超声数据传送系统.pdf

口科研设计成果口 d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 1 0 4 0 1 9 超声数据传送 系统 刘璐 武汉大学 电子信息学院 武汉 4 3 0 0 7 9 摘要 本系统基于传感器技术 信号处理技术以及超声波的基本原理 以 MS P 4 3 0单片机为核心设计并实现 了一种超声数据 传输系统 系统包含三个独立的节点 每个节点均包括 MS P 4 3 0单片机最小系统 调制发射部分和接收解调部分 各节点 都能实现采集其供电电池电压和环境温度的功能 并能将信息发送至其他任意节点或接收来 自其他节点的信息 不仅降低 了功耗 而且保证了较高的性价比 另外 系统具有较好的人际交互界面 关键词 超声波 单片机 数据传输 超声换能器 调制解调 中图分类号 T M9 3 5 3 7 文献标志码 A Ult r a s o nic d a t a t r a n s mis s io n s y s t e m L I U L u S c h o o l o f E l e c t r o n ic I n f o r m a t io n Wu h a n U n iv e r s it y Wu h a n 4 3 0 0 7 9 C h i n a Ab s t r a c t Th i s s y s t e m i s b a s e d o n s e n s o r t e c h n o l o g y s i g n a l p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s a n d t h e b a s i c p r i n c i p l e s o f u l t r a s o u n d t h e MSP 4 3 0 mi c r o c o n t r o l l er a s t h e c o r e d e s i g n a n d i mp l e me n t a t i on o f an u l t r a s o n i c d a t a t r a n s mi s s i on s y s t e m S y s t e m c o n s i s t s o f t h r e e s e p a r a t e n o d e s e a c h n o d e i n c l u d i n g t h e MSP 4 3 0 MCU mi n i mu m s y s t e m mo d u l a t i o n o f t r a n s mi t t i n g a n d r e c e i v i n g d e mo d u l a t i o n s e c t i o n Ac q u i s i t i o n o f e a c h n o d e c a n r e a l i z e i t s p o wer b a ffe r y v o l t a g e a n d a mb i e n t t e mp e r a t u r e f u n c t i o n a n d c a n s e n d t h e i n f o r ma t i o n t o a n y o t h e r n o d e t o o t h e r n o d e s or r e c e i v e t o t h e i n f o r ma t i o n No t o n l y r e d u c e s p o we r c o n s u mp t i on b u t a l s o e n s u r e s a h i g h e r p e rf o r ma n c e t o c o s t r a t i o I n a d d i t i o n t h e s y s t e m h a s g o o d i n t e r p e r s o n a l i n t er a c t i o n i n t e rf a c e Ke y wor d s u l t r a s o n i c mi c r o c on t r o l l e r da t a t r a n s f e r u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r mo d u l a t i on a n d d e mo d u l a t i o n 0 引言 超声数据传输系统在信号测量 图像处理等领域 具有广泛的应用 传统的超声成像系统 由超声波探 头 又称换能器 超声发射基本电路 回波信号检测 处理电路和成像显示电路构成 目前 大多数超 声成像仪是将采集到的超声数据 直接通过数据处理 芯片进行超声成像处理 然后将处理结果显示在专用 显示器上 这种超声成像方法虽然简便 但 由于要使 用一些高速数据处理专用芯片 因而系统造价比较昂 贵 此外 整个系统的功能也受到硬件电路的限制 系 统升级相对比较困难 本文提出的超声数据传送系统可实现任意节点 问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 1 原理分析 1 1 超声波传感器原理分析 超声波是指频率超过 2 0 k H z 的声波 它在本质上 是一种机械振荡 超声波可以在液体 气体和固体中 5 4 El C V0 I 1 8 2 0 1 1 NO 4 传播 速度各不相 同 在空气 中传播 的超声波一般为 几十 k H z o传播到空气 中的超声波强度随距离的变 化成 比例地减弱 这是因为衍射会导致在球面上形成 扩散损失 也是因为介质吸收能量会产生吸收损失 超声波频率越高 衰减越大 波的传播距离也就越 短 J 本系统选择衰减相对较小的 4 0 k H z 超声波 超声波传感器是利用超声波特性研制 的传感 器 J 本系统选择的超声波传感器 T R 4 0 1 6 采用压 电晶体制作而成 当给由压电陶瓷和一个金属片构 成的振动器 即双压电晶片元件 施加一个电信号时 就会因弯曲振动发射出超声波 相反 当向双压电晶 片施加超声振动时 就会产生一个电信号 1 2 超声传感器 匹配分析 超声传感器可以等效为如图 1 所示的电路 传感 一 1 1 器的等效阻抗 为 z s s L 8l 乙 0 1 f o 4 0 k H z 处 z j 2 R 欢迎光临本刊 网站 h t t p w ww e i c c o m c n 仪器仪表用户 其 2 为了提高发送功率 需要对传感器进行阻抗匹 配 匹配网络如 图 2所示 设前级功放最佳负载为 R L 则实 现理想 匹配需要满 足 L m X o 0 即 且变压器匝数比 1 w R C b R Lm o 一 广 Y Y 一 R 0 j X 0 I i 0 L 一j 图1 超声传感器等效电路 图2 传感器匹配电路 1 3 调制解调理论分析 F S K的基本原理 J 设调制信号为 f o P u P l P M t 1一P 式中 P u t 为 t 取值的概率 则 已调信号为 r c o s 2 r f lt P M P c o s 2 f 2 t P t 1一P 式中 为键控的两个载波频率 本系统还要注意的是超声波传感器是一个调谐 振荡器 其带宽有限 因此 应该在谐振频率附 近 但二者间隔不能太小 否则会影响 F S K的解调性 能 本系统选用的传感器 T R 4 0 1 6的带宽为 5 k H z 综合考虑 选择 3 9 k H z 4 1 k H z 波特率设为 R 4 0 0 b a u d 经过实际测试 解调性能良好 2系统的实现 2 1 设计方案 本系统由 A B C三个相同的节点组成 每个系 统由单片机最小系统 6 J 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 MS P 4 3 0单片机 定 时器 T ime r A模块 产 生 的 4 0 k H z的 P WM 波 和 由 MS P 4 3 0 U S AR T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 A S K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问点到点 点到多 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 口科研设计成果口 点的半双工通信 2 2 主要功能电路的设计 2 2 1 电源管理 电源管理模块采用 了两个 T I 公司 的低电压 低 功耗 高 效 的 D C D C 升 压 转 换 器 T P S 6 1 0 4 1和 T P S 6 1 0 8 5 分别为系统提供 5 V和 1 2 V电压 T P S 6 1 0 8 5 具有很大的负载 驱动能力 最大可输 出 2 A电流 为 系统功放电路 前置放大电路提供了强大的支持 2 2 2 信号调制与功率放大 电路 如图 3 功放前级电路采用了 T I 公 司具有使能端 的单 9 A高速低侧 MO S F E T驱动器 U C C 3 7 3 2 1 进行功 率驱动 单片机产生的4 0 k H z P WM波和串口数据经 非门缓冲后分别送到 U C C 3 7 3 2 1 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 A S K调 制 不发射时 串 口输 出低 电平来控制 U C C 3 7 3 2 1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 T 1 来提供高达 1 0 0 V p p的电压来 驱动经匹配的超声换能器 图 3信 号调 制与功放 电路 2 2 3 接收电路 如图4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 O P A 6 0 6 组成的两级同向放 大器 理论上放大增益 G 2 0 l g 而1 0 k 2 0 1 g 1 0 k 7 0 7 d B 将放大的信号输入后级包络检波和整形电 路后 即可送人单片机 串口读人数据 如图 5 图 4接收 端前级放大电路 图 5 包络检波和整 形电路 EIC Vo 1 1 8 2 0 1 1 No 4 5 5 口科研设计成果口 2 3 软件部分设计 如 6 本系统三个 节点 的程序基本 一致 通过 判断巾断类型来进行相应 的处理 单个节点的流程 图如图所 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 r 程序 的冗余程度 提 高编程 的效率 层次化使 程序 的通 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 卜 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J 1 发时间 图 6系统软件流程图 3 测试数据与分析 3 1 测试 方 法 误码率 连续发送 1 0 0 0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 3 0 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 记录数据并算出发送一次时的时间 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 3 2测试 数 据 系统测试数据如表 1 所示 表 1 系统测试 数据 误码率 传输时间 发射功耗 接收功耗 项 l 距 离 m 讯 1 4 O O 53 0 8 4 0 2 6 2 6 0 1 O 55 0 8 4 0 2 6 3 8 0 5 0 5 5 0 8 4 0 2 6 4 l0 1 0 0 5 6 0 8 4 0 2 6 5 l2 5 0 O 5 7 0 8 4 0 2 6 3 3 数据分析 当距离达到十米时 误码率较高 达到 1 距离 5 6 EI C Vo 1 1 8 2 01 1 No 4 仪器仪表用户 再提高时 误码率就较大 接收时系统功耗过大 4 结束语 本实验实现了 3个节点间数据组播和广播 数据 传输时间 0 6 s 误码率 0 1 两节点问最大传输距 离2 5 m 功耗低 发射时功率 0 9 W 接收时功率 0 3 W 扩展了数据掉电存储功能 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 口 参考文献 1 张洪润 孙悦 张亚凡 传感技术与应用教程 M 第 2版 北京 清华大学出版社 2 0 0 9 2 2 4 2 2 5 2 黄根春 陈小桥 张望先 电子设计教程 M 北京 电子 工业 出版社 2 0 0 7 9 0 9 3 3 董尚斌 代永红 金伟正 等 电子线路 M 北 京 清华大学出版社 2 0 0 8 t 5 2 3 4 陈章友 射频 电路 M 武汉 武汉 大学 出版社 2 0 1 1 1 1 1 6 5 樊昌信 曹丽娜