毕业设计（论文）基于单片机的数据采集与传输设计

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1、摘 要随着电子技术的迅速发展，单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用。在生产过程中有时需要多个单片机作为下位机直接对生产过程进行检测和控制，这就需要两机或多机间进行数据传输。 双机通讯主要是利用单片机内部的全双工串口的发送和接收功能，而简单的单片机串口通讯的传输距离较短，所以须经过调制解调器使传输距离增长。 单片机系统采集的信号有的是模拟电压信号、模拟电流信号、PWM信号、数字逻辑信号等。现在，绝大多数传感器输出的信号都是模拟信号量，电流和电压。所以模拟信号的采集应用最为广泛，处理过程也相对复杂。相比于模拟信号PW

2、M信号和数字逻辑信号的采集比较直接，单片机能够直接处理这类信号，无需额外的器件进行信号转换。系统采用单片机技术进行现场模拟电压采样处理并进行数据传输，将外部采进来的模拟信号转换成数字信号，经过调制、滤波、解调之后，在另一单片机最小系统板将采集的数据结果显示出来，完成了整个数据采集与传输过程。 系统具有发送端设定8 路顺序循环采集与指定某一路采集的功能。关键词：数字采集；单片机；A/D采样；调制；解调ABSTRACTAs electronic technology developing rapidly, with SCM high reliability, high performance an

3、d low cost in industrial control systems, Data Acquisition System, intelligent instrumentation, office automation and other areas to be extremely widely application . In the production process is necessary as a number of SCM under the plan directly to the production process measurement and control s

4、ometimes, This requires two or more aircraft machine excharg data transmission. Communication is between the main microprocessor internal full-duplex serial transmit and receive functions, and simple microcontroller serial communication transmission distance short, it is required to make a modem tra

5、nsmission distance growth.SCM System Acquisition some of simulation, voltage signal simulation current signal, PWM signal, digital logic signal and so on. Now, the vast majority of the sensor output signals are analog volume, current and voltage signal. So analog signal acquisition is most widely us

6、ed, the process is relatively complex. Compared to the analog PWM signal and digital logic signals in the collection of direct comparison, SCM can handle such direct signal without additional signal conversion device.SCM system uses simulation technology for on-the-spot sampling voltage processing a

7、nd data transmission, external mining entered the analog signal into digital signals, after modulation, filtering and demodulation, In another microcomputer minimum system board will collect the data show, and completed the entire data collection and transmission. This system has set eight-way acqui

8、sition sequence and cycle path with a designated collection functions.Keyword：data collection;SCM(Single-chip microcomputer);analogue-digital conversion;modulation;demodulation.目 录第1章 绪论11.1课题研究的意义11.2 国内外研究现状21.3文研究的内容3第2章 设计方案提出4第3章系统硬件设计73.1 电源电路设计732时钟电路733复位电路83.4单片机键盘和显示器模块93.4.1数码管工作原理93.4.2数

9、码管字形编码103.4.3键盘103.5带通滤波器模块123.6数据采集模块123.7调制解调模块133.8测试码发生电路153.9主要芯片介绍173.9.1 AT89S52芯片173.9.2 8279芯片19第4章 系统软件设计224.1系统工作总流程图224.2编码调制流程图224.3译码解调流程图234.4误码率与时延流程图244.5键盘扫描子程序254.6显示子程序设计26结 论27致谢28参考文献29附录1 原理图30附录2 源程序第1章 绪论1.1课题研究的意义 在数字技术飞速发展的今天，将各种模拟信号转化为数字信号并进行相应的处理不仅可以提高系统性能还可以充分利用数字信号的各种处

10、理算法来提高系统的灵活性和可靠性。随着单片机的运算速度的提高，在一些由单片机构成的较小系统中对信号进行实时处理己经成为可能，并且越来越受到人们的重视。这就要求作为最底层的数据采集系统既要具有很高的采样速率。又要能提供更丰富的原始数据信息。系统经常需要采集各种模拟量信号、数字量信号，并对它们进行相应的处理。 常规采集方案为：1）由单片机 (如51, 196等单片机或控制型DSP)直接控制的采集方案。这是一种最简单最常用的控制方式，但是，由于每次采样都要有单片机的参与，占用了单片机的时间，影响了其数据处理的能力。并且对于多通道、多个A/D转换器的控制，当系统中要采集的信号量很多时 (特别是各种信号

11、量、状态量)，仅仅靠用普通MCU(微控制器或单片机)的资源往往难以完成任务。此时，一般只能采取多MCU联机处理模式，或者依靠其它芯片扩展系统资源来完成系统的监测任务。这样做不但增加了大量的外部电路和系统成本，而且大大增加了系统的复杂性，因而系统的可靠性就会受到一定的影响，这显然不是设计者所愿意看到的。2)由DMA控制的采集方案。此方案硬件电路复杂，若与单片机配合使用，需要单片机具有总线挂起功能(Hold功能)，否则还需要进行总线切换。在总线挂起的时候，单片机就不能访问外部存储器和外部端口，如果单片机要访问外部数据，也只能等待总线的释放，这样就带来很多不方便，也影响了数据的及时处理。 显而易见，

12、传统的设计思路不但要使用大量的外围芯片，而且需要主处理器直接去控制各种采集模块和控制模块，并完成各模块和通道的自检。因此，这种解决方案需要占用主处理器大量的 工/0资源和处理时间。然而，一般处理器的 工/0资源极其有限，而且又要求大量的汇编软件配合，这就使设计移植变得比较困难;此外，由于 工/0的频繁操作也不利于系统调度软件的设计和其他软件模块的实时执行，因而在现场更难以组成分布式控制管理系统。可见，如果采用传统的设计方法，不但使系统设计较为庞大，而且开发成本高、设计周期长、设计效率低。所以，传统的设计思路在远程多路数据采集系统中是不可取的。 随着工艺水平的进步，CPLD (Complex P

13、rogrammable Logic Device)/FPGA(Field Programmable Gate Array)等可编程器件的速度和规模都有T很大的提高，而且它们具有集成度高、体积小、功耗低、设计灵活等优势，这样就为利用可编程器件实现高速数字信号处理开辟了道路屯目前新一代的CPLD/FPGA等可编程器件，不仅在速度上能满足高速数字信号处理的要求，而且可编程资源也大大增加，在系统级集成方面也能满足需要，从而提高了系统的灵活性和适应性。因此，在开发周期较短或对系统灵活性要求较高的情况下，FPGA/CPLD能够提供比专用高速数字信号处理器件更高的系统速度和更好的解决方案。1.2 国内外研究

14、现状数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。 大约在60年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20世纪70年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发

15、展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。20 世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。 例如:国际标准ICE625(GPIB)接口总线系统就是一个典型的代表。 这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。 第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，例如：STD总线系统是这一类的典

16、型代表。这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。第二类系统在工业现场应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建。显然，这种系统比专用系统灵活得多。20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化。工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强.20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、 航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。 由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能

17、、高可靠性的单片数据采集系统（DAS）。目前有的DAS产品精度已达16位，采集速度每秒达到几十万次以上。数据采集技术已经成为一种专门的技术。 在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展。 典型系统有VIX总线系统。PCI、PXI总线系统等，数据位已达到32位总线宽度，采样频率可以达到100MSps。由于采用了高密度,屏蔽型,针孔式的连接器和卡式模块,可以充分保证其稳定性及可靠性,但其昂贵的价格是阻碍它在自

18、动化领域普及的一个重要因素。 但是，并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高。数据采集系统物理层通信，由于采用RS485、双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网，车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。1.3文研究的内容数据采集与传输系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备，其基本任务是把信号送入计算机或相应的信号

19、处理系统，根据不同的需要进行相应的计算和处理。它将模拟量采集、转换成数字量后，再经过CPU处理得出所需的数据。同时还利用用计算机将得到的数据惊醒储存、显示和打印，以实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被用作生产过程中的反馈控制量。本文介绍的是一种基于以ATMEL 公司89C52单片机为核心,采用ADC0809 8位串行A/ D 转换器构成的采样系统。本系统直接利用软件进行调制，然后通过异步方式进行传输，解调时利用异步传输恢复原调制波，再通过软件判断调制波的相位进行解调。被测电压经ADC0809循环采样后的数字信号送入AT89C52单片机，并在单片机的控制下进行显示与按键处理，同时由其串口

20、想调制器发送数据，经解调器解调输出后送数据给8279进行校验和键盘管理与显示；调制解调采用AT89C2051芯片来完成。接收显示采用74LS47芯片驱动LED显示。第2章 设计方案提出在通信过程中，多路信号要传输，为使它们能够区别，选用不同频率的载波信号。在测量中，通常噪声含有各种频率，将信号调制到某一个载波频率上，只让载波频率为中心的一个很窄的频带内的信号通过，就可以有效的抑制噪声，这一过程称之为调制。在接收端，对已调制的信号恢复出原来的信号的过程称之解调。简单的解调方式有非相干解调（检波）。非相干解调方法是信号通过一个检波二极管，再经过一低通滤波器就可以获得原始的模拟信号，优点是降低接收机

21、成本，提高整机的通信可靠性。根据题目的基本要求，可将其划分如下几个部分：1)8路模拟信号采集与通信控制器2)二进制数字调制器3)解调器4)3dB带宽3050kHz的带通滤波器作为模拟信道5)时钟频率可变的测试发生器6)接收断采集结果显示电路分析一下信道与信噪比情况。本题中码元传输速率为16kbps,而信号被限在3050kHz的范围内，属于典型的窄带高速绿数字通道。基带信号的带宽为Bm=16kHz,经调制后能量主要分布在2Bm=32kHz的频带内（功率频谱密度的主瓣），而噪声近似为043kHz(1/Ts)45%)的窄带百噪声因此经过带宽仅为20kHz的信道后信号与噪声的能量损比较大，而且两者大致

22、相当。根据香农公式C=Blog2(1+S/N)知，信号和噪声幅度比值为3：1时，信噪比约为9，信道传输信息的极限能力约为66.5kbit/s;幅度比值为1：1时，传输极限能力为40kbit/s。方案一：常用的数字调制系统有ASK、FSK、PSK等。其中FSK具有较强的抗干扰能力，但其要求的带宽最宽，频带利用率低，所以首先排除。ASK理论上虽然可行，但在本题中由于一个码元内只包括约两个周期的载波，所以采用报络检波法难以调解，也不可行。PSK调制和调试都比较困难。特别是由于本题中载波的频率非常低，几乎可与基带信号相比拟，一个码元只包括约两个周期的载波，载波的提取和跟踪非常困难，因此解调设备的制作和

23、调试会比较困难，短时间内很难完成。方案二：根据题目的特点，由于信道的频带比较窄，考虑对基带信号进行适当的基带编码处理后使它的频率变换到信道频带内，从而可以直接传输。当要求的数据传输速率较低（24kbps）时，对原始数据模仿PSK处理（下面有具体分析），方法如下：“1”用“1010”（0相位两个周期的方波）表示“0”用“0101”（相位两个周期发方波）表示其中传输编码后数据的频率为96kHz,这样上述编码调制方法能传输的最大码元速率为24kbps。当要求的数据传输速率大于24kbps时，对原始数据处理的方法如下：“1”用“10”（0相位一个周期的方波）表示“0”用“01”（相位一个周期发方波）表

24、示即进行Manchester编码。对于该信号的调节，显然只要能正确解调出信号的相位变化就可以恢复原信号。为了避免PSK调制方式复杂的载波提取电路在具体设计时采用了异步传输和软件解调相结合的解调方法，即：首先利用异步传输的起始位确定数据的起始相位，避免了PSK解调时相位随机性；然后利用简单的软件判断进行数据的解调。由于单片机能够自动寻找起始位，并自动在码元中间（即眼图开启最大，最佳判决处）进行多次抽样判决，又由于单片机之前的整形电路的均衡作用，因此单片机能够很好地恢复出输入信道前即编码调制之后的信号，再经过软件 译码解调即可得到原信号。采用单片机完成调制与解调，通信利用单片机间的串行通信来完成，

25、这样做的好处是：1)采用单片机串口通信，便于同步，定位方便。2)单片机本身对于串行信号具有多次抽判的功能。3)在数据速率较低的时，系统具有一定的纠错能力。例如当受到1110时可以判为1（1010），当收到0111时可以判为0（0101）。本系统通过软件加入了自动纠错，能纠正码距为1的误码。4)由于采用软件判断相位解调，不存在相干PSK解调的倒问题。5)高速率传输与低速率传输间的切换非常简便快捷。6)系统可升级性好，可以根据需要，进行纠错编码。当信道条件改变时也能较快适应。另外需要说明的是，基带编码的方法还有很多种，如HDB3码等，但这种编码方法抗干扰能力较差，最关键的是它们不能起到频率变换的作

26、用，即并不能将基带信号信号变换成适当合本信道传输的带限信号，因此是不可行的。综上所述，采用第二种方案有以下优点：1)只使用两个电平，有足够的定位信息，直流漂移较少。2)信号频谱的主要部分在3050kHz的通带范围内，利于传输。3)实现方法简单，避免了PSK解调时复杂的载波提取和位同步提取电路。4)可对接收到的序列进行软件判决，提高系统的抗噪性能。5)系统具有比较宽的数据传输范围：16- 48kbps。虽然已调信号的带宽已超过了信道的3dB带宽范围，但是由于已调信号的大部分能量仍然在信道的带宽范围内，所以对于正确解调影响不大。综上所述，在发送端和接收端口采用双CPU方案，用两片单片机可以精确设定

27、波特率的89C52单片机分别控制数据采集、通信和采集结果显示。发送与接收端之间为单向数据传输系，用有源运放带通滤波器作为模拟信道滤波器。本设计采用方案二，系统的原理框图如图2.1所示。8路被测电压ADC0809发送端89C52键盘显示器接口8279数码显示键盘调制器RC有源滤波器3050kHz测试码发生器解调器接收端89C52键盘显示器接口8279数码显示TXDRXDS2S1DATA图2.1 系统原理总图第3章系统硬件设计3.1 电源电路设计任何电子设备，其供电品质好坏直接影响了电子设备工作性能，汽车仪表也不例外。汽车上的电气设备多，种类复杂，开关频繁，对电系干扰大，主要表现为欠压和过压两种情

28、况。欠压产生原因比较简单，主要是由于蓄电池存电量不足或低温长时间启动时引起的；而过压产生的原因则比较复杂，可分为瞬变性过压和非瞬变性过压两大类。瞬变性过压是指电系工作时，瞬时性出现的高于电源额定电压的现象。根据过压的方向与电源电压的方向相同与否，又分为正向瞬变过电压和反向瞬变过电压两种。电源电路为整个电路提供电源，是电路设计不可缺少的一部分。电源电路的稳定性决定着整个电路的可靠程度。在本设计中，整个电路需要+5V电源。电源电路是把市电交流220V经过变压器降压为交流9V，再通过二极管整流、电容滤波、三端集成稳压器7805稳压后输出正5V直流电源。电源电路图如下图3.1：图3.1电源原理图32时

29、钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚，输出端为引脚，在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。此电路采用6MHz的石英晶体。时钟电路如图3.2所示。33复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC图初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时

30、，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。图3.2时钟电路 3.3复位电路复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。复位电路又叫电源监控电路 监控电路必须具备如下功能：上电复位，保障上电时能正确地启动系统；掉电复位，当电源失效或电压降到某一电压值以下时，复位系统；电子元件邮购除上电复位和掉电复位外，很多监控电路集成了系统所需的功能，如：电源测控，供电电压出现异常时提供预警指示或中断请求信号，方便系统实现异常处理；数据保护，当电源或系统工作异常时，对数

31、据进行必要的保护，如写保护、数据备份或切换后备电池；看门狗定时器，当系统程序“跑飞”或“死锁”时，复位系统；其它的功能，如温度测控、短路测试等单片机的应用系统中，除单片机本身需复位以外，外部扩展的I/O接口电路等也需要复位，因此需要一个系统的同步复位信号 1有效的系统复位电路。复位产生的复位信号经史密特电路整形后作为系统复位信号，加到单片机和外部I/O接口和扩展电路的复位端。RST引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4s才能完成复位操作。复位操作有上电自动复位和按键手动复位

32、两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。在本设计中采用了按键电平复位方式，其复位电路如上图3.3： 3.4单片机键盘和显示器模块系统采用双CPU方案在发送端和接收端分别有一个8052最小系统，包括：89C52，EPROM27128，74LS47，地址锁存74LS373，地址译码器74LS138等。发送端采用45键盘作为输入控制，用于切换采集方式和实现其他扩展功能。两端同时用2个数码显示地址和数据数据，以供误码率监视。单片机键盘和显示器电路如图附录3所示。单片机与键盘/显示器的接口采用8279键盘/显示器控制芯片，实现

33、对键盘的自动扫描、防抖动，并对显示器进行自动刷新。3.4.1数码管工作原理共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起。通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。 图3.4 共阳极 图3.5 共阴极如果采用共阴极数码管

34、与单片机P0口直接连接，其电路连接如图所示。数码管公共阴极接地，其它管脚分别接P0口的8个端口，上拉电阻为1kW，数码管字段导通电流约为6 mA（额定字段导通电流一般为5 20 mA）。3.4.2数码管字形编码要使数码管显示出相应的数字或字符，必须使段数据口输出相应的字形编码。对照图3.4.1型码各位定义为：数据线D0与a字段对应，D1与b字段对应，依此类推。如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为：11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为

35、：00111111B（即3FH）。依此类推，可求得数码管字形编码如表3.2。3.4.3键盘从系统原理总图中可知，被测电压经ADC0809循环采样后的数字信号送入AT89C52单片机，并在单片机的控制下进行显示与按键处理，同时由其串口想调制器发送数据，经解调器解调输出后送数据给8279进行校验和键盘管理与显示；调制解调采用AT89C2051芯片来完成。接收显示采用74LS47芯片驱动LED显示。系统实现功能简介：1）系统上电复位进入默认8路循环采集显示状态，并发送数据。2）在8路循环状态下，按数字键18即可实现指定路数据采集，此时按下“储存”键即可实现存储。3）按“查询”键即可查看到存储在中的某

36、时刻的电压值。此时按“”表3.1 数码管字形编码表显示字符字型共 阳 极共 阴 极dpgfedcba字型码dpGfedcba字型码0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H010011114FH441001100199H0110011066H551001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH991001000090H011011

37、116FHAA1000100088H0111011177HBB1000001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139H显示字符字型共 阳 极共 阴 极dpgfedcba字型码dpGfedcba字型码DD10100001A1H010111105EHEE1000011086H0111100179HFF100011108EH0111000171HHH1000100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H00

38、1111103EHYY1001000191H011011106EH-10111111BFH0100000040H.011111117FH1000000080H熄灭灭11111111FFH0000000000H健显示下一个值直至最后返回。4）按“时间”键即可转入显示当前实时时钟状态，此时按下“调整”键可以对时、分、秒进行调整。5）在8路循环状态下，按“调整”键可以选择不同波特率传输。6）在接收端，用开关选择接收数据或测试误码。图3.6 键盘电路表3.2 键盘功能表K0K9数字09K10复位K11清除K12确认K13返回K14K15K16储存K17调整K18查询K19时间3.5带通滤波器模块带通滤

39、波器N阶全极点传递函数近似式为： （3.1） 由上式可看出：带通滤波器的传递函数是由低通滤波器的传递函数变换而来的。三阶带通滤波器可由低通滤波器和高通滤波器级联而成，因此可以把一个截止频率为30kHz高通滤波器和一个截止频率为50kHz的低通滤波器级联起来，采用切比雪夫型高低通滤波器级联，经计算中心频率约为40kHz. 切比雪夫型低通滤波器其幅频公式如下： (3.2)其中，e和K1为常数，Cn为N阶切比雪夫型多项表达式，c为截至频率。N增加则波纹系数增加。将低通滤波器传递函数的s换为1/s即可得到高通滤波器的传递函数。最后设计出的带通滤波器如图3.7 所示。滤波器在3050kHz处的相移基本上

40、为线性，因此句有良好的群时延性，信号通过该信道后不会有过多的相位失真，这对本系统所采用方案中的正确调解是非常重要的。图3.7 带通滤波电路3.6数据采集模块数据采集模块采用ADC0809模数转换器和89C52控制数据采集。被测电压为05V通过电位器调节的直流电压；A/D变换器采用芯片ADC0809，ADC0809为8位8通道输入的A/D变换器，具有8位分辨率，最大不可调误差小于满足题目所提出的精度和速度要求。用单片机作为系统的控制核心，接收来自ADC0809的数据，并利用单片机内置的专用串行通信电路将数据进行并-串转换后输出至调制器；单片机通过接口芯片与键盘相连，由键盘控制采集方式是循环采集或

41、选择采集，同时也可以利用键盘进行其他扩展功能的切换。此外，为便于通道监视和误码率测试，在发送端扩展了采集数据的显示功能。在单片机的选择方面，考虑到题目基本要求码元速率为16kbps,发挥部分尽量提高传输速率，因此单片机的串口应可以比较精确的设定波特率，且波特率可变。本电路中由于考虑到传输数据时要增加帧头，为了与数据区分,设帧头为EA，输入电压为5V时，A/D转换后的数据为E1，则需要调整基准源至5.689V，可用精密基准源LM340提供该电压。从ADC0809的数据手册上查到，该芯片的供电电源最大可达6.5V，本电路中用5.75V，用精调电压源LM340供电。帧加率由单片机控制进轮询采集或是指

42、定通道采集电路如图3.8所示。3.7调制解调模块根据前述对题目的要求的分析，本系统直接利用软件进行调制，然后通过异步方式进行传输，解调时利用异步传输恢复原调制波，再通过软件判断调制波的相位进行解调。具体实现方法如下：首先，对要传输的数据进行数字编码调制，然后把调制后的数据作为异步传输数据，通过单片机的串行口进行异步传输，即为其再增加异步传输的起始位、校验位和停止位。在接收端，首先对接收到的信号进行整形，减少信号波形的失真，并利用单片机的串行口对调制信号作为异步传输的数据进行接收，然后利用软件判决的方法对接收到的数据进行相位判断、译码解调。这样就避免了普通解调时复杂的载波提取和同步提取电路设计，

43、同时得到较好的接收性能。在设计中，采用了18.432MHz的晶体，这是一种在通信中常用的晶体，可方便地分频出16、19.20、24、32、48kHz等传输时钟。数据传输的码元速率不大于24kbps时：“1”用“1010”（0相位两个周期方波）表示，“0”用“0101”（相位一个周期发方波）表示。另外，为了防止单片机的停止位产生富含低频分量的较长连续“1”，在信道传输前先将单片机串口输出的码序取非。具体调制结果如表3.1其表中的“*”意为设数据为“00001111”。这样可以保证数据流中没有三个连续“1”也没有“11”与“00”连在一起的情况。这样，书泳6kpbs的波特率传输时，调制信号的功率谱

44、主瓣就在24kHz72kHz之间，通过3050kHz的信道后仍有足够的能量，这样便可在题目所要求的信道中传输码元率不大于24kpbs图3.8 数据采集电路的数据信息（由于带宽很窄，可以不考虑谐波分量）。对于它的解调，接收到信号后取非，再用单片机译码即可实现。同时由于编码的特点，还可纠正传输中码距为1的误码，如单片机接收到1101（已取非还原）的数据时可判原信号为0。表3.3 串口输出码序的调制起始位数据TB停止位原信号00000 1111*X1编码取非后（4字节）11010 1010X011010 1010X010101 0101X010101 0101X0当数据传输的码元速率较高（24kbp

45、s）时，编码自动调整为使用Manchester编码，即“1”用“10”（0相位一个周期的方波）表示，“0”用“01”（相位一个周期发方波）表示，使每一码元编码后对应的二进制数据位减少，在相同的时间内传输更多的码元，从而提高码元传输速率，达到扩展功能中提高传输速率的要求。由于编码位数减少一半，因此使用96kbps的波特率传输时理论上可以达到48kbps的码元传输速率。另外，由于调制部分和调解部分的输入波特率与输出波特率均不同（调制部分输入波特率为1648kbps,输出波特率为96kbps；调解部分输入波特率为96kbps，输出波特率为1648kbps）而且在一片单片机上同时实现数据的收发也较困难

46、，因此调制部分与调解部分均采用了两片89C2051来分别管理数据的输入输出，以减轻每一片单片机的负担。这两片单片机之间通过并口实时传输数据，具体电路原理图见附录2（上图为解调器，下图为调制器）串口加如了一个衰减器使输出电压可以在01V的范围内连续变化。输入使用LM311比较器构成电平判决电路。该电路同时还具有对信号均衡整形的作用。3.8测试码发生电路测试码采用89C2051单片机生成，通过键盘输入发送的测试码和发送信息速率，同时用LED显示。设置完成后，单片机就会由串口不停的输出测试码，其电路图如附录4。LED驱动采用MAX7219，MAX7219是MAXIM公司生产的LED驱动器，该芯片只需

47、要三根控制/数据线，采用串行移位方式输入数据，可十分方便的控制LED。MAX7219 和单片计算机连接有三条引线（DIN、CLK、LOAD），采用16 位数据串行移位接收方式。即单片机将16 位二进制数逐位发送到DIN 端,在CLK 上升沿到来前准备就绪，CLK 的每个上升沿将一位数据移入MAX7219 内移位寄存器，当16 位数据移入完，在LOAD 引脚信号上升沿将16 位数据装入MAX7219 内的相应位置，在MAX7219 内部硬件动态扫描显示控制电路作用下实现动态显示。MAX7219 在驱动8 位以下LED 显示器时，它的DIN、CLK、LOAD 端分别接单片机P0P3 口中的任意三条

48、口线，注意在三条线上对地应接几十至几百pF 电容。在P0 口作为DIN、CLK、LOAD信号线时还应接10k 左右的上拉电阻。在显示器与微处理器连接线较长时还应考虑干扰的影响。图3.9 测试码发生电路3.9主要芯片介绍3.9.1 AT89S52芯片 AT89S52 是一种低功耗、高性能的CMOS 8位单片机。它带有8K Flash 可编程和擦除的只读存储器（EPROM），该器件采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的80C51和82C52的指令系统及引脚兼容，片内Flash 集成在一个芯片上，可用与解决复杂的问题，且成本较低。AT89S52提供了8K字节Flash ，256

49、字节RAM，32线I/O口，3个16位定时器/计数器，6向量两极中断，一个双工串行口，片内根据振荡器和始终电路等标准功能。此外，AT89S52设有静态逻辑，并支持软件选择的两种节电运行方式、空闲方式使CPU停止工作，而允许RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式下，片内振荡器停止工作，由于之中被冻结，一切能都停止，只有片内RAM的内容被保存，直到硬件复位才恢复正常工作。1 AT89S52的结构框图AT89S52结构框图如图3.10所示：图3.10AT89S52结构框图2 AT89S52单片机的特点 1)与MCS-51产品相兼容；2)具有8KB可改写的Flash 内部程序存储器

50、，可写/擦1000次；3)全静态操作：0HZ-24MHZ；4)三级程序存储器加密； 5)256字节内部RAM；6)32根可编程I/O口；7)3个16位定时器/计数器。8)8个中断源； 9)可编程中串行口； 10)低功耗空闲和掉电方式。 3.管脚、引线与功能 AT89S52单片机为40引脚芯片如图3.11所示： 1) 引脚信号介绍： P00P07 P0口8位双向口线 P10P17 P1口8位双向口线P20P27 P2口8位双向口线P30P37 P3口8位双向口线 ALE地址锁存控制信号 图3.11 AT89S52芯片引脚图在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现

51、低位地址和数据的隔离。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲作用。外部程序储器读选取通信号在读外部ROM时/PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。访问程序存储器控制信号当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST 复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机初始化操作。XTAL1和XTAL2外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电空。VSS：地线VCC：+5V电源2)

52、 信号引脚的第二功能：由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的，例如MCS51系列把芯片引脚数目限定为40条，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此就出现了需要与可能的矛盾。因此，给一些信号引脚赋以双重功能。P3的8条口线第二功能定义如下表3.4。表3.4 P3的第二功能口线第二功能信号名称RXD串行数据接受TXD串行数据发送外部中断0申请外部中断1申请T0定时器/计数器0计数输入T1定时器/计数器1计数输入外部RAM写选通外部RAM读选通4总线结构AT89S52的管脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口部分P3外，其余管脚都是为实现系统扩展而设置的。这些管脚构成了

53、三总线形式，即：1) 地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，因此，其外部存储器直接地址外围为64K字节。16位地址总线由P0经地址锁存器提供低8位地址（A0A7）；P2口直接提供高8位地址（A8A15）。2) 数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0口提供。3) 控制总线（CB）：由部分P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、ALE、组成。3.9.2 8279芯片8279 是一种可编程的键盘显示器接口芯片. 芯片各显示接口的管脚和管脚功能如图3.11 所示. 该芯片为一种专用的键盘显示器接口芯片，能对显示器进行自动扫描，能自动识别键盘的键号，大大减轻了CPU的负担。在这个系统中它

54、主要的作用是形成键盘，显示器。提供人工控制的物理系统。8279的组成：数据缓冲器，I/O控制逻辑，控制和定时寄存器及定时与控制电路，扫描计数器，回复缓冲器，键盘去抖动及控制电路，FIFO /传感器RAM及其状态寄存器，显示及显示地址寄存器等组成。8279的内部结构由数据缓冲器,I/O控制逻辑,控制和定时器及定时控制电路,扫描计数器,回复缓冲器,键盘去抖动及控制电路,FIFO/传感器RAM及其状态寄存器,显示RAM及显示地址寄存器等部分组成.1) 数据缓冲器及I/O控制逻辑数据缓冲器是一个双向缓冲器,它连接内部总线和外部总线,用于传送CPU和8279之间的命令,数据和状态.I/O控制逻辑完成对芯

55、片的读写控制,芯片选择以及端口选择.2)控制和定时器及定时用来寄存操作命令字.3)扫描计数器 扫描计数器有两种工作方式.一种为外部译码方式.计数器以二进制方式计数,4位计数状态从扫描线SL0-SL3输出,经外部译码器译码后,形成16位扫描信号;另一种为内部译码方式.该方式下,扫描计数器的低二位经内部译码后从SL0-SL3输出,形成4位扫描信号.4)回复缓冲器,键盘去抖动及控制电路 回复缓冲器缓冲并锁存来自SL0-SL7八根回复线的回复信号.5)FIFO/传感器RAM及其状态寄存器 FIFO/传感器RAM是一个双重功能的8*8RAM.6)显示RAM及显示地址寄存器 显示RAM用来存储显示数据,容

56、量为16*8位.在显示过程中,存储的显示数据轮流从显示寄存器输出.引脚介绍：DB0DB7 : 8位数据总线与系统数据总相连,用CPU 和8279 间的数据/命令传送。CS : 片选信号CS = 0 时,CPU 读写有效,8279 被选中。WR : WR = 0 ,CPU 控制信号有效,控制8279 写操作。A0 : 数据选择输入线,A = 0 ,CPU 读出为数据; A = 1 ,CPU 写入数据为命令字,读出数据为状态字。BD : 消隐输出线,BD = 0 有效. 在切换显示数据或使用消令时,该信号将显示器熄灭。CLK: 外部时钟信号输入线. 8279 通过内部定时器将该信号变为内部时钟. 内部时钟频率的高低直接决定显示器的扫描时间,通常与编程设置为100 Hz ,此时,每位显示数