超声波数据传输系统.doc

1、0微 芯 杯 电 子 设 计 报 告超声数据传输系统队员名单：注 ： 主 办 方 胡 乱 出 题 ， 没 有 验 证 可 行 性 。 但 是 经 过不懈努力，基本上实现了 30 米的超声波通信1【摘 要 】 本 系 统 作 品 基 于 超 声 波 发 射 头 T40 和超声波接收头 R40， 利 用 超 声 波 实 现 了 数 字 信 号 的 近 距 离 传 输 。 发 射 部 分 利 用 数 字 电 路 555 产生 40k 标准的矩形 波 用 作 载 波 ， 并 采 用 了 升 压 中 周 ， 以 提 高 发 射 功 率 ， 从 而 提 高 数 据 传 输 距 离 。 接 收 部 分 经

2、过 前 级 放 大 ， 滤 波 ， 自 动 增 益 控 制 ， 后 级 放 大 ， 包 络 检 波 ， 迟 滞 比 较 等 模 块 ， 实 现 了 数 据 的 准 确 提 取 。 MCU 采用 ARM 系列单片机 F103zet6， 通 过 单 片 机 的 处 理 ， 实 现 数 据 的 自 动 发 送 和 显 示 。 具 有 方 便 直 观 的 人 机 界 面 。 系 统 数 据 传 输 误码率低，具有一定的使用价值。【关键词】超声波 自动增益控制 包络检波 stm32【Abstract】This system base on T40 and R40 which one is an ultr

3、asonictransmitter and the other is an ultrasonic receiver. And we use the ultrasonic to achieve that digital signal can be transmission in a close range. For the radiating portion, we use IC 555 to produce the carrier signal whose frequency is 40K. At the same time, transformer is used to promote th

4、e energy which the radiating portion used. For the receiver, there are six parts in total. A preamplifier ，a filter ,an AGC model, a post-amplifier, a envelope detector, and a hysteresis comparator are all included in this system. Working with the MCU ARM F103zet6, the receiver can receive and send

5、messages with a low bit error rate. It has practical applicability to some extent.【keyword】ultrasonic AGC envelope detector F103zet6目录一 方案论证及比较 321.1 调制方式的选取 31.2 载波信号的产生 31.3 前端放大器的设计 41.4 AGC 电路的设计 51.5 编码方式的选择 6二 系统方案设计与参数计算 72.1 系统总体方案 72.2 硬件电路设计 72.2.1 载波信号电路 72.2.2 滤波电路设计 82.2.3 包络检波电路设计 82.3

6、 软件流程设计 8三 测试方法及数据 83.1 测试方法简介 93.2 基础部分测试数据 93.3 发挥部分测试数据 9四 测试结果及分析 10五 小结 10六 参考文献 11一、方案论证与比较1.1 调制方式的选择 系统要实现数字信号的发送，由于信道中干扰较大，所以必须将数字信号通过一定的方式叠加到模拟信号上，从而在信道中更好的传输。【方案一】采用 PSK 调制方法，利用模拟开关，使高低电平数字信号控制模 拟开关在两个相位差为 180 度 的 载 波 信 号 之 间 选 择 。 信 号 解 调 时 采 用 相 干 解 调 的 方式提取出原数字信号，在进行进一步的处理。【方案二】采用 FSK

7、调制方法。FSK 调制方式的实现也可以采用模拟开关， 在 两 个 不 同 的 频 率 点 之 间 选 择 ， 高 低 电 平 对 应 的 载 波 频 率 不 同 。 在 接 收 端 可 用 滤 波器来解调，调制和解调均比较方便。【方案三】采用 ASK 调制方法。ASK 调制过程实现简单，通过数字信号与载 波信号相乘即可以实现。3【方案选择】由于我们采用的是超声波传输信号，超声波相对光速来说非常4慢 ， 环 境 中 的 多 径 效 应 对 波 形 的 相 位 影 响 较 大 ， 故 不 适 宜 采 用 PSK 调 制 方 法 。 而 对于 FSK，由于超声波发射器 T40 是采用共振模式工作的，

8、对于非 40K 的载波信 号不能引起它的共振，故而不能发出。而对于 ASK 调制方式，在高电平时有 40K 的 载 波 信 号 发 出 ， 低 电 平 时 没 有 信 号 发 出 。 系 统 容 易 实 现 ， 且 包 络 检 波 即 可 解 调 ， 电路简单。综合上述，故选择方案三。1.2 载波信号的产生 系 统 要 实 现 数 字 信 号 的 发 送 ， 必 然 需 要 调 制 ， 载 波 信 号 的 产生 就 是 必 然 的 了 。【 方 案 一 】 采 用 运 放 NE5532 与 基 本 的 电 阻 电 容 构 成 方 波 发 生 电 路 。 该 电 路 如 下：电路的优点是结构简单

9、，频率稳定，占空比可调。【方案二】采用数字电路 555 构成基本的振荡电路，电路如下：5【方案选择】采用运放搭建方波振荡电路结构简单。但是需要调制电路，才 能实现信号的调制，但是如果用数字电路 555，通过他的使能端 RST 即可实现调 制，电路简单可靠。综上，故选择方案二。1.3 前级放大器设计由于 R40 接收到的信号为 uV 级 别 的 小 信 号 ， 所 以 前 端 放 大 电 路 就 显 得 十 分 必 要。【方案一】采用 OP07 构成前级放大器，OP07 具有极低的输入噪声，和极低 的偏置电压，适宜于小信号的放大。【 方 案 二 】 采 用 ne5532 构成的三运放仪表放大电路

10、，电路具有较高的输入阻抗和较高的共模抑制比，具有极其优异的性能。【 方 案 三 】 采 用 运 放 OP37 构 成 的 正 相 放 大 器 作 为 前 级 放 大 的 电 路 ， 电 路 结 构 简单。【方案选择】OP07 虽然具有极低的噪声和极低的偏置电压，但是他的转换速 率比较低，只适宜直流信号和低频信号的放大。由 NE5532 构成的仪表放大器电 路虽然性能较高，但是电路颇为复杂。OP37 也是低噪声运放，其偏置偏压可以 通 过 引 脚 调 节 ， 同 时 它 具 有 较 高 的 转 换 速 率 ， 完 全 能 胜 任 本 系 统 的 放 大 任 务 ， 且 电路结构简单。6综上,故选

11、择方案三。1.4 AGC 电路的选取 为了消除不同距离接收到的信号强度不同，从而影响解调的问题，故在接收部分设计了 AGC 电路。【方案一】采用 AD603 构成的宽范围 AGC 电路来实现自动增益控制，电路如 下图所示：【方案二】采用 VCA810 构成得 AGC 电路。如下：【方案选择】方案一的 AGC 电路性能良好，但是结构复杂。方案二由 VCA810 加 上少量的外围器件构成性能良好的 AGC 电路，完全能满足本系统的要求。 综上：故选择方案二。71.5 编码方式的选择【方案一】奇偶校验编码 采用就校验编码，当每一个字节中有奇数个位的数据出错是，能够有效检测出，从而舍弃数据，重新接收。

12、可以在一定程度上减少误码。【方案二】海明码编码 海明码是一种纠错码，采用海明码进行编码，可以对数据进行纠错，提高数据准确性，但是增加了编码长度，对传播速度和传播效率有所降低。【方案三】只发送数据，不进行任何编码。 在不出现误码的情况下，这种方法效率最高。【方案选择】 经过实际传播实验，发现，当信道能够传播数据时，收到的数据基本上保持零误码。当信道出现误码的时候，误码率极大，检错码和纠错码均无多大作用， 当 不 采 用 任 何 校 验 进 行 编 码 ， 传 输 效 率 高 ， 而 且 ， 只 要 信 道 合 适 ， 不 会 出 现 误 码 ， 因此，选择方案三。二、系统方案设计及参数计算2.1

13、 系统总体方案2.2 硬件电路设计72.2.1 载波信号产生电路如图所示，为 40KHz 方波振荡电路的设计图. f=1.443/(R2+2*R1)*c)T1=0.693*(R1+R2)*C T2=0.693*R1*C若占空比为 50%， 则 R1R2;令 R2=500 ， C1=3200pF， 解 得 R1=5.4K，实际上 R1 采用滑动变阻器进行微调。2.2.2 滤波电路如图电路采用了二阶 sallen-key 高 通 滤 波 器 ， 滤 除 电 路 中 的 低 频 噪 声 ， 电 路图如下：截止频率 f=1/(2*sqrt（R1R2C1C2）)； 所以令 C1=C2=1.5nF，解得

14、R1=3K； R2=4K。2.2.3 包络检波电路设计8包 络 检 波 在 接 收 电 路 中 起 着 极 其 重 要 的 作 用 ， 它 是 将 电 路 的 接 收 信 号 转 换 为 我们原数字信号的关键。电路图如下：载波信号的周期为 1/(40K)=0.025mS， 假 设 电 路 以 1Kbps 的速率发送数字信 号 ， 那 么 每 个 bit 的周期为 1mS。 设 定 电 容 量 为 10nF， 设 定 放 电 时 间 常 数 为 0.1mS. 计算可得，电阻 R1=10K。2.3 软件流程设计2.3.1 发射端设计流程2.3.1 接收端设计流程9三、测试方法及数据3.1 测试方法

15、简介 测 试 时 ， 发 射 端 利 用 单 片 机 发 射 任 意 字 母 或 者 数 字 ， 在 接 收端 接 收 信 号 并 显示在 HB12864 上 ， 方 便 观 察 。 通 过 比 较 发 射 部 分 和 接 收 部 分 的 差 异 ， 从 而 计 算 出 误码率等参数。整机功耗的测定则是采用输入电压乘以输入电流的方式来测定。 3.2 基础部分测量数据发射距离 10m节点电压显示 是节点温度显示 是编辑短信长度 30发射时间 1S误码率 0发射部分功耗 0.6w接收部分功耗 0.7w3.3 发挥部分测量数据显示发射节点地址 01传送字符数 Asdfghjkl123456传送时间

16、小于 1s误码率 0传送距离 30 米发送部分整机功耗 0.6w接收部分整机功耗 0.7w104.测试结果及分析 通过以上数据测量以及数据处理。我们可以得出如下结论：1. 本系统较好的完成了基础部分和发挥部分要求的各项指标， 但 是 通 信距 离 受 环 境 的 影 响 较 大 ， 在 外 界 干 扰 较 小 的 情 况 下 ， 通 信 距 离 可 以 达 到 30 米以上。5.小结经 过 一 个 月 不 懈 的 努 力 制 作 调 试 。 本 系 统 较 好 的 完 成 了 要 求 的 各 项 指 标 ， 收 获很多，非常感谢芯空科协对此次活动的举办。六、参考文献微弱信号检测高晋占，清华大学出版社（第二版） 德 州 仪 器 高 性 能 单 片 机 和 模 拟 器 件 在 高 校 中 的 应 用 和 选 型 指 南 黄 争 ， 德 州 仪 器 半 导 体 技 术（上海）有限公司大学计划部模拟电路分析与设计基础吴援明 唐 军，科学出版社