信号发送模块

2024-07-15

信号发送模块（共4篇）

信号发送模块篇1

1 前言

无线传感器网络节点主要负责对周围信息的采集和处理,并发送自己采集的数据给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给其他相邻节点。所以,信号发送模块在无线传感器网络中具有举足轻重的地位,它设计的好坏直接影响整个无线传感器网络的通信质量。提高信号发送模块的通信能力和降低功耗是传感器节点设计的重点。

2 无线传感器网络概述

2.1 无线传感器网络结构

传感器网络结构如图1所示,传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。

2.2 传感器节点结构

传感器节点是一个微型的嵌入式系统,它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,并通过携带能量有限的电池供电。它由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成。如图2所示:

3 传感器节点信号发送模块设计

信号发送模块是一种把输入的基带信号调制成高频信号并把已调信号发射出去的电路,它实际上是一个发射机。由信源、调制器、载波振荡器、变频器、激励放大器、输出功率放大器和天线组成。

我们根据信号发送模块的原理,选用具有相同功能或者功能相近的高集成度的芯片。目前,市场上有很多可用于收/发的芯片,它们具有体积小、功耗小、使用方便等优点。比如Chipcon公司生产的CC1000、CC1100、CC2420等。在同类产品中,CC1000是最适合用于设计无线传感器节点信号发送模块的芯片。很多无线传感器网络节点都选用CC1000来开发。在本设计中,我们也选择CC1000。

CC1000体积微小、功能强大,选用很少的器件就能组成信号发送模块的电路。图3所示的电路是利用CC1000设计的无线传感器节点信号发送模块的电路。

CC1000集成了收/发功能,它是通过三串行接口(PDATA、PCLK和PALE)编程来控制发送和接收的,发送部分包括压控振荡器(VCO)、功率放大器(PA)、鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)、分频器等。其工作原理如图4所示:

在没有Ui(t)的情况下,把频率为ωo的输出信号Uo(t)输入到分频器(/N),经分频器变频得到一个频率为ωo/N的Up(t)信号,鉴相器把信号Up(t)和频率为ωr的参考信号Ur(t)进行相位比较,产生一个反映两信号相位差大小的误差电压Ud(t),Ud(t)经过低通滤波器的过滤得到控制电压Uc(t),Uc(t)调整Up(t)的频率向参考信号的频率靠拢,即

调制后Uo(t)的频率是Ur(t)的N倍。当输入Ui(t)时,Ui(t)影响Up(t)从而使Uo(t)的频率发生变化,Uo(t)经功率放大器放大后从天线发射出去。

上述电路中,C210、C211、C213、C214是滤波电容,用来消除电路中的干扰信号;L202是压控振荡器(VCO)电感,决定收发频率的中心频点;C206、L204和C205、L203是发送和接收电路的匹配电路,需要根据不同的PCB板材料调整这些值;C207要将发送信号耦合到天线上,所以它的值与发送信号的频率相关;C208、C209和L205组成的电路是一个简易的滤波器,主要目的是在信号耦合前做最后一次滤波,提高信号发射质量。

4 信号发送模块工作平台

上述的信号发送模块本身也是一个信号接收模块,它通过PCLK、PDATA、PALE三个端口控制收/发。也就是说,它需要一个外部的控制电路来控制收/发,否则不能正常工作。

为了使传感器节点信号发送模块能够正常工作,必须要有一个能对CC1000内部寄存器进行编程、控制信号发送模块收发模式的平台。目前市场上都把无线传感器节点的无线通信模块和处理器模块集成在一起,称为Mote节点。图5所示是专门为上述信号发送模块设计的Mote节点。

图中U2是CC1000,它与其他器件构成上述的信号发送模块。U1是ATmega128单片机,它是处理器模块的核心部件,它通过3个I/O端口对CC1000编程,控制CC1000的收/发,此外它还可以处理传感器节点收集的信息。

U3是AT45DB041B芯片。传感器节点信号发送模块不仅仅是传输本地节点收集的数据,还要对其他节点传送过来的数据进行转发。有时候本地节点要求发送数据,相邻的节点同时也要求转发数据,这样就会造成冲突。为了避免这种冲突,有必要设计一个存储电路。由于单片机内部的存储器存储能力有限,而且很大部分开销在处理运算上,所以要选择外部的存储电路。J2是一个50针的插口,用于Mote节点和传感器板之间的连接。U4是DS2401P芯片,它是一个包含48位随机数的芯片,用于标识节点在网络中的唯一ID;U5是LM4041,用于构成节点电压检测电路。Mote节点的具体电路请查看说明书大图。

5 结束语

本文设计的信号发送模块完全按照无线传感器节点的要求来设计,与市场接轨。用户可以根据不同的要求,通过接口电路连接不同的传感器板,使用方便,是一种实用的信号发送模块。但是该信号发送模块也有不足之处:由于它功耗小,信号强度不够大,导致它的通信距离较短,只有几百米的距离,而且它的抗干扰能力较弱、传输速率较低。进一步提高信号发送模块的传输速率,增强抗干扰能力是现阶段必须解决的问题。

参考文献

[1]孙利民.无线传感器网络[M].北京.清华大学出版社,2005,5

[2]王殊等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007,7.

[3]李道华等.传感器电路分析与设计[M].武汉:武汉大学出版社,2004.

信号发送模块篇2

关键词：煤矿,气体传感器,调校,红外控制,自动闭环校验

0 引言

根据AQ6201—2006《煤矿安全监控系统通用技术要求》,矿用气体传感器的零点、报警点漂移需定时校正。调校过程要分别在低浓度、中浓度和高浓度气体环境下持续较长的时间[1],而矿用传感器所监控的气体大多为有害气体,通入调校装置的标准气样也是有害气体,标准气样与传感元件反应后直接散发到空气中,造成空气中混入大量高浓度的有害气体。与现有矿用气体传感器配套的调校装置大多采用红外遥控器,需人为操作校正传感器,有害气体直接威胁调校人员的生命安全。目前技术较领先的传感器校验仪器仅实现了对标准气体进气气路、气体流量、信息收集的自动控制,而在传感器校正方式上均采用遥控器人工校正方式,无法实现自动闭环校验。同时,由于各厂商所用的红外信号传输协议不同,制造的遥控器也不相同,实际应用中常出现遥控器误用、丢失等情况,给使用者带来了很多不必要的麻烦[2]。

本文在现有传感器校验仪器的基础上集成一个红外信号发送模块,用该模块取代红外遥控器,可实现传感器的自动闭环校验功能。该模块应用于校验仪器后,可在上位机系统数据库中集成多种红外信号传输协议,使得用户在使用时仅需选择对应传感器类型即可完成传感器技术参数的设定,如红外信号传输协议、测量量程、输出信号范围等,大大提高了工作效率。

1 红外调校原理

红外模块一般有发送和接收两个部分。红外发送端采用单片机将待发送的一串二进制信号编码调制为脉冲串信号,并通过红外发射管发射红外信号(频率大多为38 kHz);红外接收端普遍采用价格低廉、性能稳定、抗干扰能力强的一体化红外接收头(如vs1838b,频率为38 kHz,周期约为26 μs)接收红外信号,并对信号进行放大、检波、整形,再将得到的TTL电平编码信号送入单片机,单片机解码、执行后控制相关对象。矿用传感器一般将红外接收端集成在其内部,如图1所示。要实现对多种传感器的调校,首先必须获取各种传感器所采用的红外信号传输协议。

2 红外信号传输协议的获取

2.1 红外信号编码方式

常用的红外信号编码方式有3种:

(1) FSK(移频键控)方式

FSK方式用2种不同的脉冲频率分别表示二进制数“0”和“1”,低频为“0”,高频为“1”,其编码示意图如图2(a)所示。

(2) PPM(脉冲位置编码)方式

在PPM方式下,每一位二进制数所占用的时间相同,只是脉冲位置有所不同。低脉冲在前、高脉冲在后的表示“1”,高脉冲在前、低脉冲在后的表示“0”,其编码示意图如图2(b)所示。

(3) PWM(脉冲宽度编码)方式

PWM方式根据高脉冲的宽度来区分二进制数“0”和“1”。高脉冲较宽的表示“1”,高脉冲较窄的表示“0”,每一位二进制数之间则采用等宽的低脉冲来进行分割,其编码示意图如图2(c)所示。

2.2 数据传输格式

红外信号的数据传输格式没有一个国际规范的通用标准,各大公司均定制了自己的数据传输格式,如Nokia公司的Nokia NRC17协议、夏普公司的Sharp协议等,而欧洲大部分企业使用ITT协议。数据传输有一个基本格式,所有协议都是在此基础上加上自定义的验证码产生的。基本格式包括起始段、数据段以及结尾段。起始段和结尾段用于标识数据段在什么位置开始与结束,同时起校验作用,以区别其它红外信号。起始段和结尾段越长,误码率越低,但整个协议越长,越不容易接收和处理[3]。

2.3 实例分析

以某矿用传感器为例,用数字示波器采集配套遥控器每个按键对应的输出信号波形,如图3所示。可见,所有按键对应的输出信号波形仅在高脉冲的宽度上不同,因此可判断该通信协议采用的编码方式是PWM方式。按PWM方式的编码规则可分析出每个按键所对应的代码。分析代码可知,所有代码前段相同的部分即为起始段,中间不同的部分为数据段,后段相同部分则为结尾段。遥控器各按键对应的代码见表1。

3 红外信号发送模块设计

3.1 硬件设计

红外信号发送模块的微控制器单元采用CYGNAL公司生产的C8051F020芯片,它是完全集成的混合信号系统级MCU芯片,具有64个数字I/O引脚[4]。红外信号发送模块电路如图4所示。

单片机通过P7.0口发出串行数据,当发送低电平时光耦TLP521-4截止,定时器芯片NE555的THR端为高电平,定时器正常工作产生载波,通过红外发射管将信号以波长为950 nm的红外光束发出[5];当发送高电平时TLP521-4导通,NE555的THR端电压被拉低至接近0 V,定时器停止工作,红外发射管不工作。该电路的输入端与输出端完全实现了电气隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,使用寿命长,传输效率高[6]。NE555产生的载波频率f=38 kHz,通过调节R1、R2、C1可改变f及其占空比q[7]:

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3.2 软件设计

从表1可以看出,红外遥控器传送的指令代码长度为17 bit,而单片机的内部存储空间是以8 bit为1个单元,上、下位机之间的通信协议也是以8 bit为单位传输的。如果发送17位代码,将会占用更多的单片机存储单元,通信时将占用更多的数据位。由于指令代码的结尾段均为00000,因此由上位机将17位代码的前16位发送至下位机,而最后1位“0”由下位机自行补发。红外信号发送模块程序流程如图5所示。

4 红外信号发送模块在传感器调校中的应用

将红外信号发送模块集成到现有传感器校验仪器上,以实现自动闭环校验。自动闭环校验流程:校验人员在上位机选择校验方式、传感器种类、传感器数量后,下位机通过P4、P5口自动打开对应气路,通入标准气体并由D/A输出流量控制信号;完成测试后,下位机通过P1口接收检测数据,同时将数据传送到上位机;上位机通过对比检测值与标准值来判断传感器的检测值是否准确。当检测值不准确、需要校正时,上位机自动下达校正指令(如传感器种类、检测值需校正还是报警点需校正、传感器检测值的偏差度等),下位机自动执行指令,通过红外信号发送模块控制传感器进行校正。自动闭环校验仪器结构如图6所示。

5 结语

将红外信号发送模块集成到矿用气体传感器校验仪上,实现了对多种传感器的自动闭环校验,解决了原有校验技术工作效率低、人为操作误差大、有毒有害气体环境危害调校人员生命安全等问题。

参考文献

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[2]国家安全生产监督管理总局.AQ6203—2006煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器[S].北京:煤炭工业出版社,2006:3-13.

[3]陈阳海.红外遥控工作原理编码方式及常用信号传输协议[J].电子制作,2007(11):6-9.

[4]胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社,2002.

[5]李志超,周华.基于单片机的红外遥控器的设计与应用[J].中州大学学报,2008(2):111-112.

[6]翟祥林,王景成.红外遥控在嵌入式系统中的实现[J].微型电脑应用,2010(5):24-26,73.

[7]肖景和,赵健.实用遥控电路[M].北京:人民邮电出版社,1999.

信号发送模块篇3

关键词：同步LED,现场可编程门阵列,数字视频接口实验,千兆以太网

0 引言

随着LED市场的不断发展, 作为高新技术产品的LED显示屏的需求量越来越大, 它以动态范围广、亮度高、寿命长、工作性能稳定等优势逐渐成为显示媒体中的佼佼者。LED显示屏控制系统主要分为同步与异步两种类型。当屏体与信号源同步时则称之为同步LED显示屏控制系统, 反之则称异步LED显示屏控制系统[2]。同步控制系统相比于异步控制系统更为复杂, 要求带宽大、信息处理能力强。因此高速实时的数据采集和传输成为同步LED显示屏控制系统中一个重要且关键的环节。

本研究详细介绍了基于FPGA同步LED全彩屏控制系统中高速实时数据采集与发送模块设计方案。

1 整体硬件结构设计及功能

1.1整体硬件结构概述

本设计支持1 024×768分辨率的视频数据传输, 实现800×600分辨率RGB全彩LED屏显示控制, 每种颜色256级灰度。支持实时动画、视频显示, 保证高亮度、不闪烁、画面流畅, 刷新率在60 fps以上。

整体硬件结构如图1所示, 信号源为PC机, PC机通过DVI接口与设计硬件相连, DVI解码电路对接收的DVI信号解析后, 将像素数据传送给FPGA处理单元, 进行缓冲, 然后按照LED屏的级联方式, 对数据整理, 并经过FPGA的转换处理送以太网发送器。整体硬件结构如图1所示。

1.2各功能模块介绍

根据不同的功能划分, 可以将上面的整体硬件结构分为两大模块:①数据采集模块, 对PC机的DVI口的T.M.D.S信号采集, 然后解码恢复24位并行数字像素数据, 传给FPGA进行处理;②数据发送模块, 基于FPGA根据千兆以太网协议将像素数据进行帧处理, 然后送给物理层芯片将数据进行物理层编码, 通过以太网连接器发送数据。

2 基于DVI接口数据采集模块

2.1DVI接口简介

DVI全称Digitial Visual Interface, 是由DDWG (Digital Display Working Group, 数字显示工作组) 发明并推广的。它的基础是Silicon Image 公司的PanalLink 接口技术, Panalink接口技术采用的是T.M.D.S. (Transition Minimized Differential Signaling, 最小化传输差分信号) 作为基本电气连接。T.M.D.S.运用先进的编码算法把8 bit数据 (R、G、B中的每路基色信号) 通过最小转换编码为10 bit数据 (包括行场同步信息、时钟信息、数据DE、纠错等) , 经过DC平衡后, 采用差分信号传输数据。DVI接口协议支持单链路T.M.D.S.和双链路T.M.D.S.两种方式。单链路的传输速率可达4.9 Gbps, 双链路可达9.9 Gbps[3,4]。

2.2DVI解码电路设计

2.2.1 DVI解码电路框图

DVI口编码后输出的是差分信号, 利用解码芯片恢复视频数据QE[23..0], 其中24位并行像素数据分为RED[7..0], GREEN[7..0], BLUE[7..0], 行同步信号HSYNC, 场同步信号VSYNC, 数据使能信号DE和像素时钟OCLK, 输出给FPGA控制芯片使用。图中RX2-和RX2+表示红色数据的差分信号, RX1-和RX1+表示绿色数据的差分信号, RXC-和RXC+表示时钟的差分信号[5]。

2.2.2 DVI解码芯片

目前市场上使用最多是的是TI公司和Silicon Image公司提供的DVI接口收发芯片。TI提供相对更加丰富且使用更方便的接收芯片, 例如, TPFP101、TFP401等系列芯片无需用户设置高速差分信号的匹配电阻[3]。本研究采用TFP401A, 它采用先进的0.18 μm CMOS处理工艺, 使用1.8 V核心电压和3.3 V的I/O电压, 具有低噪声和低功耗特性, 其PowerPAD封装技术可以保证芯片工作的热稳定性, 单链路可支持165 MHz时钟频率[6]。该芯片能支持到UXGA (1 600×1 200) 分辨率的视频源信号, 本设计视频源分辨率为1 024×768, 因此选用TFP401A满足设计要求。

2.2.3 DDC接口设计

DVI接口支持即插即用功能, 要求接收设备符合VESA的DDC2B或更高版本的通讯协议, DDC2B构建在I2C总线上, 通过DDC (显示数据通道) 通道来传递显示设备的EDID (扩展显示标识数据) , 从而实现PC机对显示设备的识别和正确配置。EDID内部包含了显示设备的EDID版本信息、色度系数, 以及可支持的分辨率、场频、行频等参数[7]。不同的显示设备EDID信息配置不同, 本设计中EDID信息配置是针对分辨率为800×600的LED全彩显示屏。

本研究中EDID数据存放在DVI解码电路的AM24LC02芯片中, 该芯片为2 KB (256×8) , I2C总线、CMOS工艺的串行EEPROM存储器。电源VCC的范围为 2.7 V～5.5 V, 可以通过把 WP引脚接电源来对整个存储器写保护, 此时, 存储器的内容不可更改。将DVI接口插座的第16脚 (热插拔检测端) 通过1 kW上拉电阻和第14脚 (+5 V电源端) 相连, 构成显示设备的HPD (热插拔检测) 信号。AM24LC02芯片的时钟线 (SCL) 、数据线 (SDA) 和DVI接口插座的第6、7脚相接, 当系统上电时, AM24LC02 在时钟 SCL 的同步控制下通过 DDC 通道向PC机传送 EDID数据。只有当PC机识别和正确配置后, T.D.M.S链路才会被激活。

3 基于千兆以太网接口像素数据发送模块

本研究实现800×600分辨率RGB全彩显示控制, 每种颜色灰度值为8 bit, LED屏幕刷新率至少每秒60次, 那么数据传输速率为:800×600×60×8×3=691.2 Mbit/s。本设计采用千兆以太网技术实现高速、可靠的数据传输。

3.1千兆以太网发送模块设计整体概述

介质访问控制 (Media Access Control, MAC) 是以太网设计的核心部分, 位于OSI模型中的数据链路层, 主要实现帧发送、帧接收、MAC控制以及千兆介质网关接口管理等4大功能。另外PCS和PMA分别代表物理层的物理编码子层和物理介质接入层[8]。本研究发送模块通过使用Altera提供三态以太网MAC控制IP核, 可将IP核配置为所需模式并进行IP核参数设置, 将IP核设置为千兆以太网MAC模块, 实现吉比特以太网链路, 物理层由以太网物理层 (PHY) 层提供。MAC模块与PHY器件通过GMII (Gigabit Media Independent Interface, 千兆媒质无关接口) 接口连接, 设计方框图如图3所示。

3.2三态以太网MAC控制IP核配置

在CycloneII系列的FPGA中, Altera提供了可参数化的千兆以太网megacore解决方案[7]。可配置MAC模块以及可选择的物理层PCS模块和PMA模块, 其中MAC模块支持10/100/1 000 Mbps。对以太网IP核对配置主要包括如下几个部分[9]:

(1) Core Configuration:核配置选项, 配置以太网功能模块, 是否包含PCS模块、FIFO模块, 配置接口类型、端口数等;

(2) MAC Options:MAC配置选项, 配置MAC模块功能;

(3) FIFO Options:FIFO存储器选项, 可设置FlFO存储器类型以及存储器数据长度;

(4) PCS/SGMII Options:物理介质接入层模块配置页面, 配置物理层。

3.3吉比特以太网物理层 (PHY) 器件

以太网PHY器件是物理接口收发器, 它实现物理层。吉比特以太网的物理层接口标准主要有4种:GMII、RGMII (Reduced GMII) 、TBI (Ten-Bit Interface) 和RTBI (Reduced TBI) 。GMII是标准的吉比特以太网接口, 它位于MAC层与物理层之间。本研究采用National DP83865作为PHY器件。且MAC核与PHY器件通过GMII接口连接, 如图4所示[10]。

4 测试结果

DVI接口采集芯片测试结果如图5～图7所示。

5 结束语

本研究采用Altera公司的cycloneII系列FPGA芯片, 通过DVI接口技术和千兆以太网技术实现同步LED显示屏的高速数据采集与实时发送。系统很多功能由FPGA实现, 外围器件少, 所以体积小、处理速度快、可靠性高。该采集发送系统可以应用到同步LED大屏幕显示器中, 满足其对实时的数字像素信息传输的要求。

参考文献

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[9]詹俊鹏, 李鹏.基于Altera FPGA的千兆以太网实现方案[J].电子设计工程, 2009 (2) :50-52.

信号发送模块篇4

类曼彻斯特码是一种利用自同步法保持位同步的线路码型, 它用上升沿来表示一个码元的开始, 然后连续两个时钟信号的高电平表示“1”, 对应编码数据“0100”, 反之连续两个时钟的低电平表示“0”, 对应编码数据“0111”。经类曼彻斯特编码后, 无论是数据“1”还是数据“0”, 在开始的时候都有一个上升沿, 包含了时钟信息, 正是具有这一特点, 类曼彻斯特编码发送功能的设计实现解决了串行数据传输的同步时钟问题。

1 硬件设计

在硬件设计时采用LVDS差分电路, LVDS是一种低摆幅的差分信号技术, 它使得信号能够在差分平衡电缆上以几百Mbps的速率传输, 其低压幅和低电流的驱动输出完全达到了低噪声和低功耗的要求。本设计中, FPGA传出的串行数据通过差分电路的转换, 形成差分形式的数据, 向外传输, 设计电路如图1所示。

该电路临近输出端串接了10Ω的电阻, 可以防止差分线对短路, 缺点在于420m V的驱动电压已接近数据手册中给出的Vod最大值454m V。同时设计中还需要考虑信号反射问题, 这种现象的产生会导致噪声类型的转变, 使其从原来的共模信号转变为差模信号, 从而降低数据传输的准确性。为了避免这一问题, 我们在设计中应做到在信号值不同时输出阻抗保持不变, 同时, 输出阻抗的下限只能稍小于传输线特性阻抗, 而它的上限必须略大于传输线的特性阻抗。

2 软件设计

类曼彻斯特编码可以分为三步进行。第一步, 检测编码周期是否开始并发送开始信号;第二步, 对十五位数据进行类曼彻斯特编码;第三步, 采用偶校验方式生成校验位, 完成编码周期。具体编程时可以分为数据定义、数据转换及校验和数据编码及发送三大模块。

2.1 编码过程

当时钟的上升沿到来时, 若复位信号有效则将数据位、校验位都清零, 否则count_state1加1。若count_state1为011则表示一个数据位传输的开始, 传1位数据, 传送完该数据共经历四个时钟周期, 在这四个时钟周期内count_state1共经历四个时钟周期的转换, 其状态转换流程如图2所示。

2.2 数据定义模块

数据定义模块完成对输入输出信号的定义, 具体程序为:

2.3 数据转换及校验模块

该模块采用状态机完成16位并行数据到串行数据的转换, 通过逐位异或运算来生成奇偶校验位, 具体程序为:

2.4 数据编码及发送模块

该模块对每一位数据进行编码并发送, 具体程序为:

3 测试和仿真

我们采用ISim进行波形仿真来测试编码模块功能的准确性, 以下给出了具体的ISim测试程序, 测试波形如图3所示。从图中可以看出, 当输入数据分别为0和5时, 对应波形输出与类曼彻斯特编码规则相符, 符合预期设计。

摘要：本文基于类曼彻斯特码, 采用VHDL编程, 设计和仿真了串行数据传输过程中编码发送模块的功能。类曼彻斯特码采用数据中嵌入时钟信号的设计思想, 是一种利用自同步法保持位同步的线路码型, 在高速串行通信过程中采用这种编码方式可以降低系统功耗, 同时具有很强的抗干扰能力。

参考文献

[1]刘江海.EDA技术[M].华中科技大学出版社, 2009.

[2]汉译西.EDA技术及其应用[M].北京航空航天大学出版社, 2011.