毕业设计（论文）-工业现场数据测控系统设计.doc

工业现场数据测控系统设计 毕 业 设 计题 目： 工业现场数据测控系统设计 院： 电气信息学院 专业： 电子信息工程 班级： 0901 学号： 200901030113 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2013年 5月25 日 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 工业现场数据测控系统设计 姓名 陈代云系别 电气与信息工程 专业 电子信息 班级 0901 学号 指导老师 熊卓列 教研室主任 刘望军 一、 基本任务及要求：一）硬件设计： 1）信号输入模块； 2）D/A变换、码型变换； 3）FSK数字调制及输出； 4）显示及控制信号输出模块。 二）软件设计 1）数据采集处理及控制模块的VHDL硬件描述语言实现； 2）A/D变换模块的VHDL硬件描述语言实现 三) 要求 1）本设计由信号输入模块、码型变、数字调制、数据采集处理及控制、控制信号输出、显示模块六大部份组成。其功能一是对输入温度或压力信号放大、A/D变换、码型变换及频移键控调制后送至主控端；二是对经A/D变换及相应处理后的数据与通过预置的标准数据进行比较后产生可起调节的反馈控制信 号，同时显示输入信号所描述的的温度或压力。 2）通过该项目设计，完成各单元模块的硬件设计，给出其设计过程和电路图；对数据采集处理及控制等模块给出VHDL硬件描述语言实现的源程序，并进行程序调试及电路的仿真、给出仿真结果。二、 进度安排及完成时间：1月25日，指导指导老师布置任务、下达设计任务书； 3月5日至3月16日，查阅资料、撰写文献综述及开题报告 4月1日至4月24日，原理框图、总体方案设计 4月25日至5月1日，硬件部分设计 5月2日至5月15日，软件部分设计 5月16日至5月底，撰写毕业设计说明书 6月初，指导老师检查毕业设计说明书 6月10日至6月15日，修改、装订毕业设计说明书、指导老师评阅 6月15日至6月18日，毕业设计答辩 目 录摘要1Abstract2第1章 绪论3 1.1 课题研究背景3 1.2 课题的主要研究内容及工作5第2章 主要理论及技术7 2.1 编码技术7 2.1.1 抽样8 2.1.2 量化9 2.1.3 编码12 2.2 信道编码技术14 2.2.1 AMI码15 2.2.2 HDB3码16 2.3 2FSK数字调制及解调技术17 2.3.1 二进制频移键控的基本原理18 2.3.2 2FSK信号的产生方法19 2.4 数据采集控制系统20 2.4.1 FPGA可编程逻辑芯片特点20 2.4.2 FPGA工作原理21 2.4.3 VHDL硬件描述语言22 2.5 七段数码管显示技术23 2.5.1 数码管显示原理24 2.5.2 数码管驱动25第3章 总体设计思路27 3.1设计思路27 3.2 设计方案27第4章 软件系统设计29 4.1 A/D转换控制模块仿真设计29 4.1.1 ADC0809A/D转换器原理29 4.1.2 ADC0809引脚结构30 4.1.3 A/D转换控制仿真31 4.2 数据运算处理模块仿真设计33 4.2.1 模块的VHDL实现33 4.2.2 数据采集处理模块的软件仿真33 4.3 D/A转换控制模块仿真设计34 4.3.1 DAC0832转换控制模块主要功能34 4.3.2 DAC0832引脚结构35 4.3.3 D/A转换控制模块软件仿真36 4.4 键盘显示控制模块仿真设计37 4.4.1 键盘显示模块VHDL实现37 4.4.2 键盘显示模块的软件仿真38第5章 硬件系统设计395.1 模数转换电路设计395.2 数模转换电路设计405.3 2FSK调制解调电路设计415.4 七段数码显示模块设计42结束语44参考文献45致 谢46附 录471.模数转换控制模块的VHDL实现程序472. 数据运算处理模块VHDL实现程序533. 数模转换控制模块VHDL实现程序584. 键盘显示控制模块VHDL实现程序59 数据采集处理模块总电路图62 2FSK调制总电路图63 总仿真电路图64工业现场数据测控系统设计摘要：采用工业现场的温度和压力两个数据用作为实时监控对象，再通过温度及压力传感器将其转换成电信号后作为系统处理的输入信号。本文旨在对此信号进行模数（A/D）变换；采用可编程芯片技术（FPGA）进行的数字信号采集、运算及控制；温度、压力数据显示；通过与键盘输入的标准信号进行比较后所产生的误差值信号进行数/模（D/A）变换及输出；为实现数据远距离传输，对相关数据进行码型变换和数字调制等方面进行较祥细说明。从而给出了一个以实现实时监控工业现场的温度、压力两个参数变化和通过检误差信号数据的大小来对被控对象温度及压力进行控制为目的系统设计全过程。 在上述基础上，还对在系统设计中运用到的许多理论和技术进行了重点分析和研究；对相关程序设计结果进行了调试和仿真，由此为系统设计奠定了理论基础，为程序的数据处理、控制实现了可行性论证。 在整个设计过程中有些需要硬件设计，有些需要软件设计。硬件设计主要包括了D/A转换器，A/D转换器，码型变换，FSK数字调制等。软件设计利用VHDL语言对硬件进行描述实现仿真。各模块功能相结合，从而实现工业现场数据的测控。关键词：工业现场、FPGA、数据处理、仿真System design forremote observeing and controlling of industrial field dataAbstract:Using two data which is temperature and pressure as a real-time monitoring objects in industrial field . Let the temperature and pressure come through the temperature and pressure sensor which can convert them into electrical signal that can be used as the input signal in processing system . The purpose of this essay is to convert the analog signal to digital signal .Which we use FPGA to collect operate and control digital signal .and also we use it to show the value of temperature and pressure .comparing with standard signals through the keyboard input.Then output the differential signal after D/A transformation .In order to ttransfer data to remote place . We need to descript the code conversion and digital modulation .Which it can realize the measurement and control of the change of the temperature and pressure data in industrial field in time .By measuring the value of the differential signal that we can feedback control the temperature and pressure in industrial site.This is the whole process of system design .Just As Mentioned Above .we analysis and research many theories which used in this design .Debugging and simulating the result of the design .Which provide the theoretical basis for this design . It realize the data conduct and control of the program. In the process a part of it need hardware design, the others need software design.The hardware design mainly includes the D/A converter the A/D converter code conversion FSK digital modulation and so on.The software design using VHDL language to describe the hardware .Each module function get togther. Then it can realize the measurement and control of industrial field data.Keywords: Industrial site FPGA data processing simulation第1章 绪 论1.1 课题研究背景 随着计算机控制、数字集成电路、可编程芯片控制等技术的不断发展, 工业现场数据测控技术领域取得巨大的进步,并成为了控制领域中最具活力的一个分支。数据采集和控制系统是对生产过程或科学实验中各种物理量进行实时采集、测试和反馈控制的闭环系统。它在工业控制、军事电子设备、医学监护等许多领域发挥着重要作用。然而，目前工业的发展对工控现场的测控系统要求越来越高，不但要求测控设备能够完成对工业现场的实时在线测试，而且还要求测控设备对不同测试对象的需求、具备可扩展的升级换代功能，并且能够通过监测、分析、优化及控制等手段为工业现场控制和决策提供依据。出于从工作人员安全及对现场各项指标的准确及时的监控考虑，我们需要实时的监控现场的各种数据并进行对其控制。在实际应用中，在保证采集到数据的情况下，应尽可能的提高测控速度。以满足实时采集，实时处理和实时控制的要求。自动进行分析，处理与记录并显示记录结果，为现场数据的真实性，实时性，有效性，可用性提供保证。并能方便输入计算机进行实时测控。从而完成采集，显示，控制一体化。此类系统广泛应用于工业，农业，商业，交通，物流，仓库等行业。因此数据测控系统发展的实际情况，研制开发符合生产实际需要的多功能智能化的数据测控系统具有重大意义。 在我国，工业是国民经济的支柱，工业发展水平决定着一个国家的综合国力，然而工业现场数据（温度和压力）的测控在工业生产中是一个重要的过程。通过对现场数据（温度和压力）的监控可以判断设备的工作情况。从而使工作人员做出正确的判断和操作。随着计算机、通信、网络控制等技术的发展，工业现场测控系统已成为许多工业企业中非常重要的部分。从而使得工业现场数据测控系统的功能更加强大，监控的范围更加的广泛。 最早的工业控制自然只有靠操作人员的五官感觉和直接控制，后来有了检测仪表可以显示设备的工作状态。虽然如此，还是要工作人员亲自去查看监测仪表来了解设备的工作状态。计算机测控系统诞生于20世纪60年代，它的出现使人类的工作环境发生了深刻的变化。20世纪70年代以后，随着微处理机的出现和大量应用，工业生产过程控制的概念已经发生了很大的变化。工业生产的发展对检测和控制的要求日益增多，原始的目测、耳闻与手摸的检测方式正在向着仪表检测和自控的方向发展。传统的控制系统难于实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，是一个“信息孤岛”。要满足自动化控制技术现代化的要求，同时实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境中运行、性能可靠，造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成交换。因此利用网络计算机对工业现场数据进行实时的监控应运而生。 工业现场数据测控系统设计主要就是为了更好的，实时的来测控工业现场的数据以及实时的对数据进行控制。来更好的保持工业现场的各项指标的完整，从而让现场的机器能更好的完成作业。然而这项技术的应用也不仅仅指对于工业现场，我们也可以应用打到火车，高铁等一些大的公共场所。例如我们可以用来控火车或者高铁各个车厢的温度，从而在主控室来控制其温度的变化给旅客们一个更好的环境等。再一步说，这个设计可以不用工作人员到现场来测控，例如有些地方的环境不是很好，不利于工作人员的现场测控，为了保证工作人员的人身和财产安全，我们必须考虑不让工作人员去冒这个险。因此我感觉这个课题的制作是很有必要的。而且在现在社会的一步一步发展，计算机网络的普及，工业水平的发展。现场实时的监测以及控制现场的各项数据会得到广泛的应用。而且据我调查，目前有许多工厂都需要对现场进行实时的测控来保证产品以及机械的运行。所以对于工业现场数据测控系统设计的开发和应用在以后的工业现场中具有着重大的意义。 随着无线技术在消费性电子产品上的成功, 标准无线技术被构想为部署在工业环境里。在工业或工厂底层，使用无线技术的好处是多方面的。首先，在这种环境中安装和维修拥有大数量的电缆的设施及其主体部分在费用和时间上的花费可能会大大地减少，这样使设备设定和重组更加容易。在充斥着有可能毁坏电缆铺设的化学药品，震动和移动的设备的恶劣环境中，无线技术显得尤为重要。在设备灵活性条件下，固定的系统能够无线的连接到任何一个以别的方式是不可能完成的连接的移动分线系统或移动式遥控装置上。在工业控制领域，无线应用正在不断地扩展，随着技术的成熟和价格趋向合理，大量基于无线网络的智能仪器仪表投入使用，现场数据采集、监控、集成都可以由无线网络来实现。随着移动电信业的发展，无线广域网的速度也将得到快速提高，可以预见，将来的无线广域网络也完全有可能和今天的互联网络一样普及。无线技术在工业监控上的潜力将是不可限量的。 本课题所设计的工业现场数据测控系统主要应用了硬件和软件的结合来完场设计的。A/D和D/A转换器来输入和输出信号，CPLD/FPGA来控制输入的数据信号，以及对通信中信号的进一步的码型变换，到最后信号以载波的形式来传送到控制室，用数字基带信号从而来控制载波信号的频率。即来控制其信号，从而改变工业现场数据。由于当今电子产业数字化程度的不断提高，逐渐形成了以数字系统为主体的格局。计算机，数字通讯等数字系统都是处理数字信号的电路系统。然而，在实际应用中，遇到的大多信号都是连续变化的模拟量，因此我们要对这些信号处理时我们不能直接对这些模拟信号进行处理，必须要使这些模拟信号转换成数字信号来通过计算机来对其处理，A/D转换器正是在这种要求下应运而生。1970年代初，由于MOS工艺的精度不够高，所以模拟部分一般采用双极工艺，而数字部分则采用MOS工艺。并且模拟部分和数字部分还不能做在同一个芯片上。因此A/D转换器只能采用多芯片方式实现，成本很高。1975年，一个采用NMOS工艺的10位逐次逼近型A/D转换器称为最早出现的单片A/D转换器。1976年出现了分辨率为11位的单片COMS积分型A/D转换器。此时的单片集成A/D转换器中，数字部分占主体，模拟部分只起次要作用。而且当时的MOS工艺相对于双极工艺还存在许多不足。1980年代，出现了采用BICMOS工艺制作的单片集成A/D转换器，但工艺复杂，成本高。1990年代便携式产品的普及医用要求A/D转换器的功耗尽可能的低，慢慢的发展有了今天的产品ADC0809只是其中的一个产品，广泛使用。由于A/D转换器的发展相应的D/A转换器也得到了同样的发展。在计算机极速的推动下，20世纪末，电子技术获得了飞速的发展。现代电子产品几乎渗透于社会的各个领域，有力地对东了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时又促使现代电子产品性能的进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。为了适应于现在的科技发展，我们研究的课题具有极其重要的意义。工业为社会经济的发展做出了巨大的贡献，而我们也应该采取一些积极措施，让其能够更加健康迅速的发展。 本文结合工业现场实际，设计实现了现场温度、压力数据测控系统并进行了抗干扰设计，系统简单实用，成本低，抗干扰能力强，便于用于工业现场。本设计主要应用了前置放大电路、A/D转换器、D/A转换器、码型变换、单极性转换成双极性HDB3码、PCM编码技术、FSK频移调制等。从而实现了对现场温度及压力数据的测控。1.2 课题的主要研究内容及工作本课题主要研究的内容是工业现场数据的采集处理及测控。为了实现对工业现场数据的监测，我们必须对现场的温度及压力数据进行实时的监控。把监测到的数据传输到我们的控制系统进行处理以及显示。了解了现场的状况了我们才能对现场的数据进行显示、控制从而来实现对数据的测控。首先，由传感器将温度及压力转换成电信号，由传感器出来的电信号通过前置放大后输入到下一步进行处理。对开始的电信号经过模数转换，传入数据处理控制单元，利用FPGA芯片对数据处理后，通过七段数据显示器显示出当前工业现场的温度及压力的数值。再将该数值与通过键盘输入的标准数值进行比较，将差值信号输出。并将差值信号数模转换后显示出来，用以反馈控制现场温度及压力数据。如果差值信号与标准信号相差很大，则需要控制工业现场温度及压力的值，让其减小。反之，则需要将其加大。为了完成工业现场数据测控的功能，一方面我们要将温度及压力数值的大小模数转换后通过七段数码管显示，并对其进行数字调制。另一方面我们要将其大小与标准信号的大小进行比较，将差值信号数模转换输出后显示出来用以反馈控制。从而完成本课题的设计。基于工业现场数据测控系统所要求的实现A/D模数及D/A数模转换，数据采集以及处理，码型变换，PCM编码调制及2FSK数字调制等功能。设计中主要的研究工作如下：（1） 将通过传感器的温度及压力电信号通过前置放大器，进入下一步处理。（2） 将放大后的电信号经过A/D模数转换输入数据采集控制单元。（3） 数据经过FPGA芯片的处理后将温度及压力大小数值通过七段数码管 显示出来。（4）将输出的温度及压力信号进行PCM编码，码型变换，2FSK数字调制以 适应在信道中传输，便于信号的采集及处理，以用于远程计算机对其输入信号的控制。（5） 输入的信号与数据处理控制单元键盘输入的标准信号进行比较，将差 值信号D/A数模转换后输出。（6） 将差值信号显示出来，并观察其大小，利用差值信号反馈控制工业现 场的温度及压力数值大小。（7）对每个模块进行软件的仿真给定其合理的参数，并进行必要的计算处理，对仿真出来的图像进行处理整理看它是否与结果相同。第2章 主要理论及技术 基于工业现场数据采集及控制包括对模拟信号进行数字化处理、数据运算及相关对象的控制、数据显示、传输处理、将误差信号作为控制信号的数/模转换及输出等环节，在这此处理过程中，涉及到诸多理论与技术，它们是构成本系统的理论基础。2.1 PCM编码技术编码技术就是用预先规定的方法将文字、数字或其他对象编成数码，或将信息、数据转换成规定的电脉冲信号。从而使信号在数字通信系统中不容易产生失真，大大提高了系统的干扰性，更好的保证了信号的完整。编码技术主要包括信源编码和信道编码。信源编码的目的是提高数字信号的有效性，用以减小数字信号的冗余度。它的基本部分是压缩编码。如果是模拟信源产生的是模拟信号，如原始语音信号和图像信号。则在数字通信系统的信源编码部分需对输入的模拟信号进行A/D模/数转换，把模拟输入信号转变成数字信号。可采用的模数转换方式很多，最基本和最常用的编码方法是脉冲编码调制PCM（Pulse code Modulation）,它是将量化后的输入信号变成二进制码元。在某些系统中，信源编码还包含加密功能，即在压缩后还能进行保密编码。 在现代通信系统中以PCM为代表的编码调制技术被广泛应用于模拟信号的数字传输。除PCM外，DPCM和ADPCM的应用范围更广。PCM的主要优点是：抗干扰能力强；失真小；传输特性稳定，尤其是远距离信号再生中继时噪声不累积，而且可以采用压缩编码、纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、可靠性和保密性。另外，PCM还可以在一个信道上将多路信号进行时分复用传输。脉冲编码调制（Pulse Code Modulation），简称PCM。它包括对模拟信号进行抽样、量化和编码三个环节。其原理框图如图2.1所示。模拟信号输入抽样保持电路量化器编码器PCM信号图2.1 PCM系统原理框图2.1.1 抽样对模拟信号在时间的一系列离散点上抽取样值称为抽样。所谓抽样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。如若在收端能无失真的恢复原模拟信号。它的抽样速率的下限应满足抽样定理。按照模拟信号不同，抽样定律分为低通信号抽样定律和带通信号抽样定律。由于我们所研究对象可归于低通信号，故此处限于研究低通信号抽样定律。如若一个低通信号为s(t)，其最高频率小于fH，则以间隔时间T1/2fH的周期性冲激脉冲对其抽样，抽样过程可以看做周期性单位冲激脉冲和次模拟信号相乘。在实际应用中，则是用很窄的周期性脉冲代替冲激脉冲与模拟信号相乘。对一个带宽有限的连续模拟信号进行抽样时，若抽样速率足够大，则这些抽样值就能够完全代表原来的模拟信号。换句话说，在收端，由这些抽样值能够准确的恢复出原来模拟信号的波形。因此，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输这些离散的抽样值，接收端就能恢复原模拟信号。描述这一抽样速率的条件的定理就是著名的抽样定理。抽样定理为模拟信号数字化奠定了理论基础。抽样定理指出，恢复原信号的条件为： fs2fH即抽样频率fs应不小于2fh，这一最低抽样频率2fh称为奈奎斯特抽样速率，与此相应的最小抽样时间间隔称为奈奎斯特抽样间隔。抽样信号恢复原信号，当Fs=2fh时，用一个截止频率为fh的理想低通滤波器就能够从抽样信号中分离出原信号。 对于一个频带限制在(fL,fH)内的信号，当fLfH时，一般将它作为低通信号处理，抽样频率fs2fH。语音信号的抽样频率fs=8 kHz。2.1.2 量化模拟信号抽样后变成在时间上离散的信号，但幅度上上仍是连续信号。故量化就是将其变换为幅度也是离散的脉冲序列。设模拟信号的抽样值为s(kT),其中T是抽样周期，k是整数。此抽样值仍然是一个取值连续的变量，即它可以有无数个可能的连续取值。若我们用N位二进制数字码元来代表此抽样值的大小，则N位二进制码元只能代表M=2N个不同的抽样值。因此必须将抽样值的范围跨分为M个区间，每个区间用一个电平表示。这样，共有M个离散电平，称为量化电平。用这M个量化电平表示连续抽样值的方法称为量化。如果M个抽样值区间是等间隔划分的，称为均匀量化。M个抽样值区间也可以不均匀划分，称为非均匀量化。 在实际应用中，采用均匀量化时，其抗噪声性能与量化级数有关，每增加一位编码，其信噪比增加约6dB，但实现的电路复杂程度也随之增加，占用带宽也越宽。同时，均匀量化对小输入信号很不利，为了克服这个缺点，改善小信号时的信号量躁比，一般采用非均与量化方式。实际中，非均匀量化的方法通常是先将信号的抽样值通过压缩再进行均匀量化而实现的。在通常使用的压缩器中，国际上有两类通用标准，即对数压缩律律和A律，美国采用压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律。A压缩律也就是压缩器具有如下特性的压缩律，即： 式中，x为压缩器归一化输入电压，y为压缩器归一化输出电压，A为常数，决定压缩程度。A压缩率中的常数A不同，则压缩曲线的形状也不同，他将特别影响小电压时的信号量噪比的大小。在实用中，选择A等于87.6。A律压扩特性是连续的非线性曲线，A值不同压扩特性亦不同，在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线（A=87.6）的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现。 A律13折线压缩特性如图2.2所示： 图2.2 A律13折线压缩特性在图2.2中,A律13折线压缩特性将量化器的动态范围归一化为(-1，1)，正、负信号共有4段斜率相同，故共有13根折线。将量化间隔分为16段后，再将每一段等分为16等分，可见量化器共有256个量化电平，257个分层电平。在256个量化区间中，最小量化间隔为=1/211，最大量化间隔为64=1/25，正、负信号的第1、2两段信号的量化噪声最小，相当于12位线性PCM的量化噪声，而第8段信号的量化噪声最大，相当于6位线性PCM的量化噪声。 A律13折线压缩特性的有关数据如表2.1所示：表2.1 A律13折线特性表(=1/211)段落12345678量化间隔()11248163264起始电平（）01632641282565121024斜率161684211/21/4Q/dB2424181260-6-122.1.3 编码采用的13折线法完成对抽样值进行压缩、量化后将对其值进行编码，此时采用的是8位折叠码。其中第一位C1表示量化值的极性正负。后面的7为分别为段落码和段内码两部分，用以表示量化值的绝对值。其中C2 C3 C4是段落码，共计3位，可以表示8种斜率的段落。后4位C5 C6 C7 C8为段内码，表示每一个段落内的16种量化电平。段内码代表的16个量化电平是均匀划分的。所以这7为码总共能表示27128种量化值。段落码、段内码的编码规则如表2.2、表2.3所示。表2.2 段落码 表2.3段内码段落序号段落码量化级段内码8111151111141110711013110112110061011110111010105100910018100040117011160110301050101401002001300112001010001000100000 由上述可见，绝对值相等的正信号和负信号的PCM码仅第1位不同，称此种码为折叠码，采用折叠码可以使小信号的误码噪声较小。1路PCM语音信号的信息速率为Rb=8fs=88103 kbit/s=64 kbit/s。编码器采用逐位比较法依次确定C1C8为1码还是0码。当抽样值处于第i个量化区间时，量化值为： yi=xi , xixxi+1其绝对值为：|yi|=(段落起始电平)+(8C5+4C6+2C7+C8)(段落量化间隔)由此可知，A律PCM编码中，量化规则不是最佳的，但电路易于实现。2.2 信道编码技术 信道编码的目的是提高信号传输的可靠性，它分为码型变换和纠编错码两种。其中码型变换是基于数字信源输出和模拟信号数字化处理后产生的数字信号，一般说来不适合于信道传输，其原因是许多信道不能传输信号直流及低频分量。为了适应这种信道特性，需将数字信号中的直流分量和频率低的分量去除，即码型变换。 在实际的基带传输系统中，一方面含有丰富直流和低频成分的基带信号就不适宜在信道中传输，它可能造成信号严重畸变；另一方面基带传输收端都从接收到的基带信号流中提取定时信号，而此定时信号提取的好坏却又依赖于传输的码型，如果码型出现长时间的连“0”或连“1”符号，则基带信号可能会长时间的出现0电位，从而使收定时恢复系统难以保证收定时信号的准确性。从单个码元波形考虑时，码元波形可以有不同的表示方法。按电压极性区分，可以有单极性和双极性波形。按持续时间区分，有归零码和不归零码之分。此外，还可以不用电压值，而是用电压变化与否来表示码元的取值。从码元序列考虑时，可以设计多种传输码型。常见的码型有AMI码、HDB3码、双向码、密勒码、CMI码等等。输入的温度及压力的电信号从D/A数模转换器出来的的消息码是单极性不归零码，由于单极性不归零码不适合作传输码型使用，故在传输前应将单极性不归零码转换成HDB3码，以适应信道传输特性。HDB3码是一种双极性归零码，占空比50%，它是AMI码的改进型，其最大连零个数不超过3个，减小了从AMI码中提取位定时信号存在的相位抖动。2.2.1 AMI码AMI（Alternative Mark Inverse）码的全称是传号交替反转码。其编码规则是将消息码中的1交替变成-1和+1，将消息码中的0仍然保持0.例如：消息代码: 0 1 0 1 1 0 0 0 1AMI码: 0 +1 0 -1 +1 0 0 0 -1在用电压表示，上例中的+1即代表电压的+V，-1即代表-V，而0则代表0电压。由于AMI码中的-1和+1交替出现，所以没有直流分量。它的解码电路很简单：经过一个整流电路，AMI码就变成了单极性码。此外，它还容易发现错误，因为若接收码中出现连续-1和+1的情况，就说明发生了错码。但是AMI码有一个重要的缺点，即若出现一长串0时，将会使接收端无法取得定时信息。他的一个优点是可以降低对传输速率的要求，提高频带利用率。2.2.2 HDB3码为克服AMI码连“0”时无定时信息的缺点，对其进行改进，其中HDB3码最有代表性，并且得到了广泛的应用。HDB3码（High Density Bipolar of order 3code）的全称是3阶高密度双极性码。其编码规则是：1. 将消息码转换成AMI 码，然后检查AMI码中的连0情况。当没有发现4个（以上包括4个）连“0”时，则不作改变，AMI码就是HDB3码。2. 当发现4个或者4个以上连“0”的码元串时，就将第4个0变成与其前一个非0码元（-1和+1）同极性的码元。显然，这样做的结果就是破坏了AMI码的“极性交替反转”的规则。故将这个码元称为“破坏码元”，并用符号“V”表示，即用“+V”表示“+1”，用“-V”表示“-1”.若此“V”使后面的序列破坏了“极性交替反转”的规则，则将出现直流分量。故需要保证相邻V的符号也应该极性交替。当相邻“V”之间有奇数个非“0”码元时，这一点是能够保证的。但是，当相邻“V”之间有偶数个非“0”码元时，就不符合此机“极性交替”的要求了。为了解决这个问题，需要将这个连“0”码元串的第一个“0”变换成“+B”或者“-B”。B的符号与前面一个非“0”码元的符号相反；并且让后面的非“0”码元符号从V码元开始再交替变换。以下例子是变换的过程：消息代码：1000 0 1000 0 1 1 000 0 1 1中间码： -1000 0 +1000 0 -1 +1 000 0 -1 +1HDB3码：-1000 -V +1000 +V -1 +1 -B00 -V +1 -1HDB3码的编码规则虽然比较复杂，但是它的解码却比较简单。从上述编码规则可以看出，每一个破坏码元“V”总是和前一个非“0”码元同极性的（包括B在内），故从收到的码元序列中可以很容易的找到此破坏码元“V” ，因此也就知道了“V”及其前面的3个码元必定是连“0”码元，从而可以恢复出4个连“0”码元。然后，再将所有的“-1”变换成“+1”，就得到了原来的消息码。HDB3码出了具有AMI码的优点外，还可以使连“0”码元串中“0”的数目不多于3个，而且与信源的统计特性无关。因此，在接收时，能保证定时信息的提取。HDB3码得到了广泛应用，并且是ITU-T推荐使用的码型之一。 消息码转换成HDB3码的波形如图2.3所示。 图2.3 HDB3编码波形图2.3 2FSK数字调制及解调技术数字调制与解调是数据通信系统必不可少的重要环节。对于二进制基带数字信号，有三种调制方式，振幅调制、频率调制和相位调制。数字基带信号对高频载波的调制与模拟信号对载波的调制类似，数字信号对载波振幅调制称为振幅键控，即ASK（Amplitude-Shift Keying），对载波频率调制称为频移键控，即FSK(Frequency-Shift Keying)，对载波相位调制称为相移键控（即相位键控）PSK(Phase-Shift Keying)。 由于2FSK信号在数字通信中应用较为广泛，就算在条件恶劣的信道中，如短波无线电信道中，接收信号的相位有随机抖动，振幅也有随机抖动，2FSK还是能够较稳定的传输，2FSK信号就特别的适用。基于其抗干扰能力强以及其它方面的优点。本设计中采用2FSK数字调制。2.3.1 二进制频移键控的基本原理二进制数字频率调制，简称频移键控2FSK，是利用二进制数字基带信号S(t)控制载波Uc(t)的频率进行频谱变换的过程。在发送端，由基带信号控制载波，用不同频率的载波振荡信号来传输数字信号“1”和“0”；接收端则根据不同频率的载波信号，将其还原成相应的数字基带信号频移键控（FSK）是用不同频率的载波来传送数字信号，用数字基带信号控制载波信号的频率。二进制频移键控是用两个不同频率的载波来代表数字信号的两种电平。接收端收到不同的载波信号再进行逆变换成数字信号，完成信息传输过程。二进制频移键控信号码元的“1”和“0”分别用两个不同频率的正弦波形来传送，而其振幅和初始相位不变。故其表示式为：式中，假设码元的初始相位分别为和，为两个不同频率码元的角频率，A为一常数，表明码元的包络是矩形脉冲。 2FSK信号典型波形如图2.4所示：图2.4 2FSK典型波形 在图2.4中，2FSK 信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形（c），也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成: 式中： g(t) 单个矩形脉冲， Ts 脉冲持续时间； jn和qn分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位，通常可令其为零。因此，2FSK信号的表达式可简化为:式中： ， 2.3.2 2FSK信号的生方法FSK信号的产生有两种方法：第一种是用二进制基带矩形脉冲信号去调制一个调频器，使其能够输出两个不同频率的码元，如图3.2.1(a)所示。第二种方法是用一个受基带脉冲控制的开关电路去选择两个独立的频率源的震荡作为输出，如图3.2.1(b)所示。简称直接调频法和频率键控法。这两种方法产生的2FSK信号的波形基本相同，只有一点差异，即由调频器产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续的，而开关法产生的2FSK信号，则分别由两个独立的频率源产生两个不同频率的信号，故相邻码元的相位不一定是连续的。2FSK信号产生方法如图2.5所示：频率源0调频器开关电路A(t) s(t) s(t)频率源1 A(t) (a)调频法 (b)开关法 图2.5 FSK信号的产生方法 本设计采用频率键控法。频率键控法。也称为频率选择法。它有2个独立的振荡器，数字基带信号控制转换开关，选择不同频率的高频振荡信号实现FSK调制。键控法产生的FSK信号频率稳定度可以做得很高并且没有过渡频率，它的转换速度快，波形好。频率键控法在转换开关发生转换的瞬间，两个高频振荡的输出电压通常不可以相等。信号在基带信息变换时电压会发生跳变，这种现象也称为相位不连续，这是频率键控特有的情况。其实现2FSK调制原理框图如图2.6所示： 图2.6 频移键控法实现2FSK原理框图在图2.6中，两个独立的载波发生器的输出受控于输入的二进制信号，按“1”或“0”分别选择一个载波作为输出。2.4 FPGA可编程技术本设计中主要应用了EDA里面的FPGA超大规模可编程逻辑器件。主要是由PLD可编程逻辑器件演变过来的。可编程逻辑器件PLD是20世纪70年代发展起来的一种新的集成器件。PLD是大规模集成电路技术发展的产物，是一种半定制的集成电路，结合EDA技术可以快速方便的构建数字系统。FPGA近年来在国内发展得非常快,它以编程方便灵活、集成度高、处理速度快、低功耗、高性价比、可靠性高等优点受到了广大电子设计人员的青睐。特别是在数字信号处理领域，现场可编程门阵列(FPGA)得到了广泛的应用。2.4.1 FPGA可编程逻辑芯片特点 FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA近年来在国内发展得非常快,它以编程方便灵活、集成度高、处理速度快、低功耗、高性价比、可靠性高等优点受到了广大电子设计人员的青睐。特别是在数字信号处理领域，现场可编程门阵列(FPGA)得到了广泛的应用。以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过