无线传输记分系统设计

无线传输记分系统设计（精选十篇）

无线传输记分系统设计 篇1

我国的煤炭工业多数依靠人工开采,开采环境特殊,安全隐患多。煤矿井下巷道长,有的长达数十千米,矿井生产工序多、作业地点分散,人员流动性大且工作环境复杂,不便于铺设线缆进行有线数据传输。如何能够实时地监测和采集节点的各种信息(如温度、湿度、噪音和有害气体浓度等),随时掌握井下每个人员的位置及环境情况,是煤矿企业急需解决的一个难题[1]。

随着传感器技术、计算机技术和无线通信技术的发展和融合,本文利用微控制器MSP430和射频芯片n RF2401给出了一种无线数据传输系统的设计方案。该设计具有成本低、功耗低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点。而且随着矿井延深,无线传感器网络的节点可以很方便的增加,形成新的自组网络,通过无线通信节点将数据经多跳传送到基站。

1 系统结构和功能概述

在矿井无线传感器局域网中采用星形拓扑结构。系统总体由传感器群、无线射频模块、微控制器、PC主机等组成。传感器群由温度传感器、CO传感器、瓦斯传感器等组成,传感器群对井下的相关参量进行集中、自动和连续地监测,信号送到MSP430的I/O口,经过A/D转换并由单片机处理后的信号通过MSP430的SPI口输出到无线芯片n RF2401。单片机协调整个系统的正常工作,同时对射频芯片进行设置以确定其工作模式、工作频率、传输速率等参数,输出信号经过无线芯片的处理,送入无线发射部分发送至接收方。接收端由n RF2401实现信号的接收,经微控控器MSP430送到监测中心PC机,PC机对信号进行分析、处理。另外,若接收到数据有危险数据,则微控制器立即启动报警装置报警。图一为每个站内的系统组成框图。多个测控基站将采集的数据发送给主控基站。在通信过程中,为了防止数据包在传输时相互碰撞。这里采用TDMA的通信方法[2]。

2 系统硬件电路设计

系统硬件主要由n RF2401射频芯片和MSP430单片机组成。MSP430单片机是TI公司推出的功能强大的超低功耗16位混合信号处理器。该系列单片机以其极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发方式等特点被广泛应用于便携式仪表、智能传感器、实用检测仪器、电机控制等领域。为了最大限度地利用单片机端口和片内外设,并降低设计成本,本设计选用MSP430,该芯片可用电池工作,而且可以有很长的使用时间,器件在少于6μs的时间内可以从低功耗模式迅速唤醒[3]。

接收、发射部分采用n RF2401芯片。n RF2401是挪威Nor di c公司推出的单片射频收/发器。工作电压为1.9~3.6V,24引脚QFN封装(5mm×5 mm),采用全球开放的2.4GHz频段,与蓝牙不同的是,n RF2401没有复杂的通信协议,它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信。更重要的是,n RF2401比蓝牙产品更便宜。所以n RF2401是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。

在电路设计时,MSP430采用主模式,n RF2401采用从模式。收发模块的连接如图二所示。将MSP430的P1.2,P1.3,P1.4,P1.5配置成传统的I/O接口引脚,与n RF2401的CE,CS和PWR-UP,CLK连接,控制n RF2401的从工作方式。将MSP430配置成模拟的SPI口,与n RF2401 DATA连接,实现数据的传送和接收。

PCB设计对n RF2401的整体性能影响很大,在PCB设计时,必须考虑到各种电磁干扰,注意调整电阻、电容和电感的位置,特别要注意电容的位置。在设计中应遵循以下原则:首先一定要有一个可靠的地平面,电源地应该直接与射频部分的地相连;其次,与地平面的连接线越短越好。在每个没有接地的焊盘边都要放上过孔,绝不要让两个焊盘共用一个过孔,这样由于过孔自身的阻抗可能会造成两个焊盘之间的串接。射频电路中在尽可能靠近管脚处都要放去耦电容。恰当地选择电容大小会得到很好的效果。电源要采用星形布线,即不同部分(数字部分、模拟部分、射频部分)的电源线分别直接从总电源引出,并且分别去耦。这样可以有效地抑制电源噪声的干扰。

3 系统软件设计

n RF2401通过Shock Bur s t TM收发模式进行无线数据发送,收发可靠,其外形尺寸小,需要的外围元器件也少,Shock Bur s t TM收发模式下,使用片内的先入先出堆栈区,数据低速从微控制器送入,使用高速(1Mbps)发射,这样可以尽量节能,因此,使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行,这种做法有三大好处:尽量节能;低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射);数据在空中停留时间短,抗干扰性高。n RF2401的Shock Bur st TM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流[4]。

3.1 n RF2401数据发送原理

发射器刚上电时,完成的初始化主要包括:I/O端口初始化、无线芯片配置、打开定时器等。n RF2401的所有配置工作都是通过CS,CLK1和DATA三个引脚完成,其基本工作步骤为:

(1)当微控制器有数据要发送时,其把CE置高,使n RF2401工作;(2)把接收机的地址和要发送的数据按时序送入n RF2401;(3)微控制器把CE置低,激发n RF2401进行Shock Bur s t TM发射;(4)应用n RF2401的Shock Bur s t TM发射,Shock Bur st TM发射过程可分四个过程:(1)给射频前端供电;(2)射频数据打包(加字头、CRC校验码);(3)高速发射数据包;(4)发射完成,n RF2401进入空闲状态。

3.2 n RF2401数据接收原理

接收器上电初始化主要包括:I/O端口初始化、无线芯片配置、打开定时器和I/O中断使能。主机通过MOSI写入数据,从MI SO读出数据,因为硬件设计中,在SPI接口设计了两个10K电阻,所以在MI SO写入的数据不会影响从n RF2401输出的数据,接收数据时接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1),其基本工作步骤为:

(1)配置本机地址和要接收的有效数据长度;(2)进入接收状态,把CE置高;(3)200μs后,n RF2401进入监视状态,等待数据包的到来;(4)当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC校验码),n RF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去;(5)n RF2401通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器;(6)微控制器把数据从n RF2401移出;(7)把所有数据移完,n RF2401把DR1置低,此时,如果CE为高,则等待下一个数据包,如果CE为低,开始其它工作流程。

4 结束语

基于MSP430和n RF2401的无线数据传输系统功耗低、成本少、传输速率高,应用到煤矿井下人员定位和环境情况测控中,运行稳定可靠,效果良好。

参考文献

[1]李泉溪,孙君顶.基于无线传感器网络的煤矿报警系统节点的设计及实现[J].微计算机信息,2008,24(2):265-267.

[2]蒋正义,朱善安,韩东芳.基于MSP430和nRF401的无线自动抄表系统[J].电子技术应用,2004,(11):74-75.

[3]胡大可.MSP430系列单片机C语言编程设计与开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

无线通信系统的传输技术分析论文 篇2

【摘要】随着人们对无线通信技术需求的不断提高，基于传输技术的优化设计无线通信终端技术，能通过无线通信模块实现与无线互联网的连接，并且可以通过无线通信访问互联网上的内容，实现无线上网功能。在通信工程中，传输技术占据着非常重要的地位，随着通信工程的普及以及移动信息设备的不断发展，必须解决网络传输技术问题。论文主要对传输技术在无线通信系统中的应用进行探讨。

【关键词】通信论文

1引言

近些年，我国的数据业务和视频业务等通信业务有了很大的提升，人们的生活和生产中信息数据的传递的需求也不断的提高。所以，必须加强通信工程的建设，并对传输技术在通信工程中的应用进行分析，从而为人们的生活和生产提供良好的通信服务。在通信工程中，传输技术占据着非常重要的地位，随着通信工程的普及和移动信息设备的不断发展，网络传输技术是一个必须要解决的问题，需要通过对传输技术在通信工程中的应用进行分析，找出传输技术未来的发展方向。

2分析无线通信技术

在当前社会中，无线通信技术是一种能为个人手持设备（如PDA、手机）、电脑等终端提供无线接入网络的方式，应用无线传输网络信号的方法使终端设备与网络互相连接，为用户提供方便的无线通信服务。在无线通信技术中，不仅可以帮助用户访问网络中的电子邮件、提供Web以及流式媒体的网络信号，还能为用户提供基于无线访问宽带互联网的支持，使人们更便捷地上网浏览消息，发挥积极的应用价值。

3无线通信系统中应用传输技术的特点

3.1传输产品体积较小

现阶段，随着信息化技术的发展和科技的进步，传输的产品的体积正在不断地缩小，例如，通信工程延伸出来的一些产品的体积在不断地缩小，在体积缩小的同时，传输产品的灵活性逐渐有了提高，传输产品体积的缩小减小了产品占据的空间，为人们在使用传输产品的同时带来了很大的便利，也降低了生产传输产品的成本。而且体积小的传输产品还具有较高的性价比，传输产品通过点和点之间的传输，给通信工程的发展创造了便利的条件。

3.2传输设备呈现一体化

通过对传输产品的传输效率和速度进行分析，传输设备的一体化进程可以为监管提供非常有效的便捷条件。在一体化的传输设备中，相关管理工作人员能使用一些备用设备对信号进行传输，这样可以有效地提高传输产品的便捷性。利用SDH技术将接口板卡和传输产品进行结合，能提高传输设备的传输信息的效率，特别是使用分插技术时，不仅可以对传输产品中的电路进行灵活性的分配，而且对整体局域网的建设也有很大的帮助。

3.3传输设备具有多样化功能

由于传输信息的产品的体积非常小，在体积小这个基础上，一台传输产品设备上聚集了很多独立的设备具有的功能[1]，很大程度地减少了这些独立设备对光纤的占有数量和规模，从而提高了传输信息的线路的使用效率。传输产品多样化的功能让传输技术的质量和价值都有高效的体现，同时也为传输产品的用户提供了一个非常便利的应用。

4无线通信系统中关键传输技术的种类

4.1MIMO技术

MIMO技术主要是利用多个天线实现多发和多收的目的，天线数量越多，信道的容量也就越大，通过技术的应用可以使信道的传输的可靠性大大提高，并且使信道的容量也得到进一步的提升，有效降低误码率。目前，MIMO的相关理论已不断成熟，国内外很多机构都专门建设了研究MIMO技术的实验平台，例如，在我国的东南大学和北京邮电大学就有专门的实验室。我国对这种技术的研究也是源于20世纪末，截至，我国自主MIMO技术的项目就有30多个，国家在启动863计划后，先后有十几家高校和企业参与到了这个计划中。

4.2OFDM技术

OFDM技术可以有效地克服信道频率的选择性衰落，其实是一种多载波调制。这个技术的使用原则是把信道分成多个正交子信道，然后再把高速数据转换为并行的低速字数据流，再分别调制到子信道上进行传输。众所周知，子信道上的信号贷款必然小于信道的相关带宽，所以可以把每一个子信道都看成是一个平淡的衰落信道，在OFDM技术的实际应中，其本质是和交织、纠错编码结合在一起[2]。

4.3自适应传输技术

自适应传输技术可以根据不同的环境、业务需求等对传输的模式、功率和带宽等进行有效地改变，这样不但保证了传输的质量，而且也提高了对信道的使用效率。自适应传输系统的模型图如图1所示。

5传输技术在通信工程中的应用探究

5.1长途干线网中对传输技术的应用

在长途干线网的早期使用的是SDH，即同步数字系统。随着经济的发展和人们生活水平的提高，传输技术使用的用户逐渐增加，由于SDH在进行长途信息的传输过程中，+MSC的间距相比较来说都比较大，所以在长途干线网中使用同步数字体系的成本比较高，而且不仅成本较高，使用同步数字体系的传输产品的各个方面都有很高的要求。为了解决上述的传输问题，技术人员往往会将WDM系统和SDH系统进行结合，这种二者结合的方式不仅没有对传输产品的硬件进行改变，而且还增加了传输设备的容量。通过ASON系统和DWDM系统之间进行组合的方式，能把二者的优势有效地发挥出来，而且还能有效地提高整体网络的功能。由于ASON系统有单节交叉等方面的特点，所以使用ASON系统不仅能增加容量，还能增加灵活性。

5.2本地骨干网中对传输技术的应用

通过对本地骨干网的研究分析，我们可以看出目前传输技术在本地骨干网中的`应用主要表现在：通过智能网络技术和同步数字系统等一些先进的传输技术在本地骨干网中的应用，很大程度地推动了我国计算机网络技术的发展[2]，促进了我国通信工程中资源的高效使用。因为本地骨干网的容量较小，因此，在进行信息传输时只能传输一些容量较小的信息，这是本地骨干网最大的缺点。在本地骨干网中，传输技术有非常明显的优势，即不仅具有很好的性价比，而且传输信号的效果也非常好。所以在进行短距离的信号传输时，传输技术的应用比较广泛。

5.3无线传输中传输技术的作用

无线传输在传输信号时采用的是电磁波形式。在传输信号的方法中，无线传输的成本是最低的，并且无线传输的运行过程也相对比较稳定。把无线传输技术和监控技术结合在一起，可以形成一种无线监控系统，无线监控系统能实现不同地区的信号之间的传输和监控的工作。同时，利用无线监控系统还能建立起便捷的视频数据库。因此，无线传输技术不仅能提高传输技术的扩展性，还具有十分高效的扩展性。

6应用效益分析

基于传输技术优化设计无线通信终端系统，确保设计的无线通信终端是应用无线通信技术实现的，不仅能确保设计好的终端设备为一些便携式电子产品提供无线接入的功能，也可以满足人们随时随地上网的需求，使设计好的无线通信终端能够拥有更多的用户群。基于传输技术优化设计无线通信终端，可以有效地扩大无线通信的网络覆盖范围，并且可以实现对整个城市的信号覆盖。同样，基于传输技术设计无线通信终端，也可以在手持终端以及增值业务中大量应用该技术，以发挥其积极的影响以及社会应用效益。

7结语

总而言之，通过对传输技术和通信工程进行全面的研究和分析，可以发现传输技术在通信工程中的发展会逐渐走向多样性和多元化的道路。当传输技术出现多元化的发展时，会提高通信工程中一些相关传输设备的使用性能和效率。同时多样性的传输技术能让通信工程中的信号传输和网络的连接变得更加便捷和稳定，从而实现通信工程的有效、可靠和稳定的运行。在通信工程中传输设备体积比较小的基础上[3]，逐渐把很多独立设备具有的功能进行了集中，这样不仅能提高传输线路的使用效率，还减少了传输信号的成本，同时传输技术多样化的发展趋势，也对传输设备的功能进行了增加，从而提高了传输设备相关业务的能力。

【参考文献】

【1】周宸宇,刘佳权,杜昊霖.无线协同中继通信系统的传输技术分析[J].通讯世界,(8):83.

【2】陈博杰.认知无线通信系统中的传输技术研究与实现[D].西安:西安电子科技大学,.

无线传输记分系统设计 篇3

摘要：代轨道交通为广大市民提供了一种方便快捷的出行方式，随着轨道交通的发展，乘客对地铁车辆的运行舒适性有了更高的要求，车厢内的照明环境也越来越影响到乘客的乘车感受。为了推进可持续发展和节能减排进程，推广LED灯具在地铁上的应用，由现在智能手机上的自动调节亮度得到启发，设计研究一种通过光线的明暗强度变化自动调节LED灯亮度的系统。此系统以单片机为主控制器，通过组建无线信号网络进行无线信号传输，对LED灯具实现远程控制。通过本项目的研究有望提供一种结构新颖、成本低，使用寿命长，节电效果好，可靠性高的地铁LED照明方案，能长期有效地节约运营成本和维护费用，对保证轨道交通综合技术水平的提高有重大意义。

关键词：无线传输；LED；自动控制

1 研究现状

轨道车辆照明用电来自外部供电系统，轨道车辆的照明系统采用220V的交流电或110V的直流电具有很多优点，这样可以使得车载灯具及其它电器设备与普通市电照明的灯具具有良好的互换性，给相关产品的设计和研发带来极大的方便。在传统的照明具有有线固定式开关，颜色亮度大多不可调不可控，随着人们对方便的无线开关方式以及对室内灯色多彩多变的追求以及环保观念的增强，传统照明方式正向着无线控制、多变、节能的方向发展。同时，在实际的工程应用中，传感器网络开放性部署特点，使得节点极大可能遭受恶意行为的攻击和干扰。所以要采用一套系统的无线通信协议，以加强无线控制系统的健壮性。在利用外部供电220V的条件下，利用单片机数据处理，通过传感器和信号发射器的数据传输，实现对LED灯的无线控制。

2 自动调光原理分析

PWM（Pulse Width Modulation），脉冲宽度调制，简称脉宽调制。脉宽调制的原理是，控制对LED所施加脉冲周期不变，即脉冲信号的频率不改变，只改变周期的开关时间，这样周期内的高低电平所占时间会在周期的开关时产生变化，也就是占空比发生变化。脉宽调制的工作原理就是通过调节脉冲信号的占空比来调节通过LED的平均电压，进而控制LED的亮度变化。

通过PWM调光的优点有很多，比如调光的颜色不会有很大改变，即色偏小；可以得到更高亮度的灯光光照度，适合公共场合光照需要；通过PWM调光由于电压脉冲的频率不会改变，所以在调光的过程中基本不会出现频闪的现象；PWM可调制范围大，可以感受到很明显的光照度变化，脉冲的最大占空比与最小占空比的比值可以达到2950左右。

PWM调光也有其缺点，第一，它的实现需要配置PWM调光信号源，这样就会使成本高于模拟调光。第二，PWM调光容易使驱动电路产生噪音.

3 驱动芯片的选择

驱动芯片是驱动部分的核心，驱动芯片的选择尤为重要。本文采BTS7960驱动芯片。BTS7960驱动芯片通过驱动集成技术，将逻辑电平输入结构、电流取样诊断结构、转换速率调整器联接，并将失效发生时间，防止欠电压、过电流和短路结构连接到一个微处理器上。

4 LED照明系统整体结构设计

城市轨道交通车辆车厢的设计主要包括光照度采集设计，LED调光控制模块设计，主控制系统设计（单片机控制模块），无线传输模块设计，LED灯排的电路设计等。光照度采集模块中的光敏电阻负责采集来自地铁车厢的环境光强度，通过整流滤波电路以电信号的形式传输到单片机进行数据的处理，处理得来的信号经过调压滤波传送到NRF无线传输模块的引脚，NRF以传送字节的形式将控制信号传送到LED驱动电路控制模块，再经过驱动电路控制端的单片机信息进行处理，根据环境光强调制成对应的PWM占空比进行调制，对应的平均电流在驱动电路进行处理后驱动LED灯产生相应的光通量，整个系统形成闭环控制，将车厢光照度时刻保持在适应乘客的最佳状态。

度采集模块的2.4G无线信号，经控制模块单片机数据处理后进行PWM调制，形成对应的平均电流对LED灯排进行驱动，这一部分的工作是在驱动电路

如图，nRF接收到来自于单片机Flash的的信息，根据发送格式向驱动电路板上的nRF接收端发送指令。驱动电路模块的nRF信号接收器接收信号并将信号传送给驱动电路，进而控制LED灯排的亮度变化。

图 LED无线传输流程图

5 结论与展望

通过本次设计研究，发现了一种结构简单，成本低，设计方便系统的电路。电路的效率高；通过无线传输，控制PWM调节，按照此方法设计的系统能充分发挥LED的节能优势。缺点是电路缺乏过热保护模块，因为在LED工作过程中产生大量的热量，如果热量不及时散出，会影响到LED的寿命和发光质量，引起光衰等问题，因此，下一步的改进着重于自适应照明方面。

地铁无线视频传输系统设计 篇4

地铁无线视频传输系统是提供车辆与车站、控制中心之间的视频传输通道的系统。负责提供电视监控系统、旅客信息系统的车地之间的无线传输通道。

无线视频传输系统为电视监视系统、旅客信息系统提供网络通道, 该通道用来传输从OCC控制中心到各车站、车辆段、列车的各种数据信息、视频信息和控制信息。

2 系统组成

无线视频传输系统包括传输网络、车地无线双向实时传输系统以及车载局域网三个部分。

2.1 传输系统网络

传输系统是通信系统的骨干, 为无线视频传输系统提供由控制中心至各车站的以太网传输通道。

2.2 车地无线双向实时传输系统

车地无线双向实时传输系统作为传输网络的延伸, 提供地面与列车之间的通信, 无线视频传输系统车地无线通信能够保证列车在高速行驶的情况下, 以有效带宽不低于15Mbps的速率在列车和运营控制中心服务器间双向传输视频影像, 并能保证最低的延迟, 同时保证车载AP同轨旁AP切换时做到“0”丢包, 包括在车辆段和沿轨道设置的无线接入点 (AP) 、分控制中心的无线控制器, 以及车载的无线单元和天线。分控制中心无线控制器通过传输网络实现与轨道无线接入点相连, 在列车上设置车载无线网桥, 以达到在全线范围内实时无缝的传递列车与地面间的图像和数据, 并实现快速切换。

在区间和站台根据无线信号覆盖的要求设置分布式数据接入交换单元, 实现与车载数据控制单元之间的无线数据通信。各轨旁AP通过光纤收发器, 以100M光纤与车站交换机相连接, 经车站数据控制器对数据进行处理后, 通过通信传输系统提供的通道与控制中心连接。在各个车站和控制中心提供与PIS、电视监视的接口。

2.3 车载局域网

车载局域网络中, 车载无线AP在车头和车尾接到无线视频传输系统的工业以太网交换机上, 列车内电视监控系统和旅客信息系统通过各自的车载交换机实现互联。车载无线网桥提供移动列车与轨旁AP的实时无缝连接, 用以实现车载视频设备 (含监控) 与控制中心和车站的连接。

在每列车的车头、车尾各设置1套车载数据控制器和车载无线单元, 2套车载数据控制器之间利用工业以太网交换机构建贯穿整节列车的百兆以太网进行连接。在车头、车尾可提供与PIS、电视监视的接口。

2.4 车辆段和停车场

1) 车辆段无线信号干扰分析

通过结合业务需求及实际工程测试分析, 地铁车辆段及停车库无线使用环境属于高密覆盖、高容量需求。在现有环境里:

(1) 轨旁AP采用八木天线为高增益, 车辆段两端其信号可见度高;

(2) 列车间停靠间距小, 车载MR之间信号可见度高;

(3) 每辆列车需要同时下载广告, 而无线系统最高带宽为15Mbit;

从无线空口环境分析, 其整个车辆段 (由于其信号可见度高) , 几乎可看成为1个冲突域, 其干扰程度非常大。在无线802.11协议下, 其CSMA/CA机制, 可用资源已成为瓶颈。解决车辆段CCTV/PIS系统便用问题其核心目标为尽可能缩小无线信号冲突域, 相当于将整个车辆段分成不同的小无线区间。如图1所示。

2) 轨旁AP布点

由于停车线已固定车载MR可调整范围非常小, 调整车载MR同时会影响整条正线运行的效果, 所以通过调整车辆段轨旁AP的部署以实现轨旁信号的全覆盖。

在车辆段两端各部署四个AP, 两条轨道中间区域安装4个轨旁 (1、3覆盖左边列车, 2、4覆盖右边列车) , 按照每个轨旁AP覆盖三辆车进行部署, 工程安装位置可根据情况实际调整, 着重关注天线的安装位置。

天线采用垂直向下安装方式, 采用轨旁AP天线的旁瓣进行覆盖, 天线安装位置在四辆车头中心附近。

3系统设计

3.1车地无线双向数据传输方案设计

1) 网络链路分析

轨旁AP与车载AP之间无线使用IEEE 802.11g用于覆盖列车运行沿线。

电视监控系统和旅客信息系统功能需求无线传输网络提供≥12Mbps的有效带宽。无线视频传输系统功能需求带宽计算:

●无线视频传输系统下传:

1路6M PIS视频流, 由控制中心经车站至分布式数据接入交换单元通过无线信号传至列车。

4路1M监控流, 从车站站台摄像机经车站交换机至分布式数据接入交换单元通过无线信号传至列车。

●无线视频传输系统上传:

2路1M监控流, 从列车通过无线信号至分布式数据接入交换单元再经车站上传至控制中心。

因此, 无线视频传输系统上、下行带宽最小为12Mbps。

无线传输网络必须提供满足系统功能需求, 并留有需求带宽25%以上的冗余量, 根据以上带宽计算分析, 总带宽需求为12Mbps+3Mbps=15Mbps, 因此, 车地无线双向数据传输网必须提供15Mbps的有效带宽。

2) 无线传播模型分析

无线AP的覆盖方案如图2所示。

就电波空间传播损耗来说, 2.4G频段的电磁波近似的路径传播损耗公式为:

其中, D为传播路径, n为衰减因子。对不同的无线环境, 衰减因子n的取值有所不同, 在自由空间中, 路径衰减与距离的平方成正比, 即衰减因子为2。在建筑物内, 距离对路径损耗的影响将明显大于自由空间。一般来说, 对于全开放环境下n的取值为2.0~2.5;对于隧道空间为1.8~2.0。

针对隧道空间, n的取值采用2.0 (具体在实际工程折合多少还要根据实际测试情况再确定) , 这样150m的Pathloss值为96d B;从无线网络规划的角度出发, 一般的情况无线链路预算时, 会预留10d B的富裕度。

预留富裕度:10d B;

连接器损耗:0.5d B;

功分器损耗:3d B;

馈线损耗 (轨旁10m、车载5m) :2d B;

假定玻璃钢 (车载天线前的障碍物) 的损耗:6d B;

轨旁AP发射功率:18d Bm;

轨旁天线增益:15d Bi

车载AP的发射功率:18d Bm;

车载天线增益:9d Bi;

150m处的信号强度为:

轨旁AP发射功率+轨旁天线增益+车载天线增益-连接器损耗×6-功分器损耗-馈线损耗-玻璃的损耗-预留富裕度

AP的接收灵敏度:

在此情况下, 在150m处空口速率为36Mbit/s, 根据经验值, 此时的带宽为18M, 满足业务系统要求的15Mbps且留有一定的预留度。

3) 无线传输网络结构

车地无线双向数据传输网络是整个宽带传输网的重要组成部分, 无线双向数据传输网络采用瘦AP架构组网方案, 主要组成包括无线管理交换机、无线管理工作站、铺设在轨旁及车辆段的无线基站 (AP) 和天线、车载无线网桥及天线以及车载交换机等部分, 符合WLAN 802.11a/b/g标准。无线双向数据传输网络中无线系统硬件包括AP和无线管理交换机。无线管理交换机和AP之间不需直接互联, 可以透过IP网络 (可由交换机、路由器或其他网络设备组成) 互通。无线双向传输系统网络结构图如图3所示。

4) 无线安全设计

WPA采用了802.1х和TKIP来实现WLAN的访问控制、密钥管理与数据加密。802.1х是一种基于端口的访问控制标准, 用户必须通过了认证并获得授权之后, 才能通过端口使用网络资源。TKIP虽然与WEP同样都是基于RC4加密算法, 但却引入了4个新算法:

●扩展的48位初始化向量 (IV) 和IV顺序规则 (IV Sequencing Rules) ;

●每包密钥构建机制 (per-packet key construction) ;

●Michael (Message Integrity Code, MIC) 消息完整性代码;

●密钥重新获取和分发机制。

WPA系统在工作的时候, 先由AP向外公布自身对WPA的支持, 在Beacons、Probe Response等报文中使用新定义的WPA信息元素 (Information Element) , 这些信息元素中包含了AP的安全配置信息 (包括加密算法和安全配置等信息) 。STA根据收到的信息选择相应的安全配置, 并将所选择的安全配置表示在其发出的Association Request和Re-Association Request报文中。WPA通过这种方式来实现STA与AP (或者AC) 之间的加密算法以及密钥管理方式的协商。

5) 越区切换设计

由于无线网络承载的是视频信号, 视频显示不能出现明显断点、失帧、抖动、马赛克等, 音频播放不能出现明显噪音、滑码等, 故要求列车即使在高速运行下, 也要保持无线链路不能中断。当车载AP从一个轨旁AP的覆盖范围移动到下一个轨旁AP的覆盖范围时, 将发生切换。小区之间的无线切换操作是自动的, 并且对于列车操作来说是透明的。越区切换设计流程如图4所示。

通常, 802.11g/11a的越区切换时间在500ms~2s之间 (包括重新鉴权和其他以安全为目的额外开销) , 在切换期间, 车载AP可能与轨旁AP失去连接 (也就是通信中断) 。这对于列车运行, 特别是高速列车运行是不能接受的 (按照最高时速120km/h估算, 最坏情况下, 列车在大约65m的运行范围内可能与路边失去联系) 。为达到零切换时间 (避免切换过程中任何可能的数据丢失) , 新越区切换技术, WLAN基于预测的切换技术 (简称, WHFT) 。

WHFT算法与标准802.11g/11a切换算法的不同在于:WHFT允许车载AP在与旧AP (如APn) 脱离前与新AP (如APn+1) 建立连接, 即在中断前连接 (connection-before-break) 。再加上相邻AP彼此重叠足够的区域, 就能够实现零切换时间。

6) 组播方案设计

由于流媒体承载需要组播支持, 而车地无线处于2层, 需要支持IGMP Snooping。

车地无线通信具有单播与组播二种切换”0”丢包的功能, 主要针对组播切换”0”丢包说明, 针对单播切换”0”丢包的实现功能机制类似, 具体如图5所示。

其中:AP1为新并联的AP, AP2为旧关联的AP。

(1) 在用户漫游切换流程中的认证通过之后, AC (即无线控制器) 将此车载AP的单播与组播的PTK、GTK下发到AP2之上;

(2) 车载AP设备上启动igmp-snooping功能, 已经获系统后面具有哪些组播节点, 当切换成功之后, 立即对代替后端网络发起组播加入功能;

(3) 发起IGMP加入功能, 针对各个组发一个加入, 轨旁AP1将此报文转发给上行的LSW (AP1上没有此组播源的输入, 如果具有则不用转发, 直接执行组播加入的处理) ;

(4) LSW收入组播加入请求报文, 执行组播加入处理;

(5) 车载AP等新入端口的组播流下来, 如果有一个组播组的流下来, 针对原来的AP1所对应的端口发起此组播组的离开请求报文;

(6) AP接到此报文, 将此报文进行转发到LSW之上, LSW接收到此报文之后, 则执行离开处理, 即将此端口将组播转发表项删除掉.

从上面的流程可以看出, 达成的目标:实现”0”丢包的功能, 主要由于功能的实现不完全依赖标准的协议处理, 而将标准协议与应用进行关联处理。

7) 免维护

轨旁和车载AP目前采用的是0配置、免维护的理念进行设计, 具体的系统开工流程如图6所示。

通过无线控制器, 可以集中实现对所有轨旁和车载AP进行设备软件版本下载、配置批量下发等, 不必人工现场维护。

8) 无线视频传输系统和信号系统互不干扰方案

如果信号系统和无线视频传输系统车地无线通信都采用2.4GHz 802.11G, 解决方案如下:

由于802.11G具有3个不重叠频点—1、6、11, 信号系统需要占用2个频点, WLAN系统单独使用1个频点。

3.2 Qo S规划

在无线系统中, WLAN部分非常重要的就是Qo S。而对于涉及到语音、视频业务的无线系统, 通信质量尤为重要, 是事关系统质量的关键指标。Qo S的总体思想就是保证实时语音等业务在最高的优先级。

如图7所示, 在无线控制器和AP之间是通过隧道通信, 不同的无线控制器之间也是通过隧道通信, 业务的Qo S保证是在两个层次内完成的, 有无线和有线的Qo S保证。

●应用层数据与WLAN优先级的映射;

●基于Diff Serv的Qo S映射;

●AP进行WMM与COS/TOS之间映射。

3.3 网络管理系统设计

地铁无线视频传输系统是一个涉及多个厂家、多种类型设备的复杂系统, 作为整个系统的承载层, 必须具备良好的可维护性。

智能管理中心基于SOA架构, 采用B/S平台以及分布式、组件化、跨平台的开放体系结构, 根据不同的业务需求选择安装不同的业务组件, 可以实现设备管理、拓扑管理、告警管理、性能管理、软件升级管理、配置文件管理、VPN监视与部署等多种管理功能。在本次工程中配置管理平台组件以及对无线双向数据传输网管理的无线业务组件系统。

采用B/S架构, 能更方便的通过远程方式对网络的状态进行监控和维护, 如网管服务器系统部署OCC控制中心, 无线视频传输控制中心的运维人员可以采用IE浏览器, 通过用户名/密码远程登录系统进行维护, 同时, 还可以实现用户分权限、设备分组的管理, 不同的级别管理人员可对设备进行各种类型的操作, 而且还可以限制可以管理的设备。

工程中配置的WSM无线业务管理组件可以提供对车地无线双向数据传输网络的监控和全网无线网络设备的配置管理功能, 同时还拥有丰富的业务运营管理功能, 用以满足无线网管从部署、监控到运营、优化的全过程综合管理功能。

4 结束语

无线传输记分系统设计 篇5

摘要：文章介绍了目前两种第3代移动通信系统中的宽带无线传输技术方案――以欧洲为代表的W-CDMA和以美国为代表的CDMA2000。

关键词：移动通信宽带码分多址直接扩频无线传输技术

信息时代对通信系统的依赖越来越强，随着人们对移动通信需求和业务类型的增加，现有的移动通信系统已面临许多问题。由于用户的不断增加，现有系统的容量越来越显得不够，且现有系统很难提供新业务，全球覆盖、漫游业务更难以实现。为此，国际电联(ITU)提出了全球用一个统一的标准来实现第3代移动通信系统，即后来的IMT-2000。

日本于1997年初就着手第3代系统的标准化过程，并提出了一种基于宽带CDMA的方案，日本的行动促进了欧洲和美国的标准化进程。由于日本自然条件的限制，为了使自己能在未来的第3代移动通信市场中占有较大的份额，日本倾向于欧洲提出的宽带CDMA方案W-CDMA，日本方案将可能与欧洲方案统一，形成以欧日为代表的W-CDMA方案。在美国和韩国等国，由于基于IS-95标准的CD-MA第2代系统的研制成功，提出了以IS-95为基础向宽带发展的第3代移动通信系统，具有代表性的是宽带CDMAOne，后来改为CDMA2000。因此目前有关第3代移动通信系统无线传输技术(RTT)方案基本上分为以上两大派别。这两种方案中除了扩频码速率和下行链路结构上的不同之外，网络同步问题是两者的又一区别，W-CDMA系统中各小区是异步操作的，而CDMA2000中各小区是同步操作的，后者采取同步操作的一个原因是考虑到与IS-95的兼容问题。当然在IMT-2000无线传输技术方案提交的过程中也有其它一些方案，但本文主要介绍W-CDMA和CDMA 2000这两种方案。

1 CDMA2000

CDMA2000方案中主要考虑到空中接口与IS-95的兼容问题，最大限度地沿用了IS-95的主要技术和技术思路。CDMA2000的扩频带宽为N×1.25MHz(N=1，3，6，9，12)，即1.25MHz，3.75MHz，7.5MHz，11.25MHz和15MHz。在该方案中，当N=1时，就是IS-95所支持的扩频带宽。在其它带宽上，为了和现存的IS-95系统载波正交地并存，除了采用直接扩频的方式外，还使用了多载波方式。从整个方案看，CDMA 2000可以看作为IS-95的升级版，所有IS-95的信令系统可以看作是CDMA 2000的一个子集，因此CDMA 2000与IS-95的信令系统、空中接口尽可能地保持一致或相似或共存，系统可以覆盖IS-95的工作频段。

CDMA2000中定义了如下一些物理信道：前向、反向基本信道，前向、反向增补信道，前向、反向专用控制信道，前向、反向公共控制信道，前向、反向导频信道，前向寻呼信道，反向接入信道，前向专用辅助导频信道，前向公共辅助导频信道，前向同步信道。按照信道所传输的信息可以将这些物理信道分为专用信道和公共信道两类。前向专用物理信道以点对点的方式从基站向一个移动台传输信息。反向专用物理信道用来传输从某个移动台到基站的信息。公共物理信道也分为前向和反向公共物理信道，前向公共物理信道主要是以点对多点的形式由基站向一组移动台传输两种信息：广播式的管理信息(如系统参数)和发送给指定用户的定向信息(如寻呼信息)。反向公共物理信道包括反向接入信道和反向公共控制信道，主要以竞争方式向基站传输来自多个移动台的信息。

在前向链路中，考虑到和IS-95的兼容，CDMA2000的前向同步和寻呼信道具有两种方式：共享同步和寻呼信道、宽带同步和寻呼信道。共享方式所提供的信道可以供CDMA2000和IS-95使用，显然这种信道只能用在系统配置为覆盖方式情形下。而宽带信道方式是作为前向公共物理信道的一部分，并在整个信道带宽上进行调制，这种信道可以应用在覆盖配置和非覆盖配置的系统中。CDMA2000中，系统为所有用户提供了一个前向公共导频信道。该导频信道是以0号Walsh码扩频过的全0序列。公共导频信道在基站以广播形式通过天线扇区传输，需要导频信号和用户数据能通过同样的路径传输，因此一个天线波束需要一个单独的辅助导频信道。在CDMA 2000中，当在基站使用天线阵列时，前向辅助导频信道就是为了这个目的而引入的，该信道和其它前向信道使用正交Walsh码码分复用在物理信道上。由于辅助导频信道上传输的是全0，而且该信道的引入占用了一个Walsh码道，减少了用于业务信道的可用正交Walsh码，所以辅助导频信道可以使用较长的Walsh序列。在保持码正交性的前提下，可用增加Walsh码长度的方法增加用于辅助导频信道的码数目。

CDMA2000前向链路支持N×1.2288Mcps(N=1，3，6，9，12)。N=1时，与IS-95相似，但是使用了四相相移键控(QPSK)调制和快速闭环功率控制。当N≠1时，可以采用N个1.25MHz载波进行多载波传输，每个载波上的扩频切谱速率为1.2288Mcps(Mcps为每秒兆切谱数);也可以用切谱速率为N×1.2288Mcps在一个载波上对数据进行直接扩频。CDMA2000中提供了两种前向数据信道：基本信道和增补信道。这两种信道使用正交码将它们分开，而且一般传输功率也不相同。CDMA2000就是利用这两种信道处理用户同时发起的多业务问题的。前向基本信道上传输的是和IS-95中一样的变速率业务，在接收端需要进行速率检测，每种速率的业务用正交码道传输，帧周期为20ms和5ms两种。其中20ms帧可以支持IS-95中业务速率集合RS1和RS2。前向增补信道支持两种工作模式：第1种模式用于数据速率不超过14.4kbit/s的业务，在接收端用盲速率检测数据速率。该模式下所支持的数据速率是由IS-95中业务速率集合RS1和RS2所派生出来的业务速率。帧结构和20ms的前向基本信道相同;第2种模式是提供数据速率信息的。前向基本信道和增补信道的第1种模式所传输的数据用循环编码，而在增补信道的第2种模式中，高速数据可以采用循环码或Turbo Code的编码方式。值得一提的是前向增补信道可以根据实际情况有多个增补信道。

CDMA2000系统中，数据采用了调整编码速率，符合重复以及序列重复等多种速率匹配的方法。系统中，每个基站可以有多个前向寻呼信道，各个寻呼信道用经过掩膜算法的长码加以区分。前向专用控制信道的帧周期也是5ms和20ms两种，并采用循环编码。CDMA2000中为了减少小区内干扰，每个前向物理信道都经过正交的Walsh码调制。不同的信道使用的Walsh码字是不同的，所有经过Walsh正交复用的各个信道经过速率匹配、信道编码(循环码和Tur-boCode)以及交织等处理后，通过用户长码进行扰码，再映射到I、Q路(对于多载波方式，首先将数据分为N路)，分别进行信道增益、功控信息插入及Walsh扩频等处理。经过脉冲整形滤波器和射频调制后发射出去。如前所述，当N=1时，系统可以在现有的IS-95频段上进行射频调制，也可以在其它频段上调制，而其它新的CDMA 2000信道则要求和现有的IS-95信道正交地存在。

在反向链路上，反向专用信道除了反向导频信道常用外，反向基本信道、增补信道及专用信道根据实际业务需要可用可不用。各信道用正交Walsh码分开。导频信道和专用控制信道映射到I路，基本信道和增补信道映射到Q路。I、Q路的数据用伪随机数(PN)序列扩频。经脉冲整形滤波后，调制到射频发射。增补信道一般用2比特的Walsh码扩频，当需要用两个增补信道时，则采用4bit的Walsh码。如再需要增补信道，则可通过增加Walsh码的长度(最长为8bit)，同时将其分别映射到I、Q路。反向导频信道上发送的是经过时分复用的功率控制信息和一个固定的参考值。基本信道传输IS-95支持的RS1和RS2速率。反向增补信道与前向增补信道一样，也是两种模式。基本信道和增补信道的信道编码方式与前向的编码方式相同。反向公共信道中，反向控制信道扩展了反向接入信道的能力，公共信道以时隙ALOHA方式工作。每个反向接入信道或反向公共控制信道都由一个接入前导部分和接入消息封装组成。前导部分为无数据承载的反向导频信道，长度为N×1.25ms(N≠0)，N由基站指定。前导部分的长度由基站搜索PN码的速率、小区半径以及小区的多径特性所决定;接入消息封装包含接入或公共控制数据以及相关的导频信号。当移动台以某一种方式和基站通信时，与接入信道相关的反向导频信道和与反向公共控制信道相关的反向导频信道在结构上是相同的。它们的主要区别在于与接入信道相关的反向导频信道没有功率控制子信道，它传输的是全0。反向接入信道是以固定的9600kbit/s或4800kbit/s发送的，通常是9600kbit/s。基站可以通过广播信号指定移动台接入信道的发送速率。而当移动台发送功率受限时，移动台也可以自动地将接入信道的速率降低到4 800kbit/s。但是在一个接入周期内，该速率保持不变。反向公共控制信道的数据速率为9.6kbit/s、19.2kbit/s和38.4kbit/s，在后2种速率下的发射功率分别比9.6kbit/s的发射功率高3dB和6dB。同样基站可以指定其发送速率，移动台可根据本身发射功率自动调制发送速率。

2W-CDMA

1998年元月，欧洲电信标准委员会(ETSI)从各家公司提出的5种候选方案中选出两种方案：基于频分双工(FDD)的WCDMA和基于时分双工(TDD)的TD-CDMA方案，

显然这两种方案不可能同时独立地提交给ITU(ITU起先的意图是实现全球标准统一化)。但是这两种方案各有优缺点，因此ET-SI正努力试图将这两种方案融为一体，形成一个FDD、TDD双模式共存的方案，期望这种方案能够灵活地适应不同环境、数据速率的变化以及各个运营商的要求。WCD-MA可能工作在覆盖面积较大的区域，提供中、低速业务，而TD-CDMA则主要侧重于业务繁重的小范围内，提供速率高达2Mbit/s的业务。该方案的基本参数为：1920～1980MHz频段分配给FDD上行链路，2110～2 170MHz频段分配给FDD下行链路，而没有镜像频率的1 900～1 920MHz频段分配给TDD双工模式使用。基本带宽为5MHz，但其实际值可以200kHz为步长，根据需要在4.4MHz到5.2MHz之间调整。基本带宽可以扩展到10MHz、20MHz。基本扩频码速率为4.096Mcps，扩频码速率同样也可以扩展到8.192Mcps、16.384Mcps。下行链路通过时隙边界来划分。

2.1W-CDMA的FDD模式――WCDMA

WCDMA定义了5种物理信道：专用物理数据信道，用于传输第2层以上的专用数据;专用物理控制信道，用于传输第1层产生的控制信息，如用于信道估计和相干检测的导频信息、功率控制信息、速率指示信息等;普通控制物理主信道和次信道，产生固定速率的下行信息，不产生功控信息和速率信息;物理随机接入信道，用于移动台向基站传输随机接入信息;主同步信道和次同步信道，主要用于小区搜索，该下行同步信号在每个时隙发送一次。

移动台通过物理随机接入信道向基站发送随机接入信息，它是以时隙ALOHA的方式工作。移动台仅在相对于小区广播控制信息帧的边界处，在一个固定时延后发送一个随机接入突发信息发起接入尝试。该信息由1ms前导部分和10ms消息部分组成，两者之间有0.25ms的间隙。因此用户发起随机接入时，相对于小区广播控制信息帧边界的时差为N×1.25ms，N=1，2，…，8，代表了随机接入时隙号，也就是说一帧内有8个随机接入时隙，在一个小区中，哪些特征序列可以使用的消息通过基站下行信道予以广播。前导部分由16个复数符号组成，消息部分的结构与上行专用物理信道相同，也分为数据和控制两部分，数据部分的扩频增益SF为256、128、64、32，而控制部分为256。数据部分包含16比特的移动台标识符(由移动台在发起随机接入时随机地选择)、服务要求和CRC校验等，也可以携带短用户信息。

在第3代移动通信系统中，存在对多业务的支持问题。多业务的设计是要求在保证频谱利用率的前提下，灵活地将不同服务质量(QOS)要求的各连接复接起来。WCDMA方案中采用了对不同QOS要求的业务进行不同的信道编码策略，以编码增益来换取对不同QOS要求的业务进行同样的处理方法，标准业务仅采用卷积编码，高质量业务在卷积编码的基础上增加了RS编码或选用TurboCode的编码方法，而对于特定业务则在第1层不采用纠错编码而完全由高层采取差错控制。这样处理的结果使得各种业务变化为同一种数据，使后级的扩频和调制过程得到简化。

在宽带CDMA中，用来对付多径衰落的有效方法是采用RAKE接收机。WCDMA中，上下行信道都有导频信号，因而可以在接收端通过准确同步，利用本地导频信号和接收到的导频信号进行相关运算，估计信道，实现相干解调。

2.2W-CDMA的TDD模式――TD-CDMA

大部分第3代移动通信系统的空中接口方案都是基于FDD模式的，也有一些是TDD模式的，如基于TDD的TD-CDMA。TD-CDMA中使用CDMA的目的是为了将不同的信道复用到一个TDMA时隙里。在第2代移动通信系统研究中，有关TDMA和CDMA的争论持续了很久，因为两种多址接入方式各有优缺点。但CDMA以其容量大、频带利用率高等特点使其在第3代移动通信系统中站稳了脚跟。在TD-CDMA系统中，除了CDMA的一些优点外，有一部分优点来自TDMA的使用：

(1)由于使用了TDMA，使得上下行信道可以用TDD的复用模式，而这种模式的最大优点在于它可以工作在没有镜像频率的频段上，不像FDD模式对频段要求那么严格。

(2)TD-CDMA由TDMA带来的另一个好处在于用户被分配到不同的时隙中，这样就使得同时处于激活状态的用户数大大小于纯CDMA的方式。而且，由于用户数较少，就可以用联合检测和智能天线的方法减少用户间的干扰。

(3)TDMA的工作方式，可以将用户按照实际情况，重新分配其占用的时隙，使得用户可占用干扰较小的时隙，从而提供传输的可靠性。

(4)由于在TDMA中，用户处于非连续发射状态，因此用户除了监听它所属的基站信号外，还可以监听来自其它基站的信号，以便切换到信号更强的基站区域内工作。

同样TDD复用模式也给TD-CDMA带来了不少好处：

(1)TDD模式可以灵活分配上下行信道之间的带宽，只需要调整上下行信道占有的时隙数即可。

(2)TDD模式中可以实现快速、精确的开环功率控制。在TDD中，上下行信道占用同样的频率，可以认为在一段时间内其信道特性相同，因此不仅阴影效应在上下行信道上引起的信号衰落是相关的，而且上下行信道在多径衰落上也是高度相关的，这样在TDD中仅需要开环功率控制即可。

(3)分集合并技术用于抗多径衰落非常有效，但是分集接收方法由于实现复杂，不适用于移动台。在TDD模式中，基站通过测量不同接收天线上的接收信号，选出最强的信号来解调信号。由于上下行信道衰落高度相关，基站选择上下行链路中接收信号最强的天线作为下一帧下行链路的发射天线，这样就使移动台用一个天线实现了选择性天线分集。

(4)在TDD模式下，发射和接收是分时进行的，因此可以不使用双通道滤波器，减少了模拟电路，因此TDD比FDD更适用于实现低功耗系统。

在TD-CDMA系统中，一个TDMA帧周期为10ms，分为16个时隙，每个时隙对应256个码片。为了通信能正常进行，不管上下行信道之间的带宽怎么分配，都至少有一个时隙分配给下行链路，即时隙0分配给下行链路作导引信号。系统有两种扩频方式：

(1)多码传输

在这种方式下，扩频增益是固定的。在上行链路上，每个时隙可以有8个不同的数据突发，使用不同的扩频码将它们分开，而这8个突发可以分配给8个不同的用户，也可以分给同一个用户。如果一个用户占有了一个时隙内的多个突发，那么这个时隙内可以有多于8个的突发。在下行链路上，可以有8个以上的突发。

(2)变扩频增益方式

一个移动台使用一个扩频码，并以不同的扩频增益传输不同速率的数据。基站通过扩频码区分移动台，用一个突发广播一个移动台的扩频增益。如果一个移动台传输高速率的数据，它可能会占有多个时隙。

在TD-CDMA中，基本物理信道由时隙和时隙内的CDMA扩频码决定。对于同一个连接的多个服务可以各自进行信道编码、交织后，再映射到不同的基本物理信道上，这种情况下，各个QOS可以分别独立地控制，也可以以时分复用的方式在不同的信道编码方法处复用后，再映射到基本物理信道上。在TD-CDMA方案中，前向纠错编码与WCDMA的相似。该方案中在一个时隙内可以有K个正交的CDMA码，可以分配给一个或多个用户，一般每个数据符号对应Q=2p个码片，其中1≤p≤4，p可以按照实际干扰和服务要求选择。数据被分为两块填入相应的突发数据分组中，经QPSK调制和脉冲整形滤波器(滚降系数为0.22)进行滤波处理后再用正交扩频码扩频，经射频电路调制发射出去。TDD可以工作在至少能传输一路速率为4.096Mcps数据的任一频段的载频上，在接收端可以使用联合检测接收。

当然它有利也有弊。TDD非对称资源分配也会带来一些不利因素。假如移动台MS1、MS2分别在基站BS1、BS2所属小区内，当MS2处于BS2小区边缘时，MS2将以较大的发射功率传输信号给BS2，这时由于各小区上下行信道所占用的时隙不一定相同，MS1如果距离MS2较近，MS2则会干扰MS1的接收;另一方面，基站BS1的发射功率一般都会比MS2大，这样BS1发射的信号就会影响BS2对MS2信号的接收，因此在TDD资源分配算法中应避免这种情况的出现。

3结束语

无线传输技术是IMT-2000系统中的重要组成部分。从目前的情况看，虽然全球统一标准化已不可能实现，但是未来的方向极有可能是多种不同的地区性第3代标准共存，现在的目标是尽量减少地区性标准的数目。从目前各国提交给I-TU的方案看，CDMA2000由于是建立在IS-95空中接口的基础上，并利用已成熟的信息系统、越区算法的技术，因此，相对来说技术复杂程度低、风险小，有利于第3代双模手机的开发。

作者简介：

李景峰，东南大学移动通信国家重点实验室博士研究生。

程时昕，东南大学教授、博士生导师、移动通信国家重点实验室主任，中国电子学会和中国通信学会会士，国家“863”通信高技术第1届专家领导小组成员。主要研究方向为：数字移动通信和个人通信技术。

基于无线数据传输通信系统的研究 篇6

【关键词】无线数据传输 通信系统

随着数字技术的飞速发展和计算机网络技术在通信领域中的广泛应用，信息的传输与交换已由模拟通信转向数字通信来进行信号传输和交换。目前，无线数据传输通信技术凭借其抗干扰能力强、宽带传输快、抗衰弱能力强、兼容性好、适用范围广等特有的优势在现代信息技术中扮演着重要角色，并逐渐取代了传统数据传输方式。因此，无线数据传输通信系统的深入研究和广泛应用已受到相关人士的普遍关注。

一、通信系统的总体架构及其各部分的作用

通信在人们的日常生活中起着至关重要的作用，对于组织通信联络的人员，特别是研究设计和维护修理各种通信设备的人员来说，必须熟练掌握消息传输的过程和各种通信设备的工作原理。下面所展示的通信系统模型是各种通信系统和设备中消息传输的完整过程的高度概括，其中，每个部分都有不同的功能和作用。

信息源是整个通信系统数据传输的来源，为通信系统提供数据信息，消息源由输入转换器将消息转换为电信号，所谓电信号又称基带信号。基带信号直接由放大器传输至信道，此时发送设备比较简单；但实际传输过程中，往往基带信号的频谱会被搬移到相当高的频率范围后再传输，这种信号称为频带信号，此时发送设备比较复杂。发出设备发出的信号，经各种不同的信道传输，一方面由于信道本身的特性较差，导致信号失真，另一方面，受外界各种噪声的影响，影响信号的传输质量，这都对通信的效果产生一定的影响。接收设备的主要作用是从受噪声影响的有噪信号中区分信号和噪声，并取出信号。最后再由输出转换器还原为消息。

二、无线数据传输通信系统的原理

无线通信技术和现代电子信息技术的进步，推动了移动通信设备的功能和结构的变化与发展。现阶段，各种混合集成电路和大、中规模集成电路已广泛应用于移动通信设备中。随着技术水平的不断提高，移动通信设备正采用超大规模集成电路和超小、超薄型元件，促进了移动通信大幅度发展，其装备更加紧凑，功耗减少。

此外，以计算机控制和管理的多功能移动通信设备，即主要指锁相技术和频率合成技术特别以微处理器为代表的计算机技术的引入，推动了新一代的移动通信设备的产生。

收、发信机的组成及原理

（一）发信机：1.电路组成。发信机的主要任务是调制音频信号，使之成为功率足够的无线电载波信号设备，其基本构件包括调制器、音频器和放大器。语音信号经过预加重电路送入瞬时频偏控制器电路（IDC）后，经调制器去调制晶体振荡器的输出频率。已调拨经过三级耳背频后，其载波频率增高到射频频率。射频已调拨激励级去推动功率放大级，最后送至天线，实现通信的传输。2.性能指示。发信机的性能指示涉及两方面内容：一方面是频率准确度和稳定度，其中，频率准确度是指实际测试得到的载频频率与标称频率的差值，用绝对值或标称频率的比值来表示；另一方面是杂波辐射，所谓杂波辐射是指发信机规定占用宽带以外的高频辐射功率，可以用绝对功率或以在某频点处的功率相对于载频功率比来表示。

（二）收信机。收信机是一种接受信号的电子通信设备，它能从多种无线电信号及干扰中选择出所需接收的有用信号，并能将其恢复成原来发射的低频信号。在现代无线数据传输通信系统中，二次变频的超外差式结构收信机被广泛应用。

随着现代信息技术的不断发展，自动控制和编程控制已成为现代发、收信机整体的一部分。即已将微处理机、计算技术、频率合成技术等相结合融入收发系统，推动了收发信机朝着智能化方向发展。

三、无线数据传输通信系统未来的发展方向

网络信息技术和移动通信的发展决定了无线数据传输通信的发展。在当今经济全球化趋势日益显著、网络通信技术迅猛发展的国际背景下，无线数据传输通信系统的基本发展趋势主要表现在以下几方面。

（一）以移动通信的发展为基础

无线数据传输通信系统的发展以移动通信的发展为基础，一方面，无线数据通信通过移动通信传输信息，另一方面移动通信是无线数据通信应用的基本来源。移动通信广泛应用于个人或企业中，它通过传输信息满足消费者对信息的需求，提高了个人生活质量以及企业的经营业绩。其中主要应用于个人应用和企业管理；警用无线信息等公共安全应用；记者、保险和维修人员等远程访问。可见，随着第三代移动通信系统的发展，将会进一步带动无线数据传输系统步入一个新阶段。

（二）重点关注无线数据传输通信系统的接入

由于固有的容量和质量存在于无线信道上，这就决定了无线数据通信只能定位在固定的网络接入上，不能灵活应用于多个网络接入。在生活中，无线数据通信主要借助移动通信在广域范围内有限度地访问互联网、查询一般所需要的信息、下载有限数据资料、收发电子邮件等。从而方便生活，提高了时间利用率和生活质量。因此，大力发展互联网，将其普遍推广于无线数据通信系统应用中，是提升无线数据传输通信系统的有效途径。

（三）突出短距离通信的优势

无线数据通信不仅广泛应用于广域通信领域，而且在有限区域里发挥着重要作用。无线数据通信突破了传统的有限数据通信的“线缆”制约，以无线电波为信息传输媒介。因此，对于用户而言，不受线路控制，易于安装。用户可以依靠这个小型化室内通信环境安装其他设备，如无线打印机、无线键盘、无线鼠标等之间的数据传输。此外，用户可以在室内不受限制的在任何位置连接至互联网，查阅资料、接收发电子邮件等。

四、结束语

无线数据传输通信系统的发展是一个长期的发展过程，移动通信和互联网信息技术的发展，为无线数据传输通信系统提供了更大的发展空间。相信在广大科研工作者和其他相关工作者的共同努力下，无线数据传输通信系统将会取得更进一步的发展。

参考文献：

[1]谭扬林，谢冬青.《数字通信原理》.湖南大学出版社.1999年9月第二次印刷

温度采集与无线传输系统设计 篇7

目前应用于数据传输的无线通信技术如蓝牙、无线局域网、微功率超短波无线通信等,因其硬件设计、接口方式复杂,开发成本高、周期长,在工业领域中并未得到广泛的应用。而普通射频芯片短距离无线数据传输技术比较成熟,具有诸多优点。因此,采用通用的低功耗单片机和具有多信道的单片收发芯片作为无线收发模块构成的无线数据传输系统,将会解决传统数据采集方法的不便和现有蓝牙等技术的缺点,得到广泛应用。

1 系统整体构成

本系统由下位机和上位机两部分构成,见图1。

下位机是安装在温度采集现场,以PIC16F877单片机为核心,采用数字温度传感器DS18B20采集温度并转换成数字信号送给下位机,同时采用NRF24L01模块与上位机实现双向通信;上位机安装在监视室或办公室里,控制芯片PIC16F877单片机通过NRF24L01模块接收温度数据并通过I/O口将数据送至数码管显示。

2 系统中模块介绍

2.1 温度传感器DS18B20

DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的单线智能数字温度传感器,可把温度信号直接转换为串行数字信号供计算机处理。DS18B20的测温范围为-55℃～+125℃,固有测温分辨率为0.5℃,最高分辨率可达到0.0625℃,只需一条连接线即可实现与单片机之间的双向通信。DS18B20数据线DQ与PIC16F877单片机I/O口连接,同时DQ需要接入4.7K上拉电阻,确保传感器单总线正常通信。DS18B20将采集到的温度数据转换成9～12位(可编程)的数字量送往单片机进行处理。该数字温度传感器性价比高,抗干扰性能好,具有CRC校验功能,可靠性高,软件设计规范。

2.2 单片机PIC16F877

PIC16F877单片机是由美国Microchip公司生产,属于闪控式(Flash)单片机,它的程序存储器是Flash型的,内置了EEPROM,而且这个EEPROM 存取并不是使用通信模式,而是以存储器映像寄存器的方式来控制存取的,使用更加方便。在A/D转换方面,分辨率提高到了10bit,而SSP模块是完整的MSSP,它的好处就是支持通信模式下作为主控制器件时的硬件控制能力,而且其片内集成了AD采集模块,可以对温度传感器采集到的信号直接进行采样,从而计算出温度值。

2.3 无线通信模块NRF24L01

NRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz世界 通用工科医用频段的单片无线收发器芯片。工作电压为1.9～3.6V,有多达125个频道可供选择。其收发器包括:频率发生器、增强型Schock Burst TM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制解调器等。NRF24L01芯片的工作模式、输出功率、频道选择和通信协议均可以通过SPI接口进行设置,写入数据最高可达10Mb/s。数据发送传输率最快可达2Mb/s。与其他NRF24xx系列的芯片相比,NRF24L01新增了两大功能:①内嵌的自动应答和自动重发功能;②载波检测(CD,Carrier Detect)功能。

3 系统硬件设计

DS18B20的VDD管脚接5V电压,DQ管脚与PIC16F877的RA2连接,同时还要接一个4.7kΩ的上拉电阻,使数据线在空闲状态下能自动上拉为高电平,GND管脚接地。温度传感器DSl8B20将被测温度转化成数字信号。DSl8B20与PIC16F877的接线如图2所示。

经单片机处理后,通过无线模块NRF24L01通信给上位机。单片机PIC16F877的RC4、RC5口模拟SPI口与NRF24L01进行通信,分别连接NRF24L01的MISO、MOSI口,RB0口作为NRF24L01的中断入口。

4 系统软件设计

软件设计采用模块化、结构化设计方法,整个程序由温度测量和转换模块、下位机控制模块、无线传输模块、上位机显示模块组成。

4.1 温度测量和转换模块

传感器DS18B20采集温度后,由下位机来控制DS18B20完成温度转换,每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。在命令传感器开始温度转换和转换结束后读取温度数据的过程中,都要根据DS18B20的初始化时序、读时序和写时序进行操作。

4.2 无线传输模块

无线传输系统中,发送程序由单片机初始化程序、NRF24L01的初始化程序、NRF24L01的数据发送程序构成。主程序开始,首先调用初始化程序,设置单片机和NRF24L01的工作参数,然后根据要求设置NRF24L01处于发送状态,调用NRF24L01的数据发送程序,向接收端发送“hello”字符。

接收程序由单片机的初始化程序、NRF24L01的初始化程序、NRF24L01的数据接收程序、向单片机发送数据的程序构成。主程序开始的时候首先调用初始化程序,设置单片机和NRF24L01的工作参数,然后根据要求设置NRF24L01处于接收状态,调用NRF24L01的数据接收程序,当接收板接收到“hello”字符后,通过SPI口向上位机发送数据。

5 结论

随着通信技术的不断发展,无线技术越来越多走进人们的生活和工作中。采用通用的低功耗单片机PIC16F877和单片收发芯片NRF24L01作为无线收发模块构成的无线数据传输系统,具有可靠性、智能性、可扩展性、功率小、携带方便和成本低等特点,特别适合于低功耗、小数据量的无线数据传输系统,可以广泛地应用在嵌入式短程无线产品中。

参考文献

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[3]李学海.PIC单片机实用教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:45-255.

[4]陈元莉.基于单片机的温度采集监控系统[J].宜宾学院学报,2011,11(06):68-70

一种无线电能传输系统设计 篇8

本文主要研究了基于E类放大器的磁耦合谐振式无线电能传输技术。首先分析了系统构成并建立系统的数学模型, 最后设计并制作了硬件电路, 对理论进行验证。

1 系统组成

电磁谐振耦合式无线电能传输系统主要由发射电路、耦合传输电路和接收电路等三大部分组成, 如图1所示, 为系统的整体原理框图。

电源通过发射电路转变为高频正弦交流电, 经发射线圈转换成高频交变磁场, 然后通过谐振耦合装置将能量从发射线圈传输到接收线圈, 接收线圈将磁场能量转换成交流电能, 最后经接收回路传递到负载端, 这样就实现了电能的无线传输。在一些对电压电流质量要求较高的场所, 通常还会在接收电路和负载之间加装整流滤波装置。

1.1 发射回路

发射回路的作用是把电源的能量转变为高频正弦交流电, 常用的拓扑有全桥式, 半桥式和E类放大器拓扑。相比于其它拓扑方式, E类放大器具有结构简单, 容易设计, 输出稳定等特点。

E类DC/AC谐振功率放大器的基本电路拓扑如图2所示。L0为扼流电感, 设其阻抗足够大, 可使流过的电流为恒定值。VF为高频开关管, C0为开关管并联电容, 其作用是保证开关管工作在软开关状态。电感L1和电容C1组成谐振滤波电路, R为电路等效电阻, Vcc为直流电源。

1.2 耦合电路模型

谐振耦合电路的模型如图3所示。其中VS为高频电源, 1R和2R分别是两线圈在高频下的等效电阻, L1和L2是两线圈的电感量, C1和C2是串联谐振电容, RL为负载, M为互感, D为传输距离。

由图3谐振耦合电路的模型可以得出如下方程:

将收发回路的阻抗分别记为Z1和Z2, 即

发射回路的的输入功率inP为

接收回路中RL上的功率Pout即输出功率为

传传输输效效率率为为

将Z1、Z2和互感 (K为耦合系数) , 代入式 (4) , 则

谐振时, 有Z1 (28) R1, Z2 (28) R2 (10) RL, 则式 (5) 又可写为

通过式 (5) 和式 (6) , 可以明显看出谐振时, 系统的传输效率最高。

2 实验验证

本文无线电能传输系统采用的频率为f (28) 1MHz, 系统线圈的参数表1所示。

开关管的选取, 需满足开关时间小于振荡周期的1/2, 即。因为频率达到了MHz以上, 一般的LGBT开关频率不能满足要求, 本设计选用IR公司的MOS管型号IRF840, 该管拥有耐压值高, 开关频率快, 寄生电容小等优点。

使用E类放大器设计的无线电能传输系统电路如图4所示。

通过实验的方法改变电路参数值, 并观察E类放大器软开关波形, 最终确定电路元件的参数值得大小。最终实际系统中E类放大器参数:。

在理论分析的基础上, 设计无线能量传输系统, 实验装置包含激励源, 发射线圈装置, 接收线圈装置以及负载。当负载为10热电阻时, 最大传输功率15W, 传输距离20cm。MOS管工作在软开关状态, 如图5所示。

3 结语

本文针对E类放大器成功设计并搭建了无线电能传输系统。当负载为10Ω热电阻时, 最大传输功率15W, 传输距离20cm。通过实验, 验证了E类放大器设计方法的正确性。所以, 采用E类放大器设计无线电能传输系统的方案是可行的, 对于降低设计难度和装置的小型化有重要的意义。

摘要：本文针对基于E类放大器的磁耦合谐振式无线电能传输系统, 根据电路互感理论建立系统耦合模型, 详细推导了系统传输功率和传输效率的表达式;为了满足1MHz驱动的要求, 提出了用高速大功率三极管推挽方式设计高频驱动的方法。在此基础上, 成功设计并搭建无线电能传输系统, 经实验证明, 该设计最大传输功率15W, 传输距离20cm, 对无线电能传输中E类放大器的方法进行验证。

关键词：无线电能传输,E类放大器,高频驱动,推挽输出

参考文献

[1]Pinuela Manuel, Yates David C, Lucyszyn Stepan.Maximizing DC-to-load efficiency for inductive power transfer[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28 (5) :2437-2447.

一种无线传输的温度采集系统的设计 篇9

在日常生活和工业生产中，温度是一个必不可少的参数，对温度的监测尤为重要。普通的温度采集系统需要信号线进行通信，为了解决信号线带来的困扰，设计了采用无线数据通信的温度采集系统。

1 系统总体设计

该系统包含信号采集、信号发射和信号接收三个主要部分。信号采集部分将采集信号传递至发射端，发射端将数据通过电磁波发射到大气中，无线接收端在接收到相应的电磁波后，可对数据进行处理和存储。

2 元器件选择与结构设计

2.1 单片机

本系统选用的是STM32F103VE微处理器。STM32系列微控制器是专门针对于高性能、低成本、低功耗而设计的嵌入式处理器，采用代码密度的Thumb-2指令集和提高中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器[1]。STM32运行速度更快，性能更高，且在核上设计了单周期乘法制定的硬件触发[2]。

2.2 温度传感器及采集电路

本系统选用PT1000铂电阻作为温度传感器，在中低温测量范围内铂热电阻具有更好的精度、线性度和稳定性。为提高精度，消除导线电阻，选用三线制PT1000，同时配合相应的电路使用，具体电路如图2所示。采集电路将PT1000随温度变化的电阻值转变为随温度变化的电压值，以便通过模/数转换器进行采集。

在实际应用时，需要考虑PT1000的自热问题，因此应保证通过PT1000的电流小于1 m A；同时需要尽可能提高电压变化范围，以此保证更高采集精度。此系统实际应用中最低采集温度为-50℃，经计算此电路采用电阻大小为：R9=3 900Ω，R10=3 900Ω，R19=750Ω，这样设计既保证了PT1000不会因为自热问题影响采集误差，同时提高了采集精度。在实际应用中，可以根据不同工作需求，对R9,R10,R19的阻值进行适当调整。

2.3 模数转换器

该系统所用模/数转换器为AD7705电压采集芯片，其具有16位精度，可进行双通道全差分模拟输入采集，片内包含一个低通数字滤波器，能有效地消除在模/数转换过程中产生的噪声，而且片内包含一个1～128倍增益的可编程放大器，通过设置不同的增益倍数，可相应的提高测量精度。

2.3.1 硬件设计

AD7705与STM32F103VE连接电路见图3，经过AD7705转换的数字量便可写入NRF24L01进行无线传输。

2.3.2软件控制

对AD7705的初始化，需要对相应参数进行配置，AD7705采用双通道全差分工作方式，增益倍数为1，刷新速率为500 Hz。

AD7705对两个通道的采集不能同时进行，在电路中采集双通道电压，需要在两个采集通道之间进行切换，在每次切换通道之后需要进行芯片内部的自校准，如图4所示。

2.4 无线模块

NRF2401芯片内置硬件CRC校验和点对多点通信地址控制，集成了频率合成器、晶体振荡器和调制解调器[3]。

NRF2401提供直接模式和突发模式两种通信模式。直接模式需要在发送前添加校验码和地址码，在接收端判断本机地址并检查数据传输[4]。而突发模式不仅功耗低，抗干扰能力强，而且数据可从低速控制器写入，无需添加校验，并以1 Mb/s高速发射，因此采用突发模式可以使系统达到更高的工作效率。

2.4.1 硬件设计

NRF24L01电路如图5所示。

2.4.2软件控制

3 软件设计及计算方法

3.1 软件设计流程

首先进行各部分初始化，单片机部分主要包括时钟、I/O口、SPI、定时器和外部中断的初始化，AD7705的初始化包括进行自校准以及配置刷新速率，无线模块的初始化主要为工作模式的配置。经过初始化，单片机通过SPI1读取AD7705采集到的数据，再通过SPI2把数据写入到发射端的无线模块，启动无线发射，并判断NRF24L01是否发送成功，如果未成功，则重新启动发射。接收端单片机通过NRF24L01接收中断判断成功接收到数据，单片机读取数据后通过CAN总线传送至上位机进行存储。

3.2 计算方法

AD7705采集到的电压为Vadc，则采集电路两端的电压为：

PT1000的电阻值：

实际应用中选取的电阻值如下：R9=3 983.6Ω，R10=3 959.4Ω，R19=748.3Ω，VCC=5 V。

根据式（1）、式（2）可计算出PT1000的电阻值，通过查询PT1000分度表可得到当前的温度值。

4 实际测试及结果

将密封好的模块置于专业制冷测试的冰箱中，开启系统后，系统正常工作，将冰箱调节至不同温度进行测试，每隔1 min记录1次数据。从数据中抽取在-40℃时的数据，制成图6温度曲线。

5 结语

该系统摆脱了信号线的束缚，使用更为灵活，采集精度高，误差在0.3℃以内，结构简单，但在远距离的情况下受障碍物干扰较大，需进一步改善本系统，以提高其在复杂环境下的通信距离。

参考文献

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[2]王永宏,徐炜,郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[3]白春雨.基于n RF24L01的2.4 GHz无线通信系统设计[J].无线电通信技术,2011,3(4):45-46.

[4]于超然.基于NRF24L01无线模块的井下流量数据传输设计[J].现代电子技术,2014,37(15):41-44.

[5]张莉,董银丽.牛顿法与解析法在Pt100铂热电阻温度计算中的特性分析[J].现代电子技术,2010,33(11):135-137.

无线传输记分系统设计 篇10

扭矩,又称转矩,是动力机械的重要工作参数之一。通过测量各传动轴的扭矩参数,能够为系统的设计和改进提供参考依据,对传动轴载荷的确定与控制也具有重要的意义。目前应用最广泛的是应变式扭矩测量方法,通过在已有的传动轴上粘贴电阻应变片,基本不改变机械系统的结构参数就可以由应变电桥输出的电信号得到相应的扭矩大小。旋耕机属于农业整地机械,用于松耕作层土壤和粉碎作物根茬,鉴于旋耕机特殊的设计工艺,田间测试实验中不便应用有线传输,有必要设计一种依据现代测试技术为基础的无线传输扭矩测量系统。该系统将综合应变测量技术、无线传输技术及虚拟仪器技术,实现扭矩信号的实时测量、显示与分析处理,在降低成本的同时增加应用的便利性。

1 系统设计原理

基于无线传输的应变式扭矩测量系统的工作原理,如图1所示。其主要由数据采集模块、采集发射模块及接收模块组成,其中采集发射模块是系统的核心部分。应变电桥输出的微弱电压信号经过调理电路放大、滤波成为C8051F330单片机A/D转换适用的电压信号,然后通过单片机内部的SAR ADC将放

2 数据采集模块

数据采集模块由应变电桥、调理放大电路、单片机3部分组成。其采用高性能锂电池供电,体积小巧、供电能力强,还可以避免线圈耦合供电时带来的交流干扰。

2.1 扭矩测取与应变电桥

由材料力学知,当传动轴受扭矩作用时,在轴表面上与轴线成45°和135°角的方向上存在最大的拉应力和压应力,且数值相等、异号,等于圆轴截面上的最大切应力 ,即σ1=-σ3,σ1=τmax。为测取圆轴所受扭矩,可在圆轴表面上沿最大拉应力和压应力方向上等间距地粘贴4片性能完全相同的电阻应变片,组成四臂电桥,通过测取圆轴表面主应力,求得最大切应力,进而求得圆轴所受扭矩。

2.2 调理放大电路

系统采用仪表放大器AD623对应变电桥传输的微弱电信号VIN进行放大,随后输出单片机A/D转换接口适用的电压信号,电路设计如图2所示。AD623性能良好,能在单电源(3～12V)下提供满电源幅度输出;低功耗,宽电源电压,适合电池供电电路;线性度、温度稳定性、可靠性都非常好,并且具有高精度的直流、交流性能;内设以电源为基准的箝位二极管,使得输入端、输出端、基准端、增益调节端能安全地承受高于或低于0.3V的过电压。本设计是AD623的单电源应用,电源引脚处接0.1uF和10uF电容。

2.3 单片机C8051F330

C8051F330是完全集成的混合信号片上系统型MCU,使用CIP-51微控制器内核,与MCS-51指令集完全兼容,高速、流水线结构使其与标准的8051结构相比指令执行速度有很大提高。该单片机有标准的8051程序和数字地址配置,包括768字节的数据RAM和8kB的FLASH程序存储器,FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新8051 固件。芯片内部包含10位200ksps的16通道单端/差分ADC,带模拟多路器,该ADC工作在最大采样速率时可提供真正10位的线性度,INL和DNL为±1LSB。CIP-51提供了14个中断源,允许大量的模拟和数字外设中断微控制器,因而有更高的执行效率,用户软件对所有外设具有完全的控制,可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

在系统设计中C8051F330的主要功能是实现输入信号的A/D转换,同时负责控制系统各部分器件的有序工作。C8051F330的ADC0子系统集成了两个16通道模拟多路控制器,1个10位200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC、跟踪保持电路和可编程窗口检测器。A/D转换有6种启动方式,一次转换完成可以产生中断。在正常情况下,应变电桥输出-5～+5mV的微弱电信号,经过仪表放大器AD623将信号放大成为满足ADC输入范围的电压信号,C8051F330片内ADC的特性完全能够满足扭矩测量的需求。单片机芯片集成信号的A/D转换和控制,在简化了繁琐电路设计的同时还减小了干扰,从而大大提高了系统的精度。

3 无线传输模块

系统选用华容汇通信有限公司研制的RF Modem系列WAP200B无线传输模块,产品特点如下:RF部分采用成熟的FSK电路,能够实现数据直接传输(自动静噪,过滤掉空中假数据,所收即所发),双工通信,收发自动切换;内置高性能CPU 实现前向纠错(FEC)处理,通信可靠性可与有线媲美;64个频道,最大20dBm(100mW)发射功率;可以设置发射功率和串口接口模式;3.3V /5V 兼容TTL,RS232,RS485 多种接口电平选择,使用更加灵活;DC3.0～3.6V 工作,电源可以I/O 控制关断,或者软件控制待机模式降低功耗;外形尺寸40mm×20mm×7 mm(金属屏蔽壳尺寸),体积小巧轻便仅有7g;全金属屏蔽外壳封装进一步增强模块抗干扰的能力,非常符合应变式扭矩测量发射端模块固定转轴的需求。通信处理流程如图3所示。

发送缓冲与接收缓冲采用FIFO 方式,支持大批量连续的数据传输,是为了匹配用户接口和无线接口速率所设计;纠错编解码采用成熟的FEC纠错技术,可以将误码率由10-3 减小到10-6,并且有3dB 左右软件编码增益,进一步提高了传输的可靠性;交织的目的是将连续的错误离散成不连续的单bit 错误,提高抗连续干扰的能力;信号编解码则是将信号辐射功率谱集中,并有利于接收机信号解调;传输模块采用433MHz免费频段透明传输,抗干扰能力相比2.4GHz自由频段得到提高。模块设有64个频道,选择自动跳频模式,主机采用频道监听模式,这样在1.25s内如果接收不到正确的数据帧,而RSSI信号超过设定值的时间累计超过50%,主机模组就会自动调频到设定频道组的下一频道在设定的时间间隔内捕捉主机信号,提高了系统传输的抗干扰能力。

模块的引脚图如图4所示。VCC_CPU为MCU 电源输入;/SET 接口配置或者正常工作模式选择信号输入,低电平将使WAP200B 进入配置模式,此时串口的数据将被视为配置指令而不会被传送出去;ANT为天线接口,50Ω阻抗,若使用3dBi增益天线通信距离可以达到800～1000m。单片机传输过来的数字信号经RXD串口输入到WAP200B,经过模块内部的一系列处理后串口数据由TXD从WAP200B 发射出去;系统接收端设有一个同样型号的模块,经过433MHz频段的传输接收端模块正确接收信号后将串口数据通过RS232串口送入PC机并通过LabVIEW软件进行分析处理。

4 虚拟仪器软件开发工具

综合考虑节省成本,安装应用便利等因素,采用LabVIEW8.2来搭建测试与控制系统。LabVIEW是一 种基于图像化语言的虚拟仪器软件开发工具,它提供 了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储,同时还提供了大量常用于自动化测试测量领域的图形控件,让以往复杂的数据采集与处理工作变得异常简单。本系统由LabVIEW实现测试扭矩的峰值、均值、均方差等数字特征的计算显示,可真实地反应扭矩的一系列相关参数。

5 结束语

本设计综合了无线传输和虚拟仪器技术,实现了旋耕机在野外环境的扭矩测量。同传统的测试系统相比,该系统体积小巧,质量小,结构简单且成本低,安装使用起来也较为方便,电路设计中还选择了一系列抗干扰措施,提高了系统的稳定性,满足了扭矩测量对精度和速度的要求。

摘要：针对旋耕机特殊外形结构不便应用有线传输的特点,采用应变片测量扭矩的方法,设计了一种综合无线传输技术和虚拟仪器技术的扭矩测量系统,系统选用先进的WAP200B无线传输模块和C8051F330单片机,实现了扭矩测量时信号的在线采集与无线发送,LabVIEW搭建平台显示分析数据,节省了硬件设备开支。实验表明:系统稳定性、抗干扰能力强,便捷实用,为旋耕机的田间测试实验提供了方便。

关键词：扭矩测量,单片机,无线传输,LabVIEW

参考文献

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