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摘要 本文针对当前废钢配料需求，研制了一套新型废钢配料控制系统。本 系统采用了无线通信技术和分布式软、硬件设计思想以保证系统的高可靠 性、稳定性和实时性以及配料的高准确性。 依据系统的复杂程度，本文在对动态链接库技术、数据库接口技术和 u m l 技术作了详细研究后，采用了分布式软件设计思想和统一软件设计方 法，提出了该系统中用况图、逻辑图、类图和组件图的设计。 无线通信方面，本文通过对通信过程中出现的种种影响误码率的因素 进行归类，建立了相应的数学模型，并依此模型提出了减小误码率的优化 方法：为提高系统的通信准确性和可靠性，本文对编码技术作了深入的研 究，并提出了同样码长和编码效率下为最佳码的b c h 码的软件实现方法。 硬件设计上，本文同样采用了分布式设计思想，并给出了相应的结构 图和接线图。实践证明了系统的可靠性、稳定性、实时性和高准确性。 关键字：统一软件开发分布式设计误码率b c h 码 无线通信动态链接库统一模块化语言 a b s t r a c t a r m i n g t ot h ed e m a n do fc o n f i g u r er a wm a t e r i a lo f m a k i n gs t e e l ，an e w s y s t e m n a m e dr a wm a t e r i a lo fm a k i n gs t e e l c o n f i g u r e c o n t r o l s y s t e m i s d e v e l o p e d i nt h i sp a p e r i no r d e rt oi m p r o v er e l i a b i l i t y 、s t a b i l i t y 、r e a l t i m ea n d v e r a c i t y o f c o n f i g u r i n g r a w m a t e r i a l ，t h et e c h n o l o g y o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dt h es p i r i to fd i s t r i b u t es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ni s a d o p t e d a c c o r d i n gt oc o m p l e xd e g r e e ，am e t h o dn a m e dt h eu n i f i e ds o f t w a r e d e v e l o p m e n ta n dt h es p i r i to f d i s t r i b u t e ds o f t w a r ed e s i g ni s a d o p t e da n dt h e f o u rd i a g r a m ：u s ec a s ev i e w 、l o g i c a lv i e w 、c o m p o n e n tv i e w 、d e p l o y m e n tv i e w i s p u t f o r w a r da f t e r r e s e a r c h i n gt e c h n o l o g y o fd l la n da d oi n t e r f a c e c o m p l e t e l y 。 o nt h ef a c e to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a f t e ra l lk i n d so ff a c t o rw h i c h c a na f f e c tt h er a t eo f w r o n g c o d e a r e c l a s s i f i e d ，t h e c o r r e s p o n d i n g m a t h e m a t i c sm o d e li ss e tu p ，d e p e n do ni t ，t h em e t h o dh o wt oo p t i m i z et h e r a t eo f w r o n g c o d ei sg o t i no r d e rt oi m p r o v et h ep r e c i s i o na n dd e p e n d a b i l i t y ， a f t e rs t u d y i n gt h ea r to fc o d i n g ，t h eb c hc o d e ，w h i c hi st h eb e s tc o d ei nt h e c o n d i t i o no ft h es a m el e n g t ho fc o d ea n de f f i c i e n c y ，i su s e d o nh a r d w a r ed e s i g n ，t h em e t h o do fd i s t r i b u t ed e s i g ni sa l s oa d o p t e d a n ds t r u c t u r ed i a g r a ma n dw i r i n gd i a g r a mi so f f e r e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t o f p r a c t i c ep r o v e di t s s u c c e s s k e y w o r d s ：h n i f i e d s o f t w a r ed e v e l o p m 。t a t d i s t r i b u t e ds o f t w a r ed e s i g n t 魏er a t eo f w r o n g c o d e b c hc o d ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d y n a m i cl i n kl i b r a r y u n i f i e dm o d e l l a n g u a g e i l 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人香：导师指导卜| 进行的研究j ：作及取得 翰研究成鬃。尽我掰舞；，赊了文。；特期翻瞄蠡洼和致谢豹地方努，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使1 j 过的利料。与我列工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文：弘z 弗了瞬确盼凌嘤露表承t i l 意。 签名目期： 关于学位论文使爱攫权款说鞫 1 a 7 东南火等、中国科学技术信息研究所、固家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的笺印捧和 恕予文挡，可以累耀影印、绩f f j 或其塑复制t - 段保存沦文。本人 f 旺予支耥的内容和纸质论文的内容相。致。除在保密期内的傈密论文外，允许论 文被嘲弼和借阅，可以公伽( 包括刊赣) 论文的全部或部分内容。论文的公疖( 包 括刊鼗) 授权末袁大学研究尘院办理。 签彰：圣一l _ 曩。笙导阉掺名：奈哥 目期：z + 2 竽 汤堑 ，型 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 第一章绪论 1 1 本课题的来源、背景及意义 本课题围绕张家港沙洲钢铁公司废钢配料自动化项目为背景而展开。 炼钢过程中，需要将各种废钢从废料堆加到炼钢炉中，废钢根据其含 铜、锰、锡、铅、铁的不同，一般分为五种：生铁、海面铁、压块、重废、 中废。各种配料在炙热的炼钢炉中变为钢水，成份重新配比，在检测到钢 水成份不符合要求时还需要继续炼制和加入铁水两个工序。上述五种成份 配比的准确性是影响钢质量的重要指标。为此国内很多厂家在这方面也做 了相关的研究。 针对到恶劣的炼钢现场环境，使活动的行车工作站与地面工作站之间 根本无法进行布线，它们之间的信息交互采用无线通信方式。最原始的方 法是和用各行车操作员的经验，给每一个料篮加入各种配料，这种方法的 缺点是很多人为的和非人为的因素导致配方准确性很差，随着通信技术日 新月异的发展，特别是无线通信技术的飞速发展，使得配方的准确性又迈 进了一大步，起初很多厂家采用了对讲机通话方式，实现行车工作站和地 面工作站之问的通信，在当时条件缺乏的情况下，这不失是一种较好的方 法，可炼钢炉噪声很大，严重影响了两个工作站之间的正常通信，这也在 一定程度上影响了对讲机方式的广泛使用；当无线通信方式真正由军用和 民用转向工业生产的时候，废钢配料系统正走向成熟、完善，当前比较成 功的有两种：一是像江阴某钢厂那样，采用无线通信方式，在较高的横粱 上安装一个大型l e d ，用来显示当前炼钢炉需要的配方重量。缺点是： 不能准确地说明各种配料的重量，行车员只能得到总的配料量；在阴雨 天和光线很强的时候，行车员看不清l e d 上的数据；另一种像上海某钢铁 厂那样，采用无线收发模块，行车工作站和地面工作站都采用电脑控制并 配上无线收发模块，这种方式的缺陷是成本比较高，这在一定程度上阻碍 了技术改进的步伐。为此，我们自行设计了一种方案，该方案的主要特点 是功能强大、效果好、成本低。 该系统投入市场后，提高了废钢配料的准确性和炼钢质量、增强了成 本核算的精确性、减少了不必要的工伤事故、提高了工作效率、带动了经 济效益的增长。 1 2 本文研究解决的问题 将无线通信技术运用到废钢配料系统中的研究在国内较晚，而实现低 成本高性能的控制系统目前国内屈指可数，为达到工业生产的种种要求， 我们在系统研制过程中解决了下述几个问题： 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 对通信误码率进行了详细的分析，对影响误码率的几个因素进行了 归类，并将它们与误码率之间关系的数学表达式表示出来，在现场 环境下对误码率和时间延迟进行实时仿真，获得了折衷并满足现场 工艺要求的两个重要参数：误码率和延迟时间； 对无线传输过程中的数据进行了统一的编码和解码，特别是传输过 程中的命令码采用了先进的b c h 编码方式，并提出了b c h 编码方式 的软件实现方法。 对系统的需求进行了详细的分析，采用了统一软件设计的思想，并 为该系统采用u m l 建立了良好的模型； 地面工作站软件，采用了分布式程序设计思想，增加了代码的可读 性和程序安全性，并保证了系统运行的可靠性； 硬件设计上，采用分布式设计思想【1 8 1 和与软件之间的统筹规划原则， 尽量减少复杂、冗余的硬件，在保证性能的情况下，采用了最实用、 便宜的器材，提高了系统的推广价值。 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 2 1 系统简介与要求 第二章总体设计 沙钢废钢上料系统主要设备包括：地面工作站、行车工作站、料车。 行车工作站距地面工作站最远距离6 0 0 m 左右；废钢场为露天场地，内有 料车轨道和行车轨道，行车工作站按配方将废钢放入料车中，再由料车将 废钢送入炉中。工作过程如下： ( 1 ) 地面工作站将配方数据( 各种废钢的重量) 送至各行车工作站( 无线通信 方式) ； ( 2 ) 行车操作员按配方要求将各种废钢放入相应料车，并发送确认信息至 地面工作站( 无线通信方式) ； ( 3 ) 料车上的称重传感器将重量信号送至地面工作站( 无线通信方式) ； ( 4 ) 地面工作站接收重量信号，同时将重量信号反馈至相应的行车工作站 ( 无线通信方式) ； ( 5 ) 如料篮车完成上料，且料篮中的废钢入炉已确认，则地面工作站通过 局域网将数据送至炼钢主控室相应画面。作业过程中，地面工作站还 应完成报表统计等功能，并形成报表，同时将有关数据上传集团公司 0 r a c l e 数据库。 系统的具体要求如下： ( 1 ) 无线网络不得对近旁的无线对讲系统、称重无线传输系统的正常工作 造成干扰；同时本身不受外来干扰的影响； ( 2 ) 数据传输准确、可靠、稳定，设备能适应工业现场环境： ( 3 ) 软件设计合理，能满足现场工艺操作要求： ( 4 ) 行车工作站要求有夜视光，液晶显示，附带触摸屏，并可在触摸屏上 直接进行相应操作，体积需小巧且达到4 8 6 级工业p c 配置，电脑工 作温度为4 0 度8 5 度，具有较强的抗震能力和抗电磁干扰能力。 ( 5 ) 地面工作站需要采用工控机，配置为：p i i l 7 3 3 2 0 g 1 2 8 m ，1 9 寸彩显。 ( 6 ) 界面设定。实时接收地面工作站发来的数据，并显示在行车工作站界 料包1配方当前重量和料确认键 重废1 5 0 t1 0 0 tf 1 轻废3 0 0 t1 0 0 tf 2 中废2 0 0 tl o o tf 3 生铁2 0 0 tl o o tf 4 海绵铁2 0 0 t1 0 0 tf 5 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 2 2 系统结构设计 2 2 1 废钢配料系统总体结构 依照系统要求，废钢配料系统的硬件结构如图2 2 1 1 所示。 整个系统可以分为两个部分：行车工作站和地面工作站。它们之间的 通信采用无线方式，这就需要在每个工作站上配有无线收发模块和全向天 线。根据系统的可靠性和可操作性，我们采取了分布式设计思想，在每个 行车工作站( 共四个) 采用体积小、集成度高、功能强大的平板电脑：地面 工作站采用研华工控机。对各种实时数据和历史数据的采集和记录都放到 了地面工作站上。 无线数据传输技术和地面工作站软件是废钢配料的核心。对前者，考 虑到废钢配料现场的恶劣环境，硬件上我们选择了性能稳定的型号为 s s t - 2 4 0 0 无线通信模块，软件设计上通过对误码率、编码方法的研究得出 了一套可靠的设计方案。对地面工作站软件，由于程序代码较大，我们采 用了统一软件设计思想，并将u m l 用来对系统对象进行建模，以增加程 序的可 2 2 2 地面工作站 图22 一i1 系统硬件结构图 地面工作站主要负责对行车工作站发送过来的数据进行处理、采集实 时数据、对历史数据进行统计和行车员成绩统计等。该系统硬件部分包括： 研华工控机、无线信号收发模块s s t - 2 4 0 0 、全向天线s s t - 2 4 0 0 5 、a d 6 0 4 0 板、8 1 0 板、无线电台等。软件是建立在w i n d o w s 2 0 0 0 p r o f e s s i o n a l 这样一 个稳定的操作平台上，编译环境采用v c 6 o 。同时本系统采用了面向对象 的模块化设计方案。通信接口编程方面采用了w i n d r i v e r 软件和动态链接 库技术。历史数据处理采用了a c c e s s 数据库，与数据库之间的接口技术采 用的是a d o 。 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 2 2 3 行车工作站 行车工作站的主要功能是实现对当前所需的配方和已有的配方进行实 时显示，并且能够发送行车员传送给地面工作站的配料种类信息。硬件设 备包括6 4 英寸小平板电脑p p c 5 7 s 、无线收发模块s s t - 2 4 0 0 、全向天线 s s t - 2 4 0 0 5 、2 2 0 2 4 v 电源等。由于平板电脑硬盘很小( 3 2 m 的c f 卡) ，我 们采用了传统的d o s 操作系统，程序实现采用了t c 2 0 。 2 3 关键技术 依照以上设计方案的技术难点主要包括：无线通信技术和软件设计技 术。下面将阐述这两种技术。 2 3 1 无线通信技术 无线通信接入方式主要包括两种：无线网络方式和串并口接入方式。 为成功完成该系统，作者作重在串口接入方式方面作了深入研究。其主要 关心的问题是传输距离、误码率、编码方式、数据长度、为保证实时性所 采用的接口驱动方式。 传输距离短是串并口方式相对于无线网络方式的一个致命的弱点，主 要与噪声、收发模块的功率、收发天线的优劣、现场的空旷程度等因素有 关。一般来说，串口通信方式很难实现5 0 0 0 m 以上的无差错实时传输。但 在工业现场中，它也具有一些十分重要的优点：成本较低：距离较 短的情况下，实时性好；硬件设备简单易用、易维护。 误码率是无差错传输的一个重要的指标：误码率高，则通信可靠性较 差，反之亦然。本课题中误码率主要与行车工作站上的电磁辐射、电源在 受到冲击时产生的毛刺、传输距离、噪声、信号强度、发送频率等一系列 因素有关。 对电磁辐射干扰的解决方法是：硬件上将每一个数据线都换成进口屏 蔽电缆线，在每一个接线头上都用绝缘布裹好；软件上主要采用了带时限 多次握手技术，这也是解决其他问题的主要方法之一。 对电源受到冲击时产生的毛刺所带来的影响，本课题中采用的方法是 在每一个2 2 0 2 4 v 电源的接线头上加上一个电源滤波器。 其余的几个方面与误码率之间的关系可以表示为： = f ( p ，r ，z ) 其中e 表示误码率，p 代表发送功率，f 代表定时时钟，z 代表噪声 分贝数。在后面的章节中将会对此详细阐述。 编码方式同样也是保证数据通信错误率最小的一种重要手段。通信过 程中，封装的信息包括信息长度、命令、参数、校验码等，特别是命令信 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 息绝对不能出任何差错，这就需要对这样的信息重点考虑。为此本文在对 通信编码技术作了相关研究后，采用了b c h 编码方式。文献 1 2 ，13 指出， b c h 码是循环码的一个子类，具有循环码的所有特性。一般循环码的生成 多项式与最小码之间没有明显、直接的关系，b c h 码则有这种关系，便于 选择最小码距或提高纠检错能力，当码长在数百位以下，在同样码长和编 码效率下，b c h 码为最佳码。 驱动程序的开发方法是影响通信实时性的一个重要方面。对t c 语言 而言，驱动程序设计一般是采用一到两个文件，实现对串口操作所需要的 函数；地面工作站采用v c 编程环境，其代码本来就很大，如果在这个基 础上堆积将会使程序可读性降低，另外串口操作的优先级较高，使得程序 运行的连贯性不强，为此在通信驱动程序的设计上我们采用了分布式1 1 7 1 程 序设计思想，将驱动程序封装到一个动态链接库中，该动态链接库外露出 一些接口函数，以供主程序调用，主程序调用该函数时采用多线程以消除 串口通信过程中对主程序运行所带来的影响。 2 3 2 统一软件开发 u m l 的问世受到了计算机软件界的广泛重视，因为它代表了一种积极 的方向一一多种方法互相借鉴、互相融合、趋于一致、走向标准化。建模 语言的标准化将为软件开发商及其用户带来诸多便利。 u m l 是以构架为中心、以用况为驱动、迭代和增量的开发过程。在系 统的建立过程中主要需要形成以下的9 个图：类图、对象图、用况图、顺 序图、协作图、状态图、活动图、构件图、实施图。其中类图展现了一组 对象、接口、协作和它们之间的关系、在对面向对象系统的建模中所建立 的最常见的图就是类图。类图给出了系统的静态设计视图。包括主动类的 类图给出系统的静态进程视图。对象图展现了一组对象以及它们之间的关 系，对象图描述了在类图中所建立事物实例的静态快照。和类图一样，这 些图给出系统的静态设计视图或静态进程视图，但它们是从真实的或原型 案例的角度建立的。用况图展现了一组用况、参与者及它们之间的关系。 用况图给出系统的静态用况视图。这些图对系统的行为进行组织和建模是 非常重要的。顺序图和协作图都是交互图，交互图展现了一种交互，它由 一组对象和它们之间的关系组成，包括在它们之间可能发送的消息。交互 图专注于系统的动态视图。顺序图是一种强调消息的时间顺序交互图；协 作图也是一种交互图，它强调收发消息对象的结构组织。顺序图和协作图 是同构的，这意味着它们是可以相互转换的。状态图展现了一个状态机， 它由状态、转换、事件和活动组成。状态图专注于系统的动态视图。它对 于接口、类、或协作的行为建模尤为重要，而且它强调对象行为的事件顺 序，这非常有助于对反应式系统建模。活动图是一种特殊的状态图，它展 现了在系统内从一个活动到另一个活动的流程。活动图专注于系统的动态 东南大学硕士学位论文 基于无线通信的废钢配料系统研制 视图。它对于系统的功能建模特别重要，并强调对象间的控制流程。构件 图展现了一组构件之间的组织和依赖。构件图专注于系统的静态实现视 图。它与类图相关，通常把构件映射成一个或多个类、接口或协作。实施 图展现了对运动时处理节点以及其中的构件的配置。实施图给出了体系结 构的静态实施视图。它与构件图相关，通常一个节点包含一个或多个构件。 可视化、详述、构造和文档化一个软件密集型系统，要求从几个角度 去观察系统。各种人员一一最终用户、分析人员、开发人员、系统集成人 员、技术资料作者和项目管理者一一他们各自带着项目的不同日程，而且 在项目的生命周期内各自在不同的时间、以不同的方式来看系统。系统体 系结构或许是最重要的制品，它可以驾驭不同的观点，并在整个项目的生 命周期内控制对系统的迭代和增量式开发。 本系统地面工作站软件编程时，充分考虑到系统的复杂程度，采用了 统一建模语言( u m l ) 对系统对象建模，并分别给出了用况图、顺序图、状 态图、构件图、协作图、类图、实施图。实现时采用u m l 中代码转换的 良好机制，真正做到了将程序的设计、代码和注解完全融合在一起，使我 们从一开始就进入到程序开发的角色中，使每一个程序设计者都能够在设 计过程中提出自己对各种设计方案的见解，增强了各个系统设计员的主动 性和责任感。 2 4 系统功能和特点 2 4 1 界面友好 ( 1 ) 地面工作站 地面工作站是系统最复杂的部分，也是操作员必须朝夕相对的部分， 所以在设计的时候系统界面采用了柔和的色调和紧凑的显示结构。行车工 作站主要包括5 个界面，分别是主控界面、历史数据查询、行车员成绩查 询、实时监控画面和系统说明画面。下面主要对前四个图进行简单的说明。 主控界面，如图2 - 4 - 1 1 所示。主要功能是实现计量员和班组的设定、 配方数据的填写和发送、历史数据和实时数据的统计、显示，当一个料包 打不开的时候，还需将前面统计的当前料篮的数据撤销。 历史数据查询，如图2 - 4 1 2 所示。其主要功能是实现对每一炉数据 统计，操作员可以在一定程度上进行修改，并可以数据查询和打印。 行车员成绩查询，如图2 - 4 1 3 所示。主要功能包括对行车员的成绩 进行统计并显示出来，操作员对数据进行修改、查询和打印。 1 0 东南大学硕士学位论文 基于无线通信的废钢配料系统研制 图2 4 1 1 主控画面 图2 4 1 2 历史数据查询 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 图2 4 1 3 行车员成绩查询 实时监控画面，如图2 - 4 1 4 所示。其主要功能是对当前各行车工作站的工 作情况进行地面监控，操作员可以进行查询和删除工作。 图2 4 1 - 4 监控画面 ( 2 ) 行车工作站 行车工作站是系统的上位机，该系统程序实现建立在t c 语言环境下。 该系统的主要功能是接收行车工作站的配方数据、对实际配料种类进行确 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 认，对前一次的错按键进行调整，对各个料包配方情况进行相应的切换。 其界面如图2 - 4 一1 5 所示。 2 4 2 操作方便 图2 4 - 1 - 5 行车工作站界面 操作方便是系统的一个重要指标。由于操作员文化程度较低，对复杂 的操作十分头痛并且很容易出错。所以本系统设计时尽量使系统智能化， 整个一炉钢的炼制过程中需历时3 0 分钟左右，而地面工作站操作员仅需 按下3 次按钮。行车操作员也只是在调完一篮后才按下一次按钮。 对地面工作站来说，基本操作规程是：双击桌面上的图标打开系统， 正确输入系统密码，填写各料篮线上所需配方值，并按下发送按钮，如果 某一个料包打不开，按下与该料篮线相对应的撤销按钮，当一炉钢炼完后， 按下统计按钮。 对行车工作站，当行车员调完一篮料后，按下与该料类型相对应的确 认按钮，如果不小心按错键，按下按键调整按钮后，再按下正确的键即可。 2 4 3 功能强大 该系统采用了多线程技术，可同时进行实时数据采集和发送、历史数 据和行车员成绩统计、查询、修改和打印、各行车工作情况实时监控等一 系列操作，并且在运行速度上不会受到任何影响。 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 2 4 4 实时性强 实时性是系统十分重要的要求。在炼钢过程中，行车员必须能够及时 知道当前需要的实时配方，通过对误码率和通信延迟作了充分的分析和仿 真，得出了一个比较合理的延迟时间。配方改变后，1 2 0 m s 内将自动显示 到行车工作站平板电脑的显示屏上。 2 4 5 通信准确性高 准确性是整个系统首当其冲的要求。一旦数据发送不准确，将会在很 大程度上造成配方错误，其严重性小则该炉钢不符合要求而作废，大则引 起工况事故，造成人员伤亡，所以通信的准确性是本系统的一个重点和难 点。考虑到现场环境比较恶劣，磁干扰和行车震动很大，噪声也给我们带 来了不可忽略的麻烦。为此，我们在硬件和软件方面都作了一些改进和防 范措施。这些将会在下面内容中详细分析。实际证明了本系统的稳定性、 可靠性和通信的准确陛。 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 第三章无线通信的研究 3 1 无线通信发展简介 基于模拟技术带频率调整第一代无线移动通信系统的发明是在1 9 世 纪8 0 年代。其典型的实例是n m t ( 北欧式的移动电话) 和a m p s ( 高级移动 电话系统) 。1 9 世纪9 0 年代早期，各种标准的第二代数字蜂窝系统被开发 出来，它包括英国的g s m 和美国的i s 一9 5 和i s 5 4 13 6 ，日本的p d c ( 个人 数字蜂窝系统) 。总而言之，第二代系统对传输效率和声音效果方面都取 得了很大的提高。第三代无线通信系统正在向全球各个区域相继推出。该 系统提供了多媒体服务和满足了更多的诸如即时即地的需求”】，它的发展 方向是宽带无线通信技术。第三代无线通信技术的实例包括i m t - 2 0 0 0 ( 电 讯2 0 0 0 ) ，c d m a 2 0 0 0 ，和d o c o m o w c d m a 系统。尽管第三代无线通信 系统具有较好的效果并将会获得广泛的应用，第四代无线通信系统还是被 早早提上了议事日程【6 l 。第四代移动通信技术将会提供一个总虚拟的i p 网 络，该网络整合了多种服务并提供了很多新的功能。无线通信发展的趋势 是数据传输的高频率、传播过程的全双工、天线的智能化和多输入多输出 使用”。 无线通信技术的不断完善使其在工业生产过程中取得了广泛的使用， 该技术克服了以往有线通信过多地依赖控制室和远端现场之间的物理连 接，不适合于环境恶劣、现场危险、噪声干扰大、工作人员不宜停留的工 作场所等局限。 3 2 废钢配料串口通信 废钢配料系统的通信主要包括两种：串口r s 2 3 2 通信和数据采集卡 a d 6 0 4 0 。首先讲述r s 2 3 2 通信。众所周知，它是由电子工业协会( e i a ) 于 6 0 年代早期制定，经过几次修订。6 0 年代晚期制定的r s 2 3 2 c 可能是最 常见的版本，也是我们在本系统中采用的。这儿我们介绍一下该标准。 该标准最明显的一点是d t e 和d c e 之间的连线数( 2 5 ) 。如果标准被 完全实现的话，d t e 和d c e 的连线使用一条2 5 线的电缆( 有时称为d b 一2 5 电缆) ，电缆与接线在设备的接口是一个2 5 钎的连接器。各条连接线在设 备通信的建立中起着不同的作用。表3 2 1 给出了总结，并指明了信号的 方向( 比如说连接线是从d c e 到d t e ，还是从d t e 到d c e ) 。表中还给出 了各条连接线的e i a 名称( 线路代号) 。现在简单介绍一下某些连线在一次 典型的d t e d c e 连接中所起的作用。 东南夫学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 表3 2 一lr s 2 3 2 一c 的线路定义 线路代号连线号信号方向功能 a a1 保护地。连接设备外壳或者 地表 a b7 信号地。所有地信号电平以 它为参考电平 b a2d t e 到d c e 发送数据( t d ) 。d t e 在该线 上传送数据给d c e b b3d c e 到d t e 接收数据( r d ) 。d t e 在该线 上接收d c e 传来的数据 c a4d t e 到d c e 请求发送( r t s ) 。d t e 在发送 数据之前使用该线路请求 d c e 的许可 c b5d c e 到d t e 清除待发送( c t s ) 。d c e 使用 该线路允许d t e 发送数据 c c6d t e 到d c e 数据设备己准备好( d s r ) 。该 线路上的信号表示d t e 已经 连上通信媒体，完成了操作 准备。比如说，如果d c e 是 一台调制解调器，该线路就 用来表示它是否在线 c d2 0d t e 到d c e 数据终端准备好( d t r ) 。该线 路上的信号表示d t e 已经准 备好进行发送和接收。它可 用来给一台调制解调器发信 号，告诉它什么时候连接通 信信道 c e2 2d c e 到d t e 振铃指示。表示d c e 从通信 信道上收到一个振铃信号 ( 比如调制解调器收到一个 呼叫) c f8d c e 到d t e 数据载波检测( d c d ) 。表示 d c e 收到一个符合适当标准 的载波信号。基本上，这表 明d c e 理解引入信号 c g2 ld c e 到d t e 信号质量检测。表示引入信 号无错的可能性大小 东南大学硕士学位论文 基于无线通信的废钢配料系统研制 c h c i2 3d t e 到d c e数据信号速率选择于旨示。在 或者d c e 到d t e 和d c e 有两种信号速率 d t e可用时，该线路指明使用那 一种 d a2 4d t e 到d c e发送器信号元定时。d c e 用 此时钟信号为信号的产生计 时 d b1 5d c e 到d t e发送器信号元定时。类似于 d a ，但这里是d c e 为d t e 的信号接收提供定时信号 d d1 7d c e 到d t e接收信号定时。类似于d a ， 但这里是d c e 为d t e 的信 号接收提供定时信号 s b a1 4d t e 到d c e辅助信道发送数据。和b a 一样，但它使用辅助信道 s b b1 6d c e 到d t e辅助信道接收数据。和b b 一样，但它使用辅助信道 s c a1 9d t e 到d c e辅助信道请求发送。和c a 一样，但它使用辅助信道 s c b1 3d c e 到d t e辅助信道清除待发送。和c b 一样，但它使用辅助信道 s c f 1 2d c e 到d t e辅助信道数据载波检测。和 c f 一样，但它使用辅助信道 r l2 ld t e 到d c e远程回送。用于测试，指示 d c e 返回传输信号 l l1 8d t e 到d c e本地回送。指示本地d c e 返 回传输信号 t m2 5d c e 到d t e测试模式。表示d c e 处于测 试模式 假设d t e 是一台p c 机，而d c e 是一台调制解调器。前六条线路主 要用于建立一次交换，以确保在一台设备准备就绪之前，另一台设备不向 它发送数据。图3 2 1 显示了一段时间发生的信号交换。既然d c e 代表 d t e 连接网络，它就必须知道d t e 是否已经作好准备。d t e 通过在编号 2 0 的d t r 线路上发表声明( 发送一个信号) 来表明它已经准备就绪( 图3 - 2 1 中的时间t 1 ) 。d c e 检测到信号，并作出响应，与网络建立连接( 如果还没 有建立连接的话) 。一旦d c e 实现连接并准备就绪，它就在编号为6 的d s t 线路上作出声明( 时间t 2 ) 。这样，d c e 对d t e 准备就绪的声明发回确认， 东南大学硕士学位论文 基于无线通信的废钢配料系绕研制 并宣布自己也作好准备。一旦双方准备就绪，d t e 就在编号为4 的r t s 线路上发表声明，向d c e 请求发送数据( 时间t 3 ) 。该线路还负责控制双工 通信中的数据流方向。一旦检测到r t s 信号，d c e 就转入一种传输模式， 这意味着它已经为在网络上传送数据作好准备。然后它发回响应，在编号 为5 的c t s 线路上发表声明( 时间t 4 ) 。最后，d t e 在编号2 的t d 线路上 发送数据( 时间t 5 到t 6 之间) 。当d c e 在网络上检测到一个认可的引入信 号时，它在编号8 的d c e 线路上发表声明( 时间t 7 ) 。信号到达时，d c e 使用编号3 的r d 线路把它们发送给d t e 。 在t d 线上传 送数据给d c e 卜眦发送叫i 盟黼嵩l k 一d t e 接收一 图3 - 2 1 通过r s 一2 3 2 连接收发数据 当前我们使用的r s 2 3 2 端口并没有使用2 5 针，而仅仅是使用了其中 的9 针。因为调制解调器端口通常是一个8 至9 针的连接器，作出这样的 决定，通常是出于经济上的考虑。当然该标准也存在着定的缺点，主要 是在带宽和距离上的限制。它一般用于在5 0 英尺距离内每秒传输2 0 ，0 0 0 个比特。 该通信主要应用于行车工作站和地面工作站之间。在本系统中由于使 用了m o d e m ( 无线调制解调器) ，因而只使用了其中5 根最常用的信号线： 发送数据( t x d ) 、接收数据( r x d ) 、请求发送( r t s ) 、数据通信设备准 备好( d s r ) 和信号地，它们的数据连线如图3 2 2 所示。 发送数据t x d发送数据t x d s s t -s s t 一行 计 r t s r t s 2 4 0 02 4 0 0 生 算接受数据r x d无线无线通信无线接受数据r x d 工 机 m o d e mm o d e m d s r 作 d s r s l a v es l a v e站 信号地信号地 图3 2 2 系统现场总线的通信方式 本无线通信过程中，数据经由r s 2 3 2 到调制解调器和功率放大器后发 送出来，接收站通过调制解调器获得数据。其发送的距离、数据包长度和 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 间隔时间等因素主要是由接口软件、无线m o d e m 和与其配套室外天线决 定的，而归根到底是由发送功率、定时时钟和噪声等因素决定的。在本项 目中数据传输距离在l5 0 6 0 0 m 之间，我们可以选择其最大距离6 0 0 m 作 为极限考虑对象，其数据包的长度我们已经设定为7 0 个字节。控制的目 标是实现误码率尽可能小。其数学模型可以表达为： = f ( p ，f ，z ) 其中e 表示误码率，p 代表发送功率，r 代表定时时钟，= 代表噪声分 贝数。下面将分别说明它们对1e 的影响。 3 3 串口通信误码率的检测 传输信道中的噪声和干扰将以叠加的形式随信号仪器进入接收机或 再生中继器。在接收机或再生中继器中将要对接收信号进行判决，接收判 决时信号的噪声干扰如图3 3 1 所示。传输噪声的影响表现为使接收的 p c m 信号序列发生比特差错，对二进制传输系统而言，可将符号1 错 判为“o ”或者将符号0 错判为1 。显然，这种差错出现愈频繁判决 j u ( i j 之芦、。 图3 3 一i 接收判决时信号的噪声干扰 输出与原信号相比差别就越大。这种错误判决的可能性我们用误码率来度 量。误码率的定义是： e = l i m 发生误码的个数n | 1 4 发送的总码数n ( 3 - 3 1 ) 这里，误码个数是指“1 ”判为“0 ”和“0 ”判为“1 ”的两种情况之 和。 设二进制数字序列组成的编码信号以s ( t ) 表示，0 伏和a 伏两种电平 分别表示其中的符号0 与1 。设传输噪声”( f ) 是均值为0 方差为0 - 2 的 加性高斯噪声。因此，总的接收信号可表示为： 东南大学硕士学位论文 基于无线通信的废钢配料系统研制 甜( f ) = s ( f ) + 仃( r ) ( 3 3 - 2 ) 判决的目的在于确定每个比特中所发送的符号是“o ”还是“l ”。为 此，每隔一个比特间隔要对接收信号“( r ) 抽样一次，并将抽样值与一个预 定的门限电平值加以比较。如设各判决时刻为2 z ，则对发送为1 ，或 0 两种不同的情况的判决值为： 蛔，2 譬嚣筹誓筹 b ，扪 按前述讨论，传输信道噪声可用均值为零的高斯分布来描述。这样， p ( u o ) 表示发送信号为“0 ，时判决值的概率分布；p ( u 1 ) 表示发送信号为 “1 ”时判决值的概率分布。当判决时刻出现与信号反向的噪声时就要产 生错误判决。根据条件概率定理，应有： e = p ( o 4 ) p ( a ) + p ( a o ) 。尸( o ) ( 3 3 4 1 由( 3 - 3 4 ) 式通过数学推导可得： e 5 志妒2 也 b ，跏 ：! 一一芦。古a 扎 p l 。e “ z ：三 令4 2 g ，则上式可变为： 2 吉一面1 产e “2 出 驯老j 口，啕 式中，p 矿b 】2 再2r e 一出，称为误差函数；a 盯表示二进制信号峰值a式中， 石“ ，称为误差函数；盯表示二进制信号峰值 与噪声均方根值之比，通常定义为信噪比。 3 4 输出信号的定时偏差分析 定时时钟脉冲是定时电路从接收的信息序列中提取的，其定时时钟提 取电路方框图如图3 - 4 1 所示。从全波整流后的单极性脉冲序列中提取再 成分的最简单电路是调谐电路，一般中速以下的p c m 系统中通常采用l c 调谐电路。定时时钟调谐电路的性能是用所形成时钟脉冲的抖动特性来评 价的。定时时钟抖动是p c m 方式传输系统的重要指标之一。它与传输通 2 0 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 路噪声、时钟提取电路的参数如谐振回路的q 值及信号序列中“1 码的密 度有关。 信 图3 4 1 时钟提取、形成方框图 假定谐振电路的品质因数为q ，谐振频率为- ，r ，时钟频率为再，则谐 振电路的冲击响应是： 绯) = 吉( 1 + 寺e 一争正2 班p 1 ( 3 - 。- 1 ) 的实部。若调谐电路输入序列抖动值是a t ，且假定单极性脉冲序列是幅度 取值a n2 1 或0 的随机序列，表示式为： g ( f ) = 占( 卜n t + a t 。) ”“ ( 3 4 2 ) 其对应的谐调电路输出是： 坤睁+ 毛) 辑帅一争州l + 抄争。固 a t n 式中，了是输入序列的时间偏差，z 2 五十v ，其中，为调谐偏 差【”。当i a f f r l r r q ，a t 。t 惨”n ，卜降一等”n ，卜等个 、 、 i 1 92 02 12 22 32 42 5 图3 5 1 误码率与信噪比的关系曲线 a j 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 从理论上可以得出，r 越小，定时偏差就越小，但在实际应用中必须将 程序指令的执行时间考虑在内( 鉴于篇幅，程序指令的执行时问与，r 的具 体关系在此就不赘述) ：当，r 过小的情况下，可能程序还没有来得及刷新 屏幕，变量值就又发生了变化，这样实际就又加大了值，影响了系统的 可靠性。 为了在当前情况下实现最小，作者在选择定时时间前，在现场中作 了( 与，r 的仿真。仿真中噪声分贝数由现场实际情况决定，大约在1 2 0 1 5 0 分贝之间；发送功率p 为1 5 瓦。仿真方法是从上微机定时间隔发出 5 6 0 个位的两个完全不同的固定数据，在下微机上编制一个循环接收数据 的程序用来接收数据。每当上位机发送完8 0 0 0 0 0 次可将值统计出来， 同时修改定时值。 通过仿真得出( 与t ( = 1 j r ) 的关系如图3 5 2 所示。依据此曲线图可得， 定时时钟的最佳时间是6 0 毫秒。 t 1 0 一2 1 0 一3 1 0 4 一一一一 1 0 一5 1 0 一6 一 1 0 一7一 1l1 l l i1l l 一 0 2 04 0 6 08 01 0 0 1 2 01 4 01 6 01 8 0i 图3 - 5 - 2 与t 的关系图 ( 毫秒) 由图3 - 5 1 可以看出，当信噪比大于2 2 时，对误码率影响最大的将会 是定时时钟频率。而由图3 - 5 2 可以看出，当选择定时时钟频率选为1 0 0 0 6 0 时，误码率的值域是：0 07 , 1 0 。) 。从极限的情况进行考虑可取 2 5 1 0 - 6 ( p 听代表由五引起的误码率) ，这在实际应用中是完全达到可 靠性要求的。实际系统中，在噪声很大的情况下，我们也可以采用两种方 东南大学硕士学位论文基于无线通信的废钢配料系统研制 法来优化控制误码率： 软件方面，可采取多次握手技术和先进的编码技术； 硬件方面，可采用增加发送功率的方法。 考虑到气候恶劣的情况下，实现无线通信的万无一失存在的难度很 大，为此，我们对编码方法作了深入研究。 3 6 抗干扰编码技术 抗干扰编译码技术就是给予要传送的信息一定的特征，在发生错码时， 要能够识别有错码( 检错) 进而能够纠正错误( 纠错) 。常用的抗干扰编码方法 是在要传送的k 位信息位后附加了几位监督码，监督码与k 位信息码之间 建立一定的数学关系，然后把信息码与监督码一起发送。在接收端检查收 到的码序列是否符合预先确定的数学关系，检出或纠正传输中的错误，也 就是抗干扰译码。图3 - 6 一l 表示了这个过程，图中的噪声是广义噪声，是 设备内部和信道中的噪声之和。 3 6 1 信息帧的设计 噪声 图3 6 1 抗干扰编码、译码在信息传输中的应用 根据废钢配料系统信息传输的需要，信息帧的格式设计如图( 3 6 1 1 ) 所示。 图3 6 一1 1 信息帧的格式 同步字，起同步作用，选用抗干扰性强的国际最佳通