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 /1221+=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。
本设计采用线性反馈移位寄存器产生m序列作为模拟噪声。
2、测试码发生器我们采用单片机作为测试码发生器。
可通过键盘设置输出码型及速率并可以通过MAX7219控制LED显示出码元速率和码型，功能强大，使用灵活。
3、噪声加法电路我们采用由运算放大器构成的加法电路。
其中信号的放大倍数为1，噪声的放大倍数有3挡，分别是l、1/3、1/5。
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。
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。
五、主要软件流程图1、系统工作总流程图(图6)图6系统工作总流程图2、误码率与时延测试程序流程图(图7)图7误码率与时延测试程序流程图3、编码调制程序流程图(图8)图8 编码调制程序流程图4、译码解调程序流程图(图9)图9译码解调程序流程图六、测试结果分析=51.0 kHz 。
=3 kHz 处衰减40 dB ，=500 kHz 处衰减40 dB 。
调制器码元率：1/V np-p =3时，无误码。
V sp-p /V np-p =1时，有误码。
没有扫频仪，所以我们用示波器简单的进行了频率和幅度的测量。
码的原因是：由于我们为了避免解调时复杂的载波提取和同1、系统测试结果l f =29.1 kHz ，h f f f 6~48 kbps 。
V sp-p /V np-p =5时，无误码。
V sp-p 信道中传输波特率为96 kbps 。
2、误差分析与改进措施测试带通滤波器时由于由于电阻、电容值的偏差和温漂的影响使滤波器的截止频率不很准确。
这可以通过使用高精度、低温漂的元件加以改善。
在V sp-p /V np-p =1时，产生误步提取电路的设计而使用的是幅度判决，在噪声幅度与信号幅度相当时误判较多。
解决这个问题的方法是采用虽复杂但性能更好的PSK 相干解调与极性比较法解调，或者采用专用芯片组。
另外从信号的频谱图可以看出，由于基带信号的频谱相对信道比较宽，导致信号经过信生器EDA 开发系统道后损失了很多能量。
因此要获得好的性能，可以采用4PSK 甚至8PSK 调制和解调，这样调制后信号的功率谱可以变窄为原来的1/2甚至1/4，从而通过信道的信号能量大大增加，性能也就会明显变好。
3、使用的仪器仪表VP33120A 信号发 HP54645D 示波器单片机开发系统及 计算机。