超声数据传送系统 刘利子

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1、超声数据传送系统方阁谭潇雄刘利子摘要：本系统基于ASK（二进制振幅键控）调制解调原理，以超低功耗单片机MSP430F449为控制核心，设计制作了一个节点间数据传输的超声数据传送系统，实现了任意节点间的点到点直播和点到多点组播或广播的数据传送。节点由发射端和接收端组成，发射端由功率放大部分构成ASK调制核心，接收端由前级放大和包络检波部分构成ASK解调核心，以UART异步通信方式实现信源的编解码。节点间通信距离可达11米，可传送环境温度值和供电电池电压值，任意编辑数字短信，传输时间小于1秒，误码率小于0.1%。另外，节点以电池供电，接收状态功耗不超过0.

2、3W，发射状态功耗不超过0.5W。整个系统性价比高，功耗小，操作简单，功能齐全。关键词：MSP430F449；二进制振幅键控；UART异步通信；包络检波一、方案论证与选择1、方案比较（1）信源编解码方案的比较与选择方案一：采用UART异步通信方式实现信源的编解码。MSP430系列单片机具有片内硬件USART模块，可以实现标准的串行编码，编码解码非常灵活，并且可以自动从任何一种低功耗模式开始工作。方案二：采用编解码芯片PT2262与PT2272对信源进行编解码，PT2262/2272是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射/接收芯片，可以较好的完成二进制

3、数据的编解码，误码率低，但可转换的数据位数有限，且增大了系统的复杂度。利用UART异步通信方式的误码率大于利用专门编解码芯片时的误码率，从而较小了通信距离，但是其具有很大的灵活性，且在一定程度上降低了系统功耗，因此设计时选用方案一完成信源的编码解码。（2）调制方式的比较与选择方案一：采用ASK调制体系，即利用载波的幅度变化来传递数字信息，而其频率和初始相位保持不变。此调制方式可由模拟调制法和键控法实现，调制解调电路简单，但抗干扰性较差。方案二：采用FSK调制体系，即利用载波的频率变化来传递数字信息。此调制方式抗噪声和抗衰减性较好，但解调电路较复杂。虽然

4、ASK调制方式抗干扰性差，但采用适当的解调方式能减小误码率，且从系统的整体设计考虑，FSK调制解调方式增大了系统的复杂度。因此在设计中，数据的传送采用ASK调制体系。（3）载波信号产生方式的选择与比较方案一：利用外接晶振制作多谐振荡器，产生载波信号。此方案产生的信号频率稳定度高，但不易起振。方案二：利用MSP430F449内部定时器A输出的脉宽调制（PWM）信号作为载波信号。设计时利用捕获/比较寄存器控制PWM波形的周期，频率稳定，无需外加芯片，容易实现。从简化系统外围，减小系统复杂度的角度考虑，在设计中采用方案二产生载波信号。一、系统整体框图整个系统

5、由三个节点组成，节点间数据传送方式以环形拓扑结构实现，结构图如下：图2.1节点网络拓扑结构图各个节点包括发射端和接收端，发射端将节点温度、电压及短信编码后作为数据基带序列控制输出驱动器的通断来实现ASK调制，调制信号经后级匹配后由超声发射器发送；接收端超声接收器对接收到的信号先进行前级放大处理，再由检波模块解调得到原始数据序列。节点框图如下：图2.2系统框图二、理论分析1.超声换能器的匹配与相关分析空气中传播的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，超声波的频率越高，衰减率越高，传播距离也越短。本系统中使用的压电陶瓷换能器TR40-16工作频率为40KHz

6、，为保证超声频电能有效地传输给压电超声换能器,提高超声通信距离，超声频电发生器与换能器之间的电端匹配非常重要。压电换能器在共振频率附近的等效电路如(a)所示,图中为静态电容,、和分别为换能器的动态电感、动态电容和动态电阻。当换能器处于机械谐振状态时,动态支路中仅剩下电阻分量，此时换能器等效为静态电容和机械电阻的并联，对外呈现电容性状态，阻抗可化简为等效电路如图(b)所示：图3.1(a)换能器非共振时的等效电路图图3.1(b)换能器机械共振时的等效电路图利用变压器变阻来实现匹配的原理图如下，为匹配电感，为机械谐振时的角频率，理想匹配条件为，改变变压器初次

7、级匝数及匹配电感的值，就可以实现理想匹配。图3.2变压器匹配电路图2.ASK调制原理分析二进制振幅键控（ASK）方式是载波幅度按基带脉冲序列改变的一种数字调制方式，可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦型载波的相乘，即有：上式中，是持续时间为的矩形脉冲，而的取值服从下述关系其波形图如右所示：图3.3ASK调制信号框图二进制ASK的信道带宽,为提高信道利用率，应尽量提高码元传输速率，但码元传输速率过大易产生码间串扰。考虑到超声转换器的带宽为±5KHz，波特率应满足，另外，为了减小超声换能器“余振”现象带来的影响，波特率设为1000bps。一、主要功能

8、模块1.功率放大及ASK调制模块图4.1功率放大及ASK调制电路由于整个系统的功率≤1W，为提