超声数据传送系统 刘利子.doc

超声数据传送系统方阁 谭潇雄 刘利子摘要：本系统基于ASK（二进制振幅键控）调制解调原理，以超低功耗单片机MSP430F449为控制核心，设计制作了一个节点间数据传输的超声数据传送系统，实现了任意节点间的点到点直播和点到多点组播或广播的数据传送。节点由发射端和接收端组成，发射端由功率放大部分构成ASK调制核心，接收端由前级放大和包络检波部分构成ASK解调核心，以UART异步通信方式实现信源的编解码。节点间通信距离可达11米，可传送环境温度值和供电电池电压值，任意编辑数字短信，传输时间小于1秒，误码率小于0.1%。另外，节点以电池供电，接收状态功耗不超过0.3W，发射状态功耗不超过0.5W。整个系统性价比高，功耗小，操作简单，功能齐全。关键词：MSP430F449；二进制振幅键控；UART异步通信；包络检波一、 方案论证与选择1、 方案比较（1）信源编解码方案的比较与选择方案一：采用UART异步通信方式实现信源的编解码。MSP430系列单片机具有片内硬件USART模块，可以实现标准的串行编码，编码解码非常灵活，并且可以自动从任何一种低功耗模式开始工作。方案二：采用编解码芯片PT2262与PT2272对信源进行编解码，PT2262/2272是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射/接收芯片，可以较好的完成二进制数据的编解码，误码率低，但可转换的数据位数有限，且增大了系统的复杂度。利用UART异步通信方式的误码率大于利用专门编解码芯片时的误码率，从而较小了通信距离，但是其具有很大的灵活性，且在一定程度上降低了系统功耗，因此设计时选用方案一完成信源的编码解码。（2）调制方式的比较与选择方案一：采用ASK调制体系，即利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。此调制方式可由模拟调制法和键控法实现，调制解调电路简单，但抗干扰性较差。方案二：采用FSK调制体系，即利用载波的频率变化来传递数字信息。此调制方式抗噪声和抗衰减性较好，但解调电路较复杂。虽然ASK调制方式抗干扰性差，但采用适当的解调方式能减小误码率，且从系统的整体设计考虑，FSK调制解调方式增大了系统的复杂度。因此在设计中，数据的传送采用ASK调制体系。（3）载波信号产生方式的选择与比较方案一：利用外接晶振制作多谐振荡器，产生载波信号。此方案产生的信号频率稳定度高，但不易起振。方案二：利用MSP430F449内部定时器A输出的脉宽调制（PWM）信号作为载波信号。设计时利用捕获/比较寄存器控制PWM波形的周期，频率稳定，无需外加芯片，容易实现。从简化系统外围，减小系统复杂度的角度考虑，在设计中采用方案二产生载波信号。二、 系统整体框图整个系统由三个节点组成，节点间数据传送方式以环形拓扑结构实现，结构图如下：图2.1 节点网络拓扑结构图各个节点包括发射端和接收端，发射端将节点温度、电压及短信编码后作为数据基带序列控制输出驱动器的通断来实现ASK调制，调制信号经后级匹配后由超声发射器发送；接收端超声接收器对接收到的信号先进行前级放大处理，再由检波模块解调得到原始数据序列。节点框图如下：图2.2 系统框图三、 理论分析1. 超声换能器的匹配与相关分析空气中传播的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，超声波的频率越高，衰减率越高，传播距离也越短。本系统中使用的压电陶瓷换能器TR40-16工作频率为40KHz，为保证超声频电能有效地传输给压电超声换能器 ,提高超声通信距离，超声频电发生器与换能器之间的电端匹配非常重要。压电换能器在共振频率附近的等效电路如(a)所示,图中为静态电容, 、和分别为换能器的动态电感、动态电容和动态电阻。当换能器处于机械谐振状态时,动态支路中仅剩下电阻分量，此时换能器等效为静态电容和机械电阻的并联，对外呈现电容性状态，阻抗可化简为等效电路如图(b)所示： 图3.1(a)换能器非共振时的等效电路图 图3.1(b)换能器机械共振时的等效电路图利用变压器变阻来实现匹配的原理图如下， 为匹配电感，为机械谐振时的角频率，理想匹配条件为 ，改变变压器初次级匝数及匹配电感的值，就可以实现理想匹配。图3.2 变压器匹配电路图2.ASK调制原理分析二进制振幅键控（ASK）方式是载波幅度按基带脉冲序列改变的一种数字调制方式，可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的相乘，即有：上式中，是持续时间为的矩形脉冲，而的取值服从下述关系其波形图如右所示： 图3.3 ASK调制信号框图 二进制ASK的信道带宽,为提高信道利用率，应尽量提高码元传输速率，但码元传输速率过大易产生码间串扰。考虑到超声转换器的带宽为5KHz，波特率应满足，另外，为了减小超声换能器“余振”现象带来的影响，波特率设为1000bps。四、 主要功能模块1.功率放大及ASK调制模块图4.1 功率放大及ASK调制电路由于整个系统的功率1W，为提高发射效率，发射部分的功率放大部分前级采用低功耗比较器TLC372整形放大，后级采用高速MOS驱动器UCC37322，以保证发射功率。UCC37322在10nF的负载上具有20ns的开关速度，输出电流峰值可达9A，外围电路简单。在设计中利用基带序列控制其通断来实现ASK调制。超声换能器用LCR测试仪测得的静态电容为2.65nH，等效电阻为7000,调试中设计变压器初次级匝数比为1：8，改变匹配电感的值，以实现最佳匹配。具体电路如图4.1所示。2.ASK解调模块当通信距离远时，接收端收到的的信号非常微弱，为提高接收电路的灵敏度，增大节点间的通信距离，对其先进行前级放大处理，采用单电源低噪声轨对轨运放OPA355实现。对放大后的信号采用包络检波法解调，电路由二极管电路和电容电阻组成，图中二极管D2用于钳位，以抬升输出电压值。具体电路图如下：图4.2 ASK解调电路3.温度传感器模块在温度数据的采集上，使用线性数字温度传感器DSl8820实现，其测温分辨率为O.0625，采用单总线方式，控制简单。具体电路图见附录图4.3所示。4.电源设计模块系统中功率放大模块采用+12V单电源供电，在设计中采用低功耗、高效DC/DC开关电源稳压器芯片TPS61085进行电压转换，其利用电感L2储存能量。为了减小输出开关噪声，选择650KHz工作频率。具体电路图见附录图4.4所示。五、 系统软件设计本系统软件设计部分基于MSP430单片机平台，以异步串口通信方式实现多个节点间的通信，主要完成按键处理、液晶显示、数据处理、地址选择及设定通信协议功能。（1） 数据传输形式数据以UART异步串行方式传输，以帧作为数据传输的基本单位。帧长度为10-Bit，其中包括起始、终止位与8-Bit字符。多个帧组成一个数据块，每个数据块加入起始、终止帧。其中，起始帧包括发射节点ID、接收节点ID以及数据类型；终止帧为zASCLL码。接收节点以在空闲状态下接收的第一个帧作为起始帧，随后依次接收帧数据，直到接收到终止帧，完成一次数据块的接收，并进入空闲状态，准备接受新的数据块。（2） 通信协议的设定节点间通信时，其中一个节点先在信道中发送一个数据块，其他节点收到数据块后，将自己的ID与数据块中的ID比较，若相同则显示相关数据，否则舍弃。点到多点组播或广播时，则设置数据块中的ID为公共ID号。（3） 差错控制编码为了提高通信的可靠性，减小误码率，采用编码效率较高的汉明码对传输数据进行差错控制编码，选择码长为7，信息位数为4，可纠正一个错码或检测两个错码。主要程序流程图如下：图5.1 软件流程图六、 数据测试与分析1.主要测试仪器MT4080A LRC测试仪、60MHz (1Gs/s )Tektronix TDS1002型数字示波器、FLUKE17B多用数字万用表、FLUKE 45型双显示电表、秒表、卷尺2.供电电压与功耗测试测试仪器：FLUKE 45型双显示电表测试方法：分别使节点工作在接收、发射状态，用双显示电表测量电池电压，再将其串入电路中测量电流，根据公式计算功耗，重复测量5次。测量结果如附录表6.1所示。测试结果分析：测试数据表明，系统工作时，接收状态功耗0.2W，发射时状态功耗0.5W，整个系统功耗小。3.短信传送功能测试测试仪器：秒表测试方法：发射节点预置并发送30位短信内容时，用秒表测量接收节点收到短信内容的时间，记录误码个数并计算误码率，重复测量5次。测量结果如附录表6.2所示。测试结果分析：测试数据表明，短信传送时间1s，无误码。4功能测试（1）当节点接收状态功耗不超过0.5W，发射状态功耗不超过1W时，在无建筑物遮挡的室外测量节点间最大通信距离以接收到的误码率0.1%，接收时间3s为准，测得通信距离最大为10米。（2）实际制作3个节点，可实现任意节点间的点到点直播和点到多点组播或广播，发射方显示目的节点地址，接收方显示源节点地址。（3）节点具有掉电存储并回放显示数据的功能。七、 总结根据测试结果可得，系统基本实现了基本部分和发挥部分，并将通信距离扩展为11 米，接收时间1s，接收状态功耗0.3W，发射时状态功耗0.5W，可发送英文数字短信，长度为30字符时，无误码。系统功耗小，性价比高。附录：一、温度传感器模块图4.3 温度传感器电路图二、电源设计模块图4.4电源设计电路图三、测试数据表6.1 电池电压