法：在8路顺序循环采集模式下，监视某一路的显示，检查接收数据的误码情况，监视时间为l min 。 ③ 在(V sp-p /V np-p )=3时，尽量提高传输速率，用上述第(2)项的测试方法，检查接收数据的误码情况。

④ 其

二、方案设计与论证

首先，分析一下信道与信噪比情况。本题中码元传输速率为16kbps，而信号被限定在30～50kHz的范围内，属于典型的窄带高速率数字通信。基带信号的带宽为B m=16 kHz，经调制后能量主要分布在2B m=32 kHz的频带内(功率谱密度的主瓣)，而噪声近似为0～43 kHz×((1/T s)×45％)的窄带白噪声，因此经过带宽仅为20 kHz的信道后信号与噪声的能量损失比较大，而且两者大致相当。根据香农公式C＝Blog2(1+S/N)知，信号和噪声幅度比值为3:1时，信噪比约为9，信道传输信息的极限能力约为66.5 kbit/s；幅度比值为1:1时，传输极限能力约为40 kbit/s。

方案一：常用的数字调制系统有：ASK、FSK、PSK等。其中FSK具有较强的抗干扰能力，但其要求的带宽最宽，频带利用率最低，所以首先排除。ASK理论上虽然可行，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。PSK调制方式具有较强的抗干扰能力，同时其调制带宽相对也比较窄，但其调制及解调设备比较复杂，制作和调试都比较困难。特别是由于本题中载波的频率非常低，几乎可与基带信号相比拟，一个码元内只包括约两个周期的载波，载波的提取和跟踪非常困难，因此解调设备的制作和调试也会比较困难，短时间内很难完成调试。

方案二：根据题目的特点，由于信道的频带比较窄，我们考虑对基带信号进行适当的基带编码处理后使它的频率变换到信道频带内，从而可以直接传输。当要求的数据传输速率较低(≤24 kbps)时，对原始数据模仿PSK处理(下面有具体分析)，方法如下：

“1”用“1010”(0相位两个周期的方波)表示

“0”用“0101”(π相位两个周期的方波)表示

其中传输编码后数据的频率为96 kHz，这样上述编码调制方法能传输的最大码元速率为24 kbps。当要求的数据传输速率大于24 kbps时，对原始数据处理的方法如下：

“l”用“10”(0相位一个周期的方波)表示

“0”用“01”(π相位一个周期的方波)表示

即进行Manchester编码。

本设计采用方案二，系统的原理框图如图1所示。

三、系统实现及理论分析

1、带通滤波器模块

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。最后设计出的带通滤波器通过EWB 模拟得到的频谱响应如图2所示。从图中所示的相频特性可以看出，滤波器在30～50 kHz 处的相移基本上为线性，因此具有良好的群时延特性，信号通过该信道后不会有过多的相位失真，这对本系统所采用方案中的正确解调是非常重要的。

四阶带通滤波器可由低通滤波器和高通滤波器级联而成，因此可以把一个截止频率为30 kHz 的高通滤波器和一个截止频率为50 kHz 的低通滤波器级联起来，采用切比雪夫型高低通滤波器级联，经计算中心频率约为40 kHz 。

2、数据采集模块

切比雪夫型低通滤波器其幅频公式如下：

图2 带通滤波器的频谱响应 ()()c n w w C e jw H /12

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+=图1 系统原理框图

K

数据采集模块采用AD0809模数转换器和89C51控制数据采集。AD0809为8位8通道输入的A/D 变换器，满足题目所提出的精度和速度要求。由单片机控制进行顺序循环采集或是指定通道采集。电路如图3

所示。

图3 数据采集模块电路

图4 调制解调模块电路

图5 采集结果显示模块

3、调制解调模块

根据前述对题目的要求的分析，本系统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恢复原调制波，再通过软件判断调制波的相位进行解调。具体实现方法如下：

首先，对要传输的数据进行数字编码调制，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，首先对接收到的信号进行整形，减少信号波形的失真，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相位判断、译码解调。这样就避免了普通解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。

数据传输的码元速率不大于24 kbps时：“1”用“1010”(0相位两个周期的方波)表示，“O”用“0101”(π相位两个周期的方波)表示。

当数据传输的码元速率较高(>24 kbps)时，编码自动调整为使用Manchester编码，即“1”用“10”表示，“O”用“O1”表示，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 kbps的波特率传输时，理论上可达到48 kbps的码元传输速率。

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16～48kbps，输出波特率为96 kbps；解调部分输入波特率为96 kbps，输出波特率为16～48 kbps。)，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89C2051来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4(上图为解调器，下图为调制器)。

串口加入了一个衰减器使输出电压可以在0～1V的范围内连续变化。输入使用LM311比较器构成电平判决电路。该电路同时还具有对信号均衡整形的作用。

4、采集结果显示模块

在此模块中(见图5)，我们采用了EDMl2816B型图形点阵式液晶显示器，它的分辨率为128×16。这样可以编制易懂的中文分级菜单界面，人机交互性非常好。

四、其他功能的实现

1、噪声模拟发生器