（信号与信息处理专业论文）传感信号无线数字传输系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 本文设计一种以t i 公司m s p 4 3 0 系列的单片机为控制核心结合射频模块实现 传感信号的无线数字传输系统。与传统采用蓝牙技术的方法相比，此方法在环境 不稳定时，仍能保证良好的数据传输质量，且所需成本小。m c u ( 单片机) 主要负 责基带处理和控制，无线射频模块采用c y p r e s s 公司的c y w u s b 6 9 3 4 芯片。虽 然无线数字传输已经不是一个新的概念，但将无线数字传输技术应用在发电厂汽 轮机组的监视保护仪表方面却是一项新的突破。本文利用m s p 4 3 0 超低功耗和高 集成度的优点，专门针对电池供电和使用空间受限的汽轮机组监视保护仪表，设 计、实现了传感信号的无线数字传输系统。 关键词：汽轮机组、传感信号、无线数字传输系统、超低功耗、m s p 4 3 0 、 c y w u s b 6 9 3 4 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea r t i c l ep u t sf o r w a r dan e wd i 罾t a lw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c hi s r e a l i z e db yc o m b i n i n gam c ua si t sc o n t r o lc e n t e rw i t har f ( r a d i of r e q u e n c y ) m o d u l e c o m p a r e dw i t hu s i n gb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , t h i sr e s o l u t i o nc a ng u a r a n t e et h e q u a l i t yo ft h er e c e i v e ds i g n a le v e ni na nu n s t a b l ee n v i r o n m e n t ，b yt h ew a yt h ec o s ti s q u i t el o w t h em c u i si nc h a r g eo ft h eb a s e b a n dp r o c e s s i n ga n dc o n t r o l l i n g ，a n dr a d i o f r e q u e n c ym o d u l eu s e st h ec h i p ，c y w u s b 6 9 3 4 ，w h i c hi sp r o d u c e db yc y r p e s s c o m p a n y w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ni sn o tan e wc o n c e p t i o n ，b u tt h ea p p l i c a t i o n o fd i g i t a tw i r e l e s st r a n s m i s s i o ni n t ot u r b o h g e n e r a t o rm o n i t o r i n gi sab r e a k t h r o u g hi nt h e s y s t e mw h i c hi sp r i m a r i l yu s e df o rt h em e a s u r e m e n t ，a n a l y s i sa n dd i a g n o s i so fl a r g e r o t a t i n gp l a n t sl i k et u r b o g e n e r a t o ru n i t s s i n c et h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e m m a k e st h eb e s tu s eo fm s p 4 3 0f a m i l yc h i p ，w h i c hi se f f e c t i v e ，h i g hs p e e da n d p r e c i s i o n ，i ti ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rt h et u r b o _ g e n e r a t o rm o n i t o r i n gw h i c hi sh a n d yo r p o w e r e db yb a t t e r i e s ，o rt h er o o mi sv e r yl i m i t e d k e yw o r d s ：t u r b o _ g e n e r a t o r 、s e n s o rs i g n a l 、d i g i t a lw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e m 、 l o wp o w e r 、m s p 4 3 0 、c y w u s b 6 9 3 4 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。： 签名：笸! 重垂日期：即年，月垢 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：二冬鸟z t -导师签名： 垡碧 日期：加年，月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1论文研究的目的及意义 1 1 1 论文研究的背景及目的 通常在大型发电厂，发电机系统中高压转子，低压转子及励磁机的转动情 况对整个发电系统的正常工作至关重要，必须进行实时监测以便在发生故障之 前及时维修，避免给国家和人民的生命财产造成巨大的损失。汽轮发电机组监 测系统是通过监测安装在各转子支撑纵、横方位的传感器所采集到的振动信号 来保护机器免受强振损失进而发现机械振动故障，判断故障的性质，发生的部 位及产生的原因，并指导适时维修。 目前一般电厂对主设备以及汽机给水泵等大型辅机设备均采用安装在线 的汽轮机监视保护仪表( 简称t s i 仪表) 如图i - 1 所示，在设备上安装了传感 器( 就地设备) 然后通过敷设屏蔽电缆将现场的振动信号送到安装于集控室的 监视仪表( 监控设备) ，通过监视仪表对机组的振动情况进行实时监控，如果发 现某些测点振动偏大则发出触点信号，使设备强行停机以确保机组的安全 1 。 但由于屏蔽电缆线在使用中会出现如下缺点： 屏蔽电缆线长时间使用极易损坏、老化，当更换时工作量相当大。 当发电机厂房内空间有限时，屏蔽电缆线会占用很大的空间。 多路电缆线传输多路传感信号时，互相间会产生干扰。 基于在这样的背景下，本论文设计出一种用c p r e s s 公司w i r e l e s s u s b 系 列射频芯片c y w u s b 6 9 3 4 对传感器采集的振动信号进行无线数字传输，在中 央控制室进行集中监测。该芯片具有集成度高，外围器件少，接口简单，运行 稳定，组网方便等特点。使人们彻底摆脱了使用电缆线所带来的不便，同时保 证系统的稳定性和可靠性。 电子科技大学硕士学位论文 图l 一1t s i 故障诊断分析系统 1 1 2 论文研究的意义 论文所研究的项目可进一步提高电厂现代化管理水平，强化机器安全运转 监控管理，大大降低监控管理成本，具有显著的经济效益。 论文提出的将模拟的传感信号传输改为数字传感信号传输，大大提高了数 据传输的可靠性。 论文所提出的专门针对发电厂汽轮发电机组的传感信号的无线数字传输 系统，只是将原有的电缆线传输改为无线传输，实现了已有设备的充分利 用，节约投资。 论文针对发电厂汽轮机组的传感信号提出一种崭新的无线传输方案，在对 第一章绪论 m c u 的选取和无线射频模块的选取上都充分地考虑了系统应用的实际需 要，充分利用了两类芯片的优点，弥补了现有的各种无线数据传输在发电 厂汽轮机组传感信号传输应用中将会出现的这方面或那方面的不足，实现 了体积小、功耗低、价格低廉、性能可靠、结构功能简单的无线数据传输 系统。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国内研究概况 国内对无线数据传输技术应用在发电厂汽轮机组的监视保护仪表上的研究很 少。上海发电设备成套设计研究所把蓝牙技术使用于电厂辅机振动监测，但目前 还处于研发和试用阶段，且仅限于在电厂的辅机旋转机械的振动测量，并需等以后 积累了一定的使用经验后才可逐步推广到主机的振动监视系统。除此之外，在国 内还没有类似的文献报道可查阅。国内各发电厂汽轮机组的监视保护仪表基本上 都是以同轴电缆或双绞线进行传输振动传感器采集的振动信号。下面简要介绍一 下上海发电设备成套设计研究所设计的无线振动监测装置的系统。1 。 图卜2 振动监测系统图 如图卜2 所示的振动监测系统的系统框图：振动传感器测量振动，由于同一个 微微网中的传感器由3 位的m a c 地址区分的，一个微微网中最多有8 个传感器。 电子科技大学硕士学位论文 为满足了测量点数的要求，利用蓝牙的网络拓扑结构，可以构建多个微微网以满足 更多的测点要求。将一个微微网中的一套传感器作为主设备，其余传感器作为从设 备，主设备的时钟和跳频序列用于同步同一个微微网中的从设备，多个独立的非同 步的微微网又可以形成分布式网络，各个微微网通过使用不同的跳频序列来加以 区分。基于蓝牙技术的无线通讯系统，要求通讯的双方在2 0m 的物理距离范围之 内。所以在各个蓝牙振动传感器中加入了中继的功能，自动搜寻附近的同类振动传 感器，根据信号的强弱来判断距离的远近，为最近的振动传感器做信号中继站。这 样：即使有传感器a 离开与笔记本电脑相连的基站2 0 m 以外，那么只要当中有一个 振动传感器b 与传感器a 和基站都在2 0m 之内，那么传感器b 自动为传感器a 做 信号中继。将传感器a 的信号通过传感器b 传送到基站，并被笔记本电脑中的应 用软件所读取。 该系统实现的功能： 实现通讯距离为2 0m ，相对来说信号较弱，可以避免可能对其他系统产生 干扰，可以采用中继功能实现超过2 0m 的远距离传送。 由于蓝牙技术采用g f s k 届j b 频技术和时分双工( t d d ) 技术，增加了信道保密度， 避免了其他无线信号对它的干扰，提高了监测系统的安全性和可靠性。 蓝牙技术数据的传输率为lm b p s ，这样高的传输速率可实现振动波形的传输 而使波形不失真( 香农定理规定了波形不失真的采样定理) ，以便计算机进行 振动频谱分析和故障诊断。 但作为一套在线长期监测系统，是需要传感器处于在线工作状态的，无线振 动监测装置系统经计算和实验，发现由于系统的耗电大，电池只能维持2 0 天左右， 所以该系统还未实现长期的实时监测。 1 2 2 国外研究概况 在国外，带有蓝牙技术的监测系统已有使用的报道，如日本新干线的轨道和 桥梁状态监测系统已采用日本新川i 公司生产的带有蓝牙技术的监视系统，在轨道 和桥梁下安装了带有蓝牙技术的振动传感器，检测人员带上笔记本电脑，坐在火 车上就可以收集到轨道和桥梁的振动数据“1 。工业上，也已有在施工机械状态监 测现场采用蓝牙技术实现传感信号的无线数字传输的应用。下面以施工机械分布 式无线状态监测系统为例简要介绍国外无线数字传输技术在传感信号传输中的 4 第一章绪论 式无线状态监测系统为例简要介绍国外无线数字传输技术在传感信号传输中的 应用。 该方案针对施工机械状态监测现场的具体特点，侧重于蓝牙技术和新型无线 数据采集系统的应用。在一定工作环境的要求下，应尽量采用具有无线通讯能力 的传感器和数据采集系统，以避免有线电缆的使用。其中，对于每一台被监测施 工机械上的所有传感器，可以与数据采集器一起可以组成一个微微网，所有的微 微网又可以组成一个可以覆盖整个现场的分散网( 如图卜3 所示) 。可以看出，数 据采集器同时属于多个微微网，能与网络内的各个单位监测单元一起协调工作， 对监测信息进行实时采集，然后以无线通讯的方式通过局域网接入点把信息传送 至数据库服务器中。同时，w e b 用户在交付一定费用后，可以通过i n t e r n e t 共享 这些数据，从而实现数据的异地共享。 幽1 3 施i ：机械分布式无线状态监测系统结构图 电子科技大学硕士学位论文 1 3 论文的内容安排 本文对传感信号的无线数字传输及数据处理技术进行了研究。它的工程背景 是为成都昕亚科技产业有限责任公司开发一套用于发电厂汽轮发电机组状态监测 传感数据的无线数字传输系统。 文章首先对开发传感信号无线数字传输系统的必要性进行了阐述。成都昕亚 科技产业有限责任公司是一家专业从事大型旋转机器振动数据测量，振动故障分 析，转子动平衡等在线及离线监测仪器仪表的制造商。它主要的服务对象为全国 各地大、中、小型发电厂。由安置在汽轮发电机组转子轴承附近的振动传感器所 产生的反应电机运转情况的振动信号，在此项目开发前全部都依靠电缆线被传输 到控制中心。这种传输方式不仅占用相当大的空间，而且使用也极不方便，尤其 是当电缆线损坏或老化时，去旧换新的工作量相当大。基于各个电厂现状，从经 济实用角度出发，本文提出利用已有设备进行改造，实现数字化无线传输，不片 面追求国外高新技术产品，在节约大量资金的基础上很好地满足生产需要。 其次，对设计本系统所涉及到的基础理论知识进行了初步介绍。 再次，对本系统总体设计方案、设计过程及数字无线传输技术进行了详细地 研究。 最后，文章总结了系统实现的情况，并对未来研究发展方向进行了展望。 第二章开发传感信号无线传输系统相关的基础知识 第二章开发传感信号无线传输系统相关的基础知识 2 1 汽轮发电机组状态监测与控制系统 2 1 1 汽轮发电机组状态监测与控制系统的组成 振动是评价汽轮发电机组运行状况的重要指标。一定程度的振动是允许的， 振动过大，将使部件承受过高的动应力，使紧固部件松弛，滑动部件磨损或小间 隙配合的动静部件间发生摩擦，甚至会造成汽轮机叶片因动应力过高而疲劳折断 3 。 汽轮机发电机组的核心是转子，转子的正常运转与否直接反映了机组能否正 常工作。当然，转子的运动不是孤立的，它是通过轴承支持在轴承座及机壳或基础 上，构成了转子支承系统。支承的动力学特性在一定程度上影响了转子的运 动，从机组的实际运行情况来说，大多数振动问题或故障都与转子有直接的关系 只有少数问题直接与支承箱体或基础有关。既然大多数振动故障都是直接与转子 的运动有关，因而，要求从转子运动中去监测和发现振动故障，这比局限于轴承 座或机壳的振动信息更为直接和有效。当然，监测转子轴的振动情况要比测量非 转动部件的振动，在测试技术上难度稍大一些。近年来，新的测量技术的研究与 开发，大大提高了监测和分析能力。利用新的技术就可实现对汽轮机组设置完整 的实时监测与保护系统n ，。 汽轮机监测与诊断系统主要任务是对汽轮机的轴系振动量进行分析来诊断汽 轮机的机械故障，以及对通流部分进行监测和对通流部分相关的故障进行诊断和 预测。成都昕亚科技产业有限责任公司开发的v m 一9 5 1 0 型1 6 通道振动数据实时采 集分析系统( t d m ) 主要用于多转子大型旋转机器的轴和轴承振动数据采集，振动 故障分析，轴系平衡和振动等级评估等功用。尤其在机组启停过程中，为同时获 取1 6 测点的振动数据，建立机组振动档案，通过对数据和各种图形的分析，确定 预知性检修时段，是十分有效的。v m - 9 5 1 0 型1 6 通道振动数据实时采集分析系统 ( t d m ) 出于对发电厂汽轮发电机组状态监测的需要，在汽轮机、发电机、励磁机 的纵横方位安置振动传感器。由这些振动传感器来测量转子轴的振动情况，所产 生的电压信号由电缆线传输到v m - 9 5 1 0 仪器的数据采集板上，用以进行后续的分 电子科技大学硕士学位论文 析、诊断处理。整个系统结构如图2 一l 所示 高压转子 中压转子低压转子 发电机励磁机 图2 - 1 汽轮发电机组状态监测系统的结构图 如图2 1 中所示汽轮发电机组的核心部件由高压转子、中压转子、低压转子、 发电机和励磁机构成。它们的正常运转与否直接反映了机组能否正常工作。图中 卜1 4 分别表示安置在汽轮发电机组高压转子、中压转子、低压转子、发电机和励 磁机轴承纵横方位的振动传感器。此处纵横方位是指两传感器各位于与要监测部 件轴承的横截面中心线呈左右4 5 度的方向线上，即两传感器与轴心连线里垂直正 8 第二章开发传感信号无线传输系统相关的基础知识 交。这样才能测得被监测部件的轴振动信号。由于机组在工作时，发电机、励磁 机随同汽轮机( 高压转子、中压转子、低压转子) 在同一个转轴上以同样的速度 高速旋转。正常转速为3 0 0 0 转秒。图中1 5 表示安置在主轴上的振动传感器。它 所采集的信号并不如传感器卜1 4 采集的是振动信号，而是任意时刻整个轴转动的 相位信号。该相位信号用于当监测系统终端对1 - 1 4 路传感信号进行采样分析时， 用该信号作为一个基准相位参考，有些专家称之为同步信号。连接传感器与 v m - 9 5 1 0 仪器的是长达几十米甚至环境需要时可达数百米的同轴电缆线。整个系统 中单路信号处理框图如图2 2 所示，其中的信号调理方框图内部的具体电路模块 如图2 - 3 所示： 图2 - 2 汽轮发电机组状态监测与控制系统信号处理框图 ( 采用w 一9 5 0 1 0 型1 6 通道振动数据实时采集分析) 图2 - 3 信号调理内部的具体电路模块 安置在汽轮发电机组如图2 1 所示各部位的振动传感器，采集到的振动传感 信号，经由几十米的同轴电缆线传输到监测分析系统终端。测量信号( 前置器输出 的号) 经输入端和分压器送到差分放大器( 1 ) ，为了避免过载和获得统一的输出 电子科技大学硕士学位论文 电压，把输入级( 1 ) 作为减压器，在测量轴的相对振动时，转换器输出的信号由 直流分量( 一i o v ) 和交流分量组成。相应于静态平均值的直流分量和迭加上被测 物体动态运动的交流分量。输入级( 1 ) 后接一抗干扰的低通滤波器( 2 ) ，其输出 又接到高通滤波器( 3 ) ，在此直流分量被电容隔离，而高通滤波器( 3 ) 的输出信 号送至线性化放大级( 4 ) 对信号进行非线性补偿，之后又经整流积分放大级( 5 ) 进行峰值检波放大得到平稳的与振动成比例的模拟电压信号。为了对振动信号进 行分析、处理，首先需将与振动成比例的模拟电压信号，进行a d 转换。v m 一9 5 1 0 系统中采用1 2 位的a d 变换精度即可满足系统的要求。经过变换成为数字信号后， 便可以用计算机在相应的分析诊断应用软件的控制下，对数据进行分析、诊断处 理。最后将结果信息保存并实时在屏幕上显现出各转子振动的状况。 2 1 2 振动传感信号的采集与传输 2 1 2 1 振动传感器 在振动测量中传感器的性能及选用都直接影响到整个测试系统的功能，在汽 轮机转子轴相对振动测量时，选用了趋近式涡流传感器。由于转子轴表面具有很 大的切线速度，因此用接触式传感器是难以实现振动信号的接收，而涡流传感器 则是利用转子轴表面与传感器探头端部间的间隙变化来接收振动信号的，这样就 避免了探头与转子轴表面的直接接触。另外，涡流式传感器还具有零频率响应的 特点，故此它不仅可以测出转子轴的振动位移，而且还可以测出转子轴心的静态 位置偏离，这在判断运转过程中轴心是否处于正常的离心位置是有用处的。因此 选用非接触式涡流传感器 5 。 非接触式涡流传感器： 频率特性：o l 0 0 0 0 h z灵敏度：8 m v u m 具体特性如图2 - 4 所示： 1 0 0 0 0 图2 41 f 接触式涡流传感器 1 0 第二章开发传感信号无线传输系统相关的基础知识 用途：测转子轴振动。涡流传感器是由探头和前置器组成的。 探头 其上绕有一个平面空心线圈，当此线圈有交变电流通过时，即要产生交变磁 场，同时线圈有一定的阻抗z ，交变磁通穿过被测的物体时，被测物体又是自身 闭合的，这样便产生了感应电流涡流。而此涡流也是交变的，它要产生一个 力图阻止原磁通变化的磁通，这就削弱了线圈的磁通。检测线圈中磁通受涡磁的 影响，使线圈的等效阻抗z 发生变化，在激磁频率和环境温度不变的条件下，阻 抗z 与被测物体的材料厚度h 、电阻率q 、导磁率l o 、传感器与被测物体间的距离d 有关，即 z = f ( 丘q ，l o ，d ) ( 2 一i ) 公式2 1 中的4 个参量中，当使其中的h 、q 、l o3 个参量为恒定不变，则阻抗 z 就是另一个参量的单值函数，则公式2 一l 可写成： z = f ( d )( 2 2 ) 因此，可用此涡流探头测量金属物体的振动位移。 前置器 其作用即为将探头测得的线圈阻抗的变化信号转化成为所需的电压信号，为 了提高涡流传感器的灵敏度，将检测线圈并联1 只电容c 构成并联谐振电路， 再配以相应的调幅电路( 如图2 5 所示) ，当探头与被测金属物之间的距离d 发生 变化时，由于探头与被测量物体内的涡流效应，振荡器因探头端面前的金属物体 的影响而受到阻尼，振荡幅度随之变化，经检波、滤波、放大接到线性补偿回路， 之后的电压信号再经由放大器放大为较高的信号，这样就可在输出端得到一与距 离变化d 成正比的电压信号，从而得到检测距离d 与输出电压uo u t 的转换特性曲 线，如图2 - 6 所示。运用这种原理，旋转的转子轴的相对振动信号就可以转化为相 应的电压信号。 l 一一一一一一一一- j 图2 5 传感信号的采集、转换电路 1 1 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 6 传感器胁u t d 曲线 2 1 2 2 振动传感信号的特点及传输 发电厂汽轮发电机组监测传感器产生的振动信号是本论文无线数字传输系统 所要传输的对象。由安置在汽轮发电机组各转子轴承上的涡流振动传感器转换得 到的电压信号由直流分量( 一i o v ) 和交流分量组成。由于汽轮发电机组转子轴的 振动范围为2 0l lm - 3 0 0um ，由表达式2 2 可得振动传感器转换的交流电压信号幅度 取值范围为0 1 6 v 一2 4 v 。这相应于静态平均值一l o v 电压上迭加了幅度范围为 0 1 6 v 一2 4 v 的动态交流分量信号。因此任何时候涡流振动传感器得到的电压信号 都是绝对值很大的负电压信号。如果汽轮发电机组的各个转子正常工作且转轴无 任何振动现象发生，整个汽轮发电机组就会产生稳定的转速，3 0 0 0 转秒。此时各 振动传感器将会产生基频为5 0 h z 的正弦信号。但现实并不如此理想，汽轮发电机 组的各转子即使都工作状态很满意的条件下，它们的转轴多少都会有一些微小的 振动。所谓正常运行，只是振动幅值在规定的容许范围内。所以涡流传感器产生 的振动信号包含基频分量外，还包含倍频、二倍频、三倍频甚至四倍频的频率分 量。除此之外该振动信号中还混入了信号在传输过程中产生的各种干扰信号及机 器启停过程中的高频信号。但作为汽轮发电机组监测系统，要求除了滤掉信号在 传输过程中混入的干扰信号外，其余的信号都要如实地传输到监视仪表中，这样 才能监测汽轮发电机组在启动、停止及运行时的状况。在此项目开发前，该振动 信号的传输大都是通过敷设屏蔽电缆将现场的振动信号送到安装于集控室的监视 仪表( 监控设备) ，而现在本系统将要实现把电缆线完全去掉，以无线的方式来完 成。 第二章开发传感信号无线传输系统相关的基础知识 2 2 同步串行通信接口技术 因本论文中传感信号无线数字传输系统的核心芯片m s p 4 3 0 系列与射频模块 c y w u s b 6 9 3 4 芯片之间的通信采用同步串行的通信方式。所以再此简单介绍一下同 步串行通信接口技术的特点。 2 2 1 串行通信的基本概念 为了提高数据传输的效率，多位二进制数据可以同时传输，即并行传输。通 常以8 位、1 6 位或3 2 位的数据宽度同时进行传输。每一位都要有自己的数据传输 线和发送接收器件，在时钟脉冲的作用下数据从一端送往另一端。由于技术和经 济上的原因，不可能用多根传输线将多位二进制数据传送很远的距离。要求长距 离传输数字数据的场合，都采用串行传输方式。即在一根数据传输线上，每次传 送1 位二进制数据，1 位接1 位地传送。很显然，在同样的时钟频率下，串行传输 的数据速率要比并行传输慢很多倍。但由于串行传输节省了大量通信设备和通信 线路，在技术上也更适合于远距离传输。因此，远距离通信普遍采用串行传输方 式 6 7 。串行传输方式的特点： 串行传输是在一根传输线上一位一位地传送，这根线既作数据线又作联络 线，也就是说要在一根传输线上既传送数据信息，又传送联络控制信息。 串行传输的数据格式有固定的要求( 即固定的数据格式) ，分异步和同步 数据格式，与此相应，就有异步通信和同步通信两种方式。 串行通信中对信号的逻辑定义与t t l 不兼容，因此，需要进行逻辑关系和 逻辑电平转换。 串行传送信息的速率需要控制，要求双方约定通信传输的波特率。 根据在串行通信中，对数据流的分界、定时及同步的方法不同，串行通信可 分为异步串行通信方式和同步串行通信方式。 异步串行通信的基本特点是：异步串行通信是以字符为信息单位传送的。每 个字符作为一个独立的信息单位( 1 帧数据) ，可以随机出现在数据流中，即发送 端发出的每个字符在数据流中出现的时间是任意的，接收端预先并不知道。这就 是说，异步通信方式的“异步”主要体现在字符与字符之间通信没有严格的定时 要求。然而，一旦传送开始，收发双方则以预先约定的传输速率，在时钟的作用 下，传送这个字符的每一位，即要求位与位之间有严格而精确的定时，也就是说， 异步通信在传送同一个字符的每一个位时，是同步的。所以，所谓异步通信是指 电子科技大学硕士学位论文 字符与字符之间的传送是异步的，而字符内部位与位之间传送是同步的。 同步串行通信的基本特点是：同步串行通信是以数据块( 字符块) 为信息单 位传送，而每帧信息包括成百上千个字符，因此，传送一旦开始，要求每帧信息 内部的每一位都要同步，也就是说，同步通信不仅字符内部的位传送是同步的， 字符与字符之间的传送也应该是同步的，这样才能保证收，发双方对每一位都同步。 所以所谓同步通信是字符内部位与位之间传送是同步的，字符与字符之间传送也 是同步的。显然，这种通信方式对时钟同步要求非常严格，为此，收，发两端必须 使用同一时钟来控制数据传输中字符与字符、字符内部位与位之间的定时。 因此，异步串行通信一般用在数据传送时间不能确知，发送数据不连续，数 据量较少和数据传输速率较低的场合：而同步串行通信则用在要求快速、连续传输 大批量数据的场合 8 。 2 2 2 同步串行通信的数据格式 在串行传输中，通信双方都按通信协议进行。所谓通信协议是指通信双方的 一种约定。约定中包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方 式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。因此，也叫 做通信控制规程，或者称为传输控制规程，它属于i s o so s i 七层参考模型中的 数据链路层。目前，采用的通信协议有两类：异步和同步协议。同步协议又有面 向字符和面向比特等。在本论文的设计中，单片机与无线射频模块之间的通信主 要采用同步串行的通信方式。因此以下主要介绍串行通信同步方式中的数据格式 9 。 面向字符的同步通信数据格式 1 ) 特点与格式： 这种数据格式的典型代表是i b m 公司的二进制同步通信协议( b s c ) 。它的特 点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符，并规定了1 0 个特殊字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它 们也叫做通信控制字。由于被传送的数据块是由字符组成，故被称作面向字符的 数据格式。一帧数据格式如图2 7 所示。 图2 - 7 面向字符同步通信数据的帧格式 1 4 第二章开发传感信号无线传输系统相关的基础知识 2 ) 特定字符( 控制字符) 的定义 由图2 - 1 0 可以看出，数据块的前、后都加了几个特定字符。s y n 是同步字符， 每一帧开始处都有s y n ，加一个s y n 的称单同步，加两个s y n 的称双同步。设置同 步字符是起联络作用，传送数据时，接收端不断检测，一旦出现同步字符，就知 道是一帧开始了。接着的s o h 是序始字符，它表示标题的开始。标题中包括源地 址、目标地址和路由指示等信息。s t x 是文始字符，它标志着传送的正文开始。数 据块就是被传送的正文内容，由多个字符组成。数据块后面是组终字符e t b 或文 终字符e x t 。其中e t b 用在正文很长，需要分成若干个分数据块，分别在不同帧中 发送的场合，这是在每个分数据块后面用组终字符e t b ，而在最后一个分数据块后 面用文终字符e t x 。一帧的最后是校验码，它对从s o h 开始直到e t x 字段进行校验， 校验方式可以是纵横奇偶校验或c r c 。在面向字符的数据格式中所采用的一些通信 控制字，其名称及其代码如表2 1 所示。 表2 1 通信控制字符 名称 a s c i ie b c d i c 序始( s o h ) 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 1 文始( s t x ) 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0 1 0 组终( e t b ) 0 0 1 0 1 1 10 0 1 0 0 1 1 0 文终( e t x ) 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 0 0 1 1 同步( s y n ) 0 0 1 0 1 1 00 0 1 1 0 0 1 0 送毕( e o t ) 0 0 0 0 1 0 00 0 1 1 0 1 1 1 询问( e n q ) 0 0 0 0 1 0 10 0 1 0 1t 0 1 确认( a c k )0 0 0 0 1 1 00 0 1 0 1 1 1 0 否认( n a k )0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 转义( d l e ) 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 3 ) 数据透明的实现 面向字符的同步通信的数据格式，不像异步起止式通信的数据格式那样，需 在每个字符前后附加起始和停止位，因此，传输效率提高了。同时，由于采用了 一些传输控制字，增强了通信控制能力和校验功能。但也存在一些问题，因为在 电子科技大学硕士学位论文 数据块中完全有可能出现与特定字符代码相同的数据字符，就会发生误解。因此， 协议应具有将特定字符作为普通数据处理的能力，这种能力叫做“数据透明”。为 此，协议中设置了转义字符d l e 。当把一个特定字符看成数据时，在它前面要加一 个d l e ，这样接收器收到一个d l e 就可预知下一个字符是数据字符，而不会把它当 作控制字符来处理了。d l e 本身也是特定字符，当它出现在数据块中时，也要在它 前面再加上另一个d l e 。这种方法叫字符填充。字符填充实现起来相当麻烦，且依 赖于字符的编码。正是由于以上的缺点，又产生了面向比特的同步通信的数据格 式 9 i o k u l , 2 、面向比特的同步通信数据格式 1 ) 特点与格式 面向比特的协议中最有代表性的是i b m 的同步数据链路控制规程s d l c ( s y n c h r o n o u sd a t al i n kc o n t r 0 1 ) ，国际标准化组织i s o ( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ) 的高级数据链路控制规程h d l c ( h i g hl e v e ld a t al i n k c o n t r 0 1 ) ，美国国家标准协会( a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d si n s t i t u t e ) 的先 进数据通信规程a d c c p ( a d v a n c e dd a t ac o m m u n i c a t i o nc o n t r o lp r o c e d u r e ) 。这 些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意位，而且它是靠约定的位组合模式， 而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束，故称“面向比特”的协议。这种通信 的数据帧格式如图2 8 所示。 8位8位8位 0 位1 6 位8 位 开始标志地址场控制场 信息场校验场结束标志 图2 - 8 面向比特同步通信数据的帧格式 2 ) 帧信息的分段 由图2 7 可见，s d l c h d l c 的一帧信息包括以下几个场，所有场都是从最低有 效位开始传送。 ( 1 ) s d l c h d l c 标志字符 1 6 第二章开发传感信号无线传输系统相关的基础知识 s d l c h d l c 协议规定，所有信息传输必须以一个标志字符开始，且以同一个标 志字符结束。这个标志字符是o l l l l l l o ，称标志场。从开始标志到结束标志之间 构成一个完整的信息单位，称为一帧。所有的信息是以帧的形式传输的，而标志 字符提供了每一帧的边界。接收端可以通过搜索“0 1 1 1 1 1 1 0 ”来探知帧的开头和 结束，以此建立帧同步。 ( 2 ) 地址场和控制场 在标志场之后，可以有一个地址场a ( a d d r e s s ) 和一个控制场c ( c o n t r 0 1 ) 。 地址场用来规定与之通信的次站的地址；控制场可规定若干个命令。s d l c 规定a 场 和c 场的宽度为8 位。h d l c 则允许a 场可为任意长度，c 场为8 位或1 6 位。接收 方必须检查每个地址字节的第一位，如果为“0 ”，则后边跟着另一个地址字节：若 为“l ”，则该字节就是最后一个地址字节。同理，如果控制场第一个字节的第一 位为“0 ”，则还是第二个控制场字节，否则就只有个字节。 ( 3 ) 信息场 跟在控制场之后的是信息场i ( i n f o r m a t i o n ) 。i 场包含有要传送的数据，并 不是每一帧都必须有信息场。即数据场可以为0 ，当它为0 时，则这帧主要是控 制命令。 ( 4 ) 帧校验场 紧跟在信息场之后的是两字节的帧校验场，帧校验场称为f c ( f r a m ec h e c k ) 场或称为帧校验序列f c s ( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 。s d l c h d l c 均采用1 6 位循环 冗余校验码c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e ) ，其生成多项式为c c i t t 多项式。除 了标志场和自动插入的“0 ”位外，所有的信息都参加c r c 计算。 2 2 3m s p 4 3 0 系列芯片在同步方式下的使用 m s p 4 3 0 的u s a r t 处围模块可以实现同步通信( s p i ) 模式的接口功能。 同步接口是一个串行通道，允许7 位或8 位数据流以外部或内部编程的速率 移入或移出m s p 4 3 0 。当u s a r t 的控制寄存器u c t l 的s y n c 位置位时，u s a r t 选择 s p i 模式 1 2 。 u s a r t 的串行同步通信特性如下： 经s o m i 、s i m o 、u c l k 和s t e 引脚连接，支持3 或4 线s p i 操作。 可选择主模式或从模式。 接收和发送有各自的移位寄存器( u r x b u f 和u t x b u f ) 。 电子科技大学硕士学位论文 接收和发送具有双缓存。 时钟极性和时钟相位可控。 主模式的时钟频率可控。 7 或8 位字符长度。 同步模式数据和时钟信号用于发送和接收串行数据。主机提供时钟和数据 从机利用这一时钟将串行信息移进或移出。 2 3m s p 4 3 0 的软件开发环境简介 因本论文中传感信号无线数字传输系统的核心芯片采用m s p 4 3 0 系列，所以这 里简单介绍一下m s p 4 3 0 的软件开发环境一一i a r 公司的集成开发环境，该开发环 境分为i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 嵌入式工作台以及调试器c - s p y 。n 3 m ” 2 3 1e m b e d d e dw o r k b e n c h ( 嵌入式工作台) i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 为开发不同的目标处理器的项目提供强有力的开 发环境，并为每一种目标处理器提供工具。e m b e d d e dw o r k b e n c h 使用项目模式 来组织应用程序。它有如下一些特点。 通用性 可以在w i n d o w s 环境下运行； 分层的项目表示； 直观的用户界面； 工具与编辑器全集成； 全面的超文本帮助。 编辑器 可以同时编辑汇编和c 语言源文件； 汇编程序和c 语言程序的句法用文本格式和颜色区别显示 强有力的搜索和置换命令，而且可以多个文件搜索； 从出错列表直接跳转到出错的相关文件的相关语句； 可以设置在出错语句前标志； 圆括号匹配； 第二章开发传感信号无线传输系统相关的基础知识 自动缩进，可以设置自动缩进的空格； 每个窗口的多级取消与恢复。 i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 被专门设计成能适合常用的软件开发项目的组织 方式。若设计者需要开发适合于不同版本目标硬件的应用程序的相应版本，而这 些相应版本的应用程序又有相同的部分源文件，那么使用项目管理方式就很方 便。设计者只需要维护唯一的副本，就可以对应用程序的每一个版本进行改进。 e m b e d d e dw o r k b e n c h 适合维护用于建造应用程序的所有版本的源文件，允许设 计者以树状体系结构组织项目，并能一目了然地显示文件之间的依赖关系。 2 3 2c s p y 使用指南 在i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 中可以方便地进入c s p y 调试环境，但必须在设 计的程序通过了m a k e ( “编译”、“汇编”、“连接”) ，生成目标代码之后。有3 种方 式可以进入c s p y 的调试环境，分别是：在w i n d o w s 环境下依次单击“开始”、“程 序”、i a rs y s t e m s 、i a re m b e d d e dw o r k b e n c hf o rm s p 4 3 0k i c k s t a r t 、i a rc s p y d e b u g g e r ；在e m b e d d e dw o r k b e n c h 中单击p r o j e c t ，d e b u g g e r ：使用快捷按钮。 使用这3 种方式之一便可以进入c s p y 的集成环境中。 在c s p y 调试环境中，可以打开调试程序所需要的若干窗口：源程序窗口、寄 存器窗口、观察窗口、存储器窗口、特殊功能寄存器窗口等 1 2 “。 电子科技大学硕士学位论文 第三章无线数字传输系统方案设计与实现 3 1 传感信号的无线数字传输系统的方案设计 本系统的设计是在成都昕亚科技产业有限责任公司生产的v m - 9 5 1 0 型1 6 通道 振动数据实时采集分析系统基础上，来实现对汽轮发电机组状态监测与控制系统 的传感信号实现无线传输。 v m 一9 5 1 0 是便携设备，其性能优良，现已在全国各大电厂投入使用，在业界有 很高的信誉。虽然它在全国同类产品中有明显的优势，但作为技术和商业发展的 角度，成都听亚科技产业有限责任公司希望结合先进的技术，能够不断更新提高 自己的产品，使自己的产品能更适合实际的需要和更具有市场竞争力。因为技术 人员体会到在使用v m - 9 5 1 0 对电机进行检测时，除需携带仪器箱和传感器外，还 必须扛着重量达整个系统重量和体积二分之一的同轴电缆线，这种情况给使用带 来了极大的不便，尤其是当与被测点相距很远时，例如有时需要作为技术支持到 各大电厂提供技术培训和指导时，出差的路途中还不得不带着沉重的电缆线。同 时，同轴电缆线的成本不仅很高而且也占据相当大的空间，有时甚至会给在电厂 工作的工作人员带来行走上的不便。基于以上原因，提出能否利用无线传输技术 来实现汽轮机组传感信号的传输。 现有的无线传输方式对汽轮发电机组状态监测与控制系统的传感信号在实现 无线传输上的困难： 现有针对传感信号的无线传输方式只有采用蓝牙技术的方案。但一方面从成 本的角度看，市面上蓝牙器件的成本都比较昂贵尤其是针对工业上应用的蓝牙芯 片，只有在成批量购买时，才能有降低一点点成本的可能。成都昕亚科技产业有 限责任公司所生产的v m 一9 5 1 0 即使在实现了无线传输方案之后也不可能像手机或 家用电器等大众消费品那样，有那样大的销货量，因为它所服务的对象也只是国 内数目终究有限的电厂。因此对于相对规模不大的企业，所采用的成本在保证功 能质量的前提下，应尽可能降低。另一方面从实用角度看，因为汽轮发电机组状 态监测与控制系统的传感信号只需要用无线的方式传输到控制处理中心就可以进 行分析和处理了，而无需连接到互联网上。所以系统也无需使用像蓝牙那样结构 功能复杂的器件。 作为一套汽轮发电机组状态在线长期监测系统，是需要传感器处于在线工作 2 n 第三章无线数字传输系统方案设计与实现 状态，这样整个无线传输系统的功耗要尽可能的低，才能实现长期的实时监测。但 目前存在的各种无线传输方案并未考虑到汽轮发电机组状态监测系统的这个特 点。故都不