超声数据传输系统_18_何明

1/7超声数据传输系统组号：101-18组员：孙恒青刘昱何明指导老师：黄根春摘要：本系统基于传感器技术和信号处理技术，以MSP430单片机为核心设计并实现了一种超声数据传输系统。本系统由三个相同的通信节点组成，每个节点均包括MSP430单片机最小系统、调制发射部分和接收解调部分。单片机产生的40KHzPWM载波和串口数据在外部实现ASK调制，调制信号经功率放大后由超声换能器发射出去，接收端将超声换能器接收到的信号经前置放大后再经过包络检波和整形，然后把数据送入单片机串行口解码并在LCD上显示。本系统传输的数据包括节点环境内采集到的环境温度和节点供电的电池电压值，也可以手动编辑短信进行传输。本系统可实现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，并具有通信距离远、数据传输效率高、误码率低、性价比高、功耗低等优点。关键词：超声波数据传输超声换能器调制解调2/7一、方案论证与选择题目分析：题目要求设计并制作一个能实现节点间数据传输的超声数据传输系统。系统需要3个节点利用超声波实现相互间高速、低误码率、远距离数据传输。传输的数据包括采集到的节点温度、节点供电电池电压以及手动编辑的短信。经分析，本系统要首先确定合理的编码和调制模式，要保证数据的高速和低误码率。而系统难点部分在于信号功率放大、超声换能器的匹配、接收端小信号放大处理部分。同时，系统要注重功耗和性价比。1.数据编、解码方案方案一：采用专用的数据编、解码芯片PT2262/PT2272。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，传输稳定，误码率低。PT2262利用一次发送4帧相同数据来保证高正确识别率，但同时降低了传输速度。方案二：采用单片机编、解码。单片机编码方式灵活，数据传输可使用标准UART串行通信协议。UART串口协议的奇偶校验功能能够提高系统的检错能力。方案论证：经过计算，PT2262发送30个字符的时间需要3.6s左右，达不到题目1s的要求。使用串行通信可以灵活修改传输速率，控制发送30个字符的时间为500ms左右，同时也有一定的检错能力，因此选用方案二。2.信号调制方案方案一：采用ASK幅度键控。用信源数据控制载波的关断来实现调制，接收端只需使用包络检波即可解调，实现简单，成本较低。而采用ASK容易受增益变化的影响，抗干扰能力较差，而且由于超声波的特性使得采用ASK调制存在“余振”现象。方案二：采用FSK频移键控。用信源数据控制两个不同频率的载波的跳变来实现调制，接收端使用XR2211即可实现解调。此方案优点是抗干扰能力强，而限制因素在于超声换能器驱动频率的带宽。方案论证：由于我们实测手头上T/R40-16型号的超声传感器的发现驱动频率带宽非常窄，在中心频率外2KHz处衰减达20dB,因此不适合做FSK。而且发现减小驱动信号的占空比可以减弱超声换能器余振现象，因此本系统选用方案一。二、系统总体设计方案及实现方框图本系统(如图一所示)由A、B、C三个相同的节点组成。每个系统（如图二所示）由单片机最小系统、发射电路、接收电路三个部分组成。单片机最小系统负责输入短信、测量室温、测量电池电压和显示数据。由MSP430单片机定时器Timer_A模块产生的40KHz的PWM波和由MSP430USART串口输出的串行数据输出到外部开关型功率放大器中，由串行数据控制载波的通断从而实现ASK调制，同时信号得到放大，再经匹配电路输出到超声换能器发射。接收部分将接收到的小信号进行高增益放大后，再进行包络检波和整形后输入到单片机串行通信口，串行数据触发单片机产生中断来读取数据。每个节点均有一个独立地址和一个公共地址，系统首先识别收到数据中的地址信息，地址对应才解码。该系统能实现任意节点间点到点、点到多点的半双工通信。图一系统总体示意图节点C节点B节点A数据传输3/7MSP430单片机点阵液晶4x4键盘测量室温测量电压开关型功放匹配电路前置放大检波、整形40Khz串口数据输入至串口T40-16R40-16调制解调图二单一节点系统框图三、理论分析与计算1.工作频率由于衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失和介质吸收能量，声波在空气中传播会有衰减。声波传播衰减总是遵循指数规律，若初始声压为，经过路程后为，那么，式中为吸声系数，。因此声波的衰减与工作频率有直接关系。如图三所示，超声波的频率越高，衰减率就越高。同时，超声波的频率越高，传感器的方向性越尖锐。由于是用来远距离多方通信使用，工作频率低一点较好。我们选择了工作频率为40KHz的超声换能器T/R40-16。图三不同频率的超声波随距离的衰减2.超声换能器匹配根据换能器等效电路分析方法，压电换能器工作在谐振状态时的等效电路如图四(a)所示。为静态夹持电容，为动态电感，为动态电容，为包含负载和损耗在内的等效电阻。当换能器工作在串联谐振频率时，与电抗相抵消，换能器等效电路变换为图(b)。此时将匹配电感L串联到电路中，如图(c)所示，只要满足，匹配电感的电抗即可与静态夹持电容的电抗相抵消，换能器等效电路图变换为图(d),加上匹配电感后，处在串联谐振频率上的换能器可等效为一个纯电阻元件。这是压电超声换能器调谐匹配的基本原理。考虑到换能器的等效电阻与前段电源电阻不相等，通常利用变压器等效匹配电路实现电源与换能器电阻相等来实现换能器的阻抗匹配。(a)(b)(c)(d)图四超声换能器匹配电路4/7四、主要功能电路的设计1.电源管理电源管理模块采用了两个TI公司的低电压、低功耗、搞效的DC/DC升压转换器:TPS61041和TPS61085，分别为系统提供5V和12V电压。TPS61085具有很大的负载驱动能力，最大可输出2A电流，为系统功放电路、前置放大电路提供了强大的支持。图五为系统数字电路部分5V电源。图五电源管理模块2.信号调制与功率放大电路功放前级电路采用了TI公司具有使能端的单9A高速低侧MOSFET驱动器UCC37321进行功率驱动。单片机产生的40KHzPWM波和串口数据经非门缓冲后分别送到UCC37321的信号输入端和使能端。串口数据控制功放芯片的关断来实现ASK调制。不发射时串口输出低电平来控制UCC37321使能端为低，关掉功放来减少对接收信号的影响，同时减少功耗。后级功放采用初级绕组和次级绕组匝数比为1：8的变压器T1来提供高达100Vpp的电压来驱动经匹配的超声换能器。VDD1IN2ENBL9AGND4VDD8OUT6OUT6PGND5u1UCC37321VCC串口数据GNDT1TransCuplLS1T40-16Sensor7mHL1GNDGND40KHzGNDVCC2nF0.01uF图六信号调制与功放电路3.接收电路接收部分由信号放大、包络检波和整形电路组成。信号放大采用OPA606组成的两级同向放大器，理论上放大增益。将放大的信号输入后级包络检波和整形电路后，即可送入单片机串口读入数据。58234671750GND100K0.1uF10KVCCGND1/2VCC5823467139GND100K0.1uF10KVCCGND1/2VCCR40-16GND100GND0.01uF0.01uF10mH0.01uFGNDOutput图七接收端前级放大电路4.7uFC310uFC24pFC1620KR1200KR210mHL2Battery10mHL31N605V/90mA1.8Vto4VSW1FB3GND2EN4Vin5*TPS61041GND5/712345678LM311D58234671750GND100K0.1uF10KVCCGND1/2VCC0.1uF2.2k0.01uF1K0.1uFGNDGNDGNDGNDGNDVCC200GND50K430串口Input图八包络检波和整形电路4.电压测量电池电压的测量由MSP430F449内部集成12位ADC完成。电池电压经1/2分压直接输入到单片机ADC输入脚，多次采样平均值乘以2即为电池电压实际值。5.室温测量室温测量采用了美信公司高精度数字温度计DS1631。该芯片的测量误差为0.5℃。6.MSP430单片机最小系统最小系统包括MSP430F449单片机、4X4键盘、128X64点阵液晶。五、系统软件的设计本系统三个节点的程序基本一致，通过判断中断类型来进行相应的处理。单个节点的流程图如图所示。整个编程过程，结构化与层次化思想贯穿始终。结构化不仅可以提高程序的可读性，也降低了程序的冗余程度，提高编程的效率；层次化使程序的通用性与适应性进一步增强，当外围器件电路改变时，只要改动最底层的独立接口子程序的具体基本功能实现模块，而向上层模块提供的接口不变，这样就免去了对上层子程序的修改，为软件的改进和调试提供了极好的条件，也节省了大量的软件调试时间与精力，加速了系统的设计速度。尤其在本系统中，包括三个相同的节点，这种编程思想大大减少了编程的难度和开发时间。等待中断按键测量温度、电压串口接收定时显示短信、温度、电压编辑短信发送短信、温度、电压显示温度、电压返回YN成功解码YN开机、初始化图九系统软件流程图6/7六、测试数据与分析1.使用仪器及型号TektronixTDS100260MHz示波器、MT4080A手持RLC数字电桥、SG104040MHz信号源、FLUKE45型双显示电表、卷尺、秒表2.测试数据结果1)测试方法误码率：连续发送1000个字符，统计接收字符，对比算出误信率。根据编码为二进制估算出误码率。传输时间：发送端循环发送30字符短信十次，发送时按下秒表，接收端接收到十次数据时点亮指示灯，按下秒表，记录数据并算尺发送一次时的时间。功耗：分别在不同工作状态和不同距离用电流表和示波器分别测量系统电流和供电电压，计算功耗。2)测试数据系统测试数据如表一所示：表一系统测试数据项目距离/m误码率/%传输时间/s发射功耗/W接收功耗/W1400.530.840.26260.10.550.840.26380.50.550.840.264101.00.560.840.265125.00.570.840.263)数据分析当距离达到十米时，误码率较高，达到1%，距离再提高时，误码率就已经超过题目基本要求。接收时系统功耗过大。3.系统性能概览系统整体性能概览如表二所示：表二系统完成情况题目要求实现情况基本要求两个超声节点相互传送数据实现3.6V电池供电；接收时功率0.5W；发射时功率1W实现测量数据发送；编辑短信，传输时间小于3秒，误码率小于1%实现两节点间通信距离10米实现发挥部分实现了3个节点间数据组播和广播，数据传输时间0.6s，误码率0.1%；两节点间最大传输距离25米；功耗低，发射时功率0.9W，接收时功率0.3W；扩展了数据掉电存储功能。七、总结分析与结论本设计完成了题目的基本部分要求和发挥部分的大部分要求。采用差错编码和串口通信的奇偶校验，提高了数据的传输效率和正确率；采用大匝数比变压器以及低占空比的方波驱动超声头，提高了系统发射效率。但是，系统由于受限于超声换能器的质量和包络检波法在小信噪比时解调不稳定，传输距离不大。7/7附件：参考文献［1］Schildt,H.（著）．C语言大全（第四版）．北京：电子工业出版社，2002［2］樊昌信等（编著）．通信原理（第5版）．北京：国防工业出版社，2004［3］谢自美.电子线路设计·实验·测试.第二版武汉：华中理工出版社，2000.［4］李智奇.MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计(第一版).西安：西安电子科技大学出版社，2008［5］村田制作所．超声波传感器应用指南［6］徐春龙．压电超声换能器电端匹配电路研究.纺织高校基础科学学报，2007，20(2)［7］杨波．煤矿救援机器人超声测距系统研究．仪器仪表学报，2007［8］管彦滨等.20kHz大距离超声测距仪硬件设计.山西师范大学学报，2009，37(3)