无线通道（精选4篇）
无线通道 篇1
随着计算机与信息技术的发展,计算机测量控制系统在越来越多的场合得到了广泛应用。针对实验室等对温度极其敏感的一些大型公共场合,为达到对其温度的良好控制,本文从实用的角度以MEGA16为核心设计了一套温度智能控制系统。本系统运行良好且经济可靠。温度采集与监控技术在日常生活、工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。利用单片机技术的温度监控系统以其体积小,可靠性高,利用单线数字温度传感器DS18B20做温度采集其精度非常高的优点而被广泛采用。本文对该监控系统进行了分析与设计。
应用DS18B20数字温度传感器进行多路(用三路来模拟)温度实时采集,精度小于0.1℃,用单片机将温度数据汇总。
采用LCD液晶显示温度值,精度要求为0.1,使读数更清晰、显示多样化、信息量大、易于为用户接受。
利用单片机控制无线传输模块nRF905,距离应大于150m,将单片机汇总的温度传输到接收端,在接收端尽量能够显示,易于两地观察。
用RS-232标准接口,数据传输速率为9 600 bit/s,与系统机进行通讯,以便用户进行二次开发。
1 多路温度采集与无线传输系统的总体方案设计
1.1 系统硬件的总体设计
本系统硬件主要分为温度采集模块、主控模块、无线传输模块、显示及控制模块(如图1所示)。
在温度采集端,温度传感器DS18B20实时感应环境温度,然后将采集的信号发送到单片机,经过运算处理换算成十进制数据,同时单片机控制液晶1602显示实时采集的温度,控制nRF905发送处理过的温度数据,同时可以经过键盘控制采集的温度数据及设置温度上下限,超出温度设置的上下限时则会报警。在数据接收端,nRF905将发送端发送过来的数据接收,最后,将需要的数据通过串口上传至PC机并作处理。这样就可以在显示屏上直接读出测量结果。控制电路的硬件设计以ATMEL公司的8位MEGA16单片机为控制核心。
1.2 系统软件的总体设计
本系统的软件编写是采用C语言嵌套汇编语言,它主要实现对温度信号的采集、处理、数据传输以及控制LCD显示和串口通信等。主程序流程及DS18B20操作流程如图2所示。
2 系统硬件电路的设计
2.1 主控制器
系统主控制器采用的是ATMEL公司生产的AT MEGA16单片机。AT MEGA16是高性能、低功耗的8位单片机,内部采用先进的RISC (精简指令集微处理器)结构,大多数指令执行时间为单个时钟周期,拥有32个8位通用工作寄存器、可擦写1万次的16 K字节的系统内可编程Flash和可擦写10万次512字节的EEPROM、2个8位定时器/计数器、1个16位定时器/计数器、具有独立振荡器的实时计数器RTC、四通道PWM、8路10位ADC、2个可编程的串行UART。支持多种工作模式,其电源电压范围为4.5～5.5 V,本系统选用5 V电源供电。
2.2 数字温度传感器
数字温度传感器采用的是DS18B20温度传感器。DS18B20可以采用2种方式供电:一种是采用电源供电方式,此时DS18B20的1脚接地,2脚作为信号线,3脚接电源;另一种是寄生电源供电方式。单片机端口接单线总线,为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流,可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大位10μs。采用寄生电源供电方式时VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线,因此发送接口必须是三态的。本系统采用第一种方式,寄生电源方式不再赘述。
2.3 无线收发模块
无线收发模块采用nRF905。nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块,曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成,无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便。nRF905在使用中,根据不同需要,其电路图不尽相同,本系统使用的模块电路天线部分使用的是环形天线,天线布在PCB板上,这可减小系统的体积。
2.4 LCD显示电路的设计
现在市面上流行的点阵式液晶显示器,它具有功耗低、接口方便、能显示图形和文字、读数清晰、价格便宜等特点。考虑到实用性和通用型的结合,本系统设计选用字符型液晶模块,它是一种用5×7或5×10点阵图形来显示字符的液晶显示器,根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等,最后选用的是2行16个字的1602液晶模块。
2.5 串口通信电路的设计
本系统利用单片机的UART进行串行通讯。串行通讯时要满足一定的条件,比如电脑的串口是RS232电平的,而单片机的串口是TTL电平的,两者之间必须有一个电平转换电路,本系统设计采用了专用芯片MAX232进行转换,虽然也可以用几个三极管进行模拟转换,但是还是用专用芯片更简单可靠。
3 性能分析
在经过系统的软、硬件的调试后,本系统能够实现预期的技术指标及性能,为通过多通道(3个以上)的温度采集把采集到的信号经由主控电路进行处理并传送给液晶屏及电脑,并进行键盘控制。当温度超出设定的温度范围时,系统将会自动报警。
本系统采用的硬件及硬件指标如下:MCU主控器,AT MEGA16,电源电压范围为4.5～5.5 V;温度传感器:DS18B20,电压范围为3.0～5.5 V,测温范围为-55～125℃,精度小于0.1℃;无线传输模组:射频电流消耗为11 mA,接收模式下为12.5 mA,工作电压范围为2.2～5.4V。
4 结论
“无线多通道监控系统的设计”是源于一个仓库监控温度的工程要求,系统在开发过程中注重先进、适用的原则,注重科技与应用结合,侧重于科研技术转化为生产力。系统的测量精度比较准确、测量范围广,它适用于需要实时多点温度测量以及不易大量布线的场合,解决了一些场合的布线困难。它完全可以替代热电偶、热电阻或PN结等传统的测温方式,可广泛地应用于水电站、大坝、粮仓、烤烟房等实时温度监测控制场合。本系统用三路温度采集来模拟多路温度采集,利用nRF905进行无线传输,对工程所要求功能已基本全部实现,只是由于时间仓促,在完善性上还有待提高。
摘要：温度是许多监控系统中的一个重要参数。随着传感器技术和无线传输技术的发展,使多路数据监控和无线传输可以通过计算机实现控制。该系统应用可组网数字温度传感器DS18820,利用器件内部唯一的序号,在单总线基础上实现多路温度的采集。以nRF905模块作为无线数据收/发器,来实现所采集温度数据的无线传输。nR.F905采用FSK调制解调技术,其抗干扰能力强,传输距离远。另外,系统以MEGA16单片机为控制核心,控制数据采集、收发和处理显示。同时利用RS-232标准接口与系统机进行通讯,便于用户二次开发。
关键词：路温度采集,无线传输,MEGA16单片机,nRF905芯片,DS18B20
参考文献
[1]刘爱琴.测温智能仪表中温度传感器的选择与使用[J].国外电子元器件,2002(9):64-66.
[2]陈兴酸,刘鸣.数字温度计DS18B20的特性及应用[J].国外电子元器件,2003(3):39-41.
[3]徐文进.智能温度传感器DS18b20在多路测温中的应用[J].现代电子技术,2004(22):3-7.
[4]赵红旗,王云景.DS18B20在16路测温系统中的应用[J].仪表技术,2006(1):69-71.
[5]赏星耀.射频芯片nRF905在无线测温系统中的应用[J].机电工程,2005,22(10):42-45.
多通道高精度无线温度记录仪设计 篇2
在精密电子厂环境温度监控、化工厂、实验室环境温度控制等高温环境中, 需要对环境温度的变化进行实时全方位的监测。而现有的温度记录仪都是直接和计算机进行连接并下载数据, 在使用过程中, 需要从应用环境中将主机拆卸下来, 这会导致工作中断, 破坏记录数据的连续性[1]。文本介绍一种多通道高精度的无线温度记录仪, 能达到对测试环境进行全面观测, 并能通过无线的方式与PC机进行通信, 无需进行线路拆卸, 保证观测的实时连续性。
1 系统主要结构
该温度记录仪具有9个无线频道号, 对应频率为778MHz-787MHz。可支持12通道的温度采集记录, 可在-55-125℃环境下自动采集并记录温度、时间, 测温准确度能达到为±0.5°, 分辨率是0.01°。其系统结构图如图1所示。12个测量点的温度由12个温度传感器进行采集, 之后送入采样保持器中, 由多路选择开关将12通道的信号依次的送入A/D转换器进行模数变化, 之后送入处理器中, 处理器与时钟模块进行通信, 获得当前温度对应的实时时间, 之后将采集到的温度信息和时间信息以特定的通信协议通过无线方式或者是USB的方式传输到PC的上位机软件[2], 可实时显示监测点的温度信息。
为能达到低功耗的性能要求, 芯片都选择具有低功耗或者是睡眠功能的元器件。温度传感器采用温度范围比较宽的高精度DS1626U[3]。A/D转换模块采用2个6路低功耗的Σ-Δ型模数转换器AD7794BRU[4]。CPU选择AT91SAM7S32-AU[5]。USB接口采用PL2303HX, 该芯片支持USB到串口的转换, 其的驱动程序非常丰富, 几乎支持所有的操作系统。无线模块采用低功耗低电压的AT86RF212[6]和0783FB15A0100构成一个779-787MHz专有的CWPAN频段。实时时钟选择DS3231SN, 用于保存每一测试点温度对应的测试时间, 存储器采用AT45DB321D-SU。
2 功能说明
本温度记录仪采用新颖的高精度数字电路设计, 具有简单易用的特点, 板上集成自动校准功能, 测试前无需人工执行校准。具有功能为:
(1) 具有开机自检功能, 记录仪每次开机时自动检测各模块是否正常, 当某些模块工作不正常时, 通过指示灯进行显示。例如当电池掉电造成时间丢失时, 开机后电源指示灯快闪橙色。
(2) 具有完善温度指示及保护功能, 当板内的温度超出安全范围时, 会自动关机, 防止高温状态下工作造成损坏。充电时也自动检测电池的温度, 只有在安全温度下才能进行电池充电。另外状态指示灯有丰富的温度指示功能, 状态指示灯为绿色表示板内温度正常;橙色表示板内温度应该比较高, 仍可记录数据;红色表示板内温度已经很高, 随时有停机的危险。
(3) 采用高速采样方式进行温度测量和记录, 使用数字重采样处理方式兼顾曲线的精细及快速读取优点, 当需要精细读取时, 可将速率设置为20点每秒, 当需要快速读取时, 可以将速率设置为1点每秒。
(4) 集成电池充电功能, 在电池电压不足时, 电源指示灯会自动报警。电池电量低时, 连接USB后可自动充电。
(5) 12通道支持无线功能, 可以实时显示记录仪在测试环境中测量的各路温度。9个无线信道可支持9个记录仪同时进行无线数据实时传输显示。无线接收器可以随意配置接收指定的信道, 同一台PC不限制无线接收器同时连接的个数。
3 PCB板设计
设计PCB的过程中, 严格遵循电磁兼容性和信号完整性的设计原则[7], 避免电磁辐射带来的干扰。图2为整个系统PCB设计结果, 结构为30×100mm, 左下角为原点, 坐标 (0, 0) ;右上角坐标为 (100, 30) 。
4 系统软件接口协议设计
系统采用USB口与PC机进行通信时, 串口速率为115200bps;采用无线方式进行通信时对应的频段为779-787MHz。涉及到的接口协议主要有:
(1) 串口识别接口协议。
PC软件可以轮询打开串口, 并向串口发送字符串“TSrn”共四个字节, 12通道温度检测装置会返回“TS12 OKrn”共9个字节, 无线适配返回“RF OKrn”。PC软件判断返回值即可知道该串口是否连接了温度检测装置, 以及温度检测装置的类型, 实现自动识别串口的功能。
(2) 时间设置时间协议。
命令形式为“Set Time:YYYYMMDD-hhmmssrn”。
Set Time:为设置命令字, YYYYMMDD表示年月日, hhmmss表示时分秒, 中间用-分隔。时间为24小时形式。温度检测装置的返回形式为“Set Time OKrn”或“Set Time ERRORrn”表示成功和失败。
(3) 读取指定时间的测试数据。
命令形式为“Read By Time:YYYYMMDD-hhmmssrn”。
Read By Time:为读取命令字, YYYYMMDD表示年月日, hhmmss表示时分秒, 中间用-分隔。时间为24小时形式。温度检测装置收到此命令后开始输出温度数据, 数据形式为:Data Time:YYYYMMDD-hhmmssrn。
数据说明:Data Time后面的时间表示本包数据的起始时间。在下一个Data Time之前的数据都是连续的, 每行为一组数据, 数据以Data:开始标示以回车换行结束。由于是12个通道, 每行含12个数据, 第一个数据表示第一个通道的值。数据的速率都是20次采样/秒的, PC可以根据要求进行平均抽取。每个数据用十进制表示, 单位为0.1度, 00100表示10.0度。“Endrn”表示数据结束。如果没有找到数据, 直接输出“Endrn”。
除了以上详细说明的接口协议外, 还有读取全部数据、读取当前的检测数据、读取板内温度、读取板内电池电压、强制充电、设置无线频道号、使能无线功能和关闭无线功能等协议。
5 总结
文本采用高精度的温度传感器和低功耗的无线模块, 设计一种具有高精度多通道的无线温度记录仪, 该仪器具有USB口和无线数据传输接口, 可随测试物一起移动。该无线温度记录采用微处理技术、数字传感器技术、存储技术、Zigbee协议和低功耗技术于一身, 使用微小的锂电池就可以长期工作达数月之久。该无线温度记录仪的最大特点在于:无需布线, 体积小, 重量轻, 安装方便, 适用性强, 非常适合对高温大面积实时监测温度变化的环境中。
参考文献
[1]ZHENG Zhenyu, JIN Fang, ZHANG Li.The ARM-based design of temperature acquisition system[J].The Journal of New Industrialization, 2012, 2 (7) :11-16.
[2]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.
[3]DS1626U.High-Precision 3-Wire Digital Thermometer and Thermostat Datasheet.http://www.dalsemi.com.
[4]AD7794BRU.6-Channel, Low Noise, Low Power, 24-/16-BitΣ-ΔADC with On-Chip In-Amp and Reference Datasheet.http://www.analog.com.
[5]AT91SAM7S32-AU-001.AT91ARMThumb-based Microcontrollers Datasheet.http://www.atmel.com.
[6]AT86RF212.Low Power 800/900 MHz Transceiver for IEEE 802.15.4-2006, ZigbeeTM, and ISM Applications Datasheet.http://www.atmel.com.
无线通道 篇3
软件无线电 (SoftwareDefinedRadio-SDR) 技术[1]把硬件系统作为无线电通信的基本平台, 通过运行各种不同的软件实现尽可能多的功能。它的核心思想是将ADC尽可能从基带移到中频甚至射频, 尽早以数字化接收到模拟信号;然后用实时高速的DSP和FPGA做ADC后的一系列处理, 通过软件定义无线电系统的各种功能。多通道接收就是将接收信号的频带分割成互不交叠的几个部分, 每部分对应一个接收通道。它解决了大带宽信号不能够用ADC直接采样的困难。本文结合软件无线电、多通道接收和中频数字接收技术, 通过理论推导和计算机仿真, 分析论证了可应用于太阳射电频谱日像仪 (CSRH) 的接收系统方案, 验证了基于FP-GA的CSRH中频多通道接收处理模块。
1 问题的提出
太阳射电天文学是天文学中的一个重要研究领域, 随着观测仪器和技术方法的日臻完善, 射电天文学从理论到实际应用都取得了一系列重大的成果。一些发达国家, 如法国、日本、美国、俄罗斯等相继建成了自己的太阳射电成像观测设备———太阳射电日像仪[2]。我国太阳射电观测经历了从单频到多频, 再到频谱的发展过程;但目前还没有研制出具有真正成像能力的频谱仪。太阳射电日像仪系统采用综合孔径成像技术[3], 其中, 信号接收机是重要组成部分。为实现对各个频段无线电波的观测, 它要求有数GHz的带宽。应用软件无线电技术的宽带数字接收机面临的问题是: (1) ADC采样的前移对ADC器件速度提出更高要求; (2) 对宽带信号的直接采样也要求ADC器件的高速度; (3) ADC采样后的较高的信号速率和数据量对后续FPGA、DSP数字信号处理器件的速度和硬件资源的要求。通过学习研究和仿真验证, 本文综合应用频域多通道接收、中频数字化正交解调和高效多相抽取滤波架构, 完成可应用于CSRH的信号接收机设计方案, 实现对400MHz—2GHz频带的信号接收。
2 相关原理分析
2.1 频域多通道接收架构
频域多通道接收[4]就是将整个宽带信号频带划分成若干个互不交叠的部分, 每个部分对应一个较窄的接收通道。每个通道的信号经过ADC变换以后, 在数字域进行正交解调, 并输出以进行下一步的压缩、成像处理。它可以解决大带宽信号不能用ADC直接采样的困难。图1所示为频域多通道接收机的基本结构。
从图1中可知, M个模拟带通滤波器将天线接收到的宽带信号划分成为互不交叠的M个子带;然后对M个子带分别用不同的射频本振进行下变频, 移到相同的中频部分;最后经过ADC变换为数字信号, 在中频实现正交解调。
2.2中频数字化正交解调架构
典型的超外差模拟接收机正交解调架构如图2所示:从天线接收到的微弱射频信号经带通滤波器和低噪声放大后, 与射频本振混频, 变换为中频信号, 再经过带通滤波和中频放大, 获取足够的增益后, 功率分配成两路信号, 分别与正交中频本振混频, 经过低通滤波后, 提取出基带同相分量和正交分量, 再经过A/D变换为数字信号, 进行数字基带处理。中频数字化正交解调架构如图3所示。
与模拟方法相比, 它将A/D转换器位置提前, 模拟中频信号经过带通滤波器后, 用A/D直接进行中频采样, 然后分两路与数控振荡器 (NCO) 产生的数字正交信号相乘, 得到的两路信号再分别经过各自低通滤波器单元和抽取单元, 输出结果是抽样速率降低了的基带数字信号I和Q。数字正交解调结构主要包括数字控制振荡器 (NCO) 、混频器、低通滤波器, 从其结构组成看, 变频功能由正交混频器完成, 滤波整形则通过抽取滤波器来完成。
由于在中频采取带通采样[5], 其采样频率和信号载频只需满足带通信号采样的条件, 有利于降低对ADC采样速率的要求;而且A/D中频采样后的本振、混频、低通滤波器均采用数字技术实现, 保证了I、Q通道在幅度一致性和相位正交性上的精度。因此, 该方法克服了模拟器件造成的产品的稳定性、可靠性较差的缺点。
2.3高效多相抽取滤波架构[6]
带通采样定理的应用大大降低了所需的采样速度, 为后面的实时处理奠定了基础。但是从提高系统分辨率要求来看, 带通采样的带宽应该越宽越好, 这样对不同的信号会有更好的适应性。要实现上述点就要提高采样频率。另外, 对一个频率很高的射频信号采样时, 如果抽取得太低, 对提高采样量化的信噪比是不利的, 所以在可能的情况下, 带通采样速率应该选得高一些, 使瞬时采样带宽尽可能地宽。然而随着采样速率的提高, 带来的另外一个问题就是采样后的数据流速率很高, 导致后续的信号处理速度跟不上, 使其数据吞吐率太高, 很难满足实时性需求, 所以要求对A/D后的数据流进行抽取降速处理。现假设任一线性时不变 (LTI) 滤波器h (n) 的Z变换为:
其等效结构如图4a所示。现将抽取环节提到滤波之前进行, 得到如图4b形式。这时数据经过滤波器的运算已经变到在低速率一侧进行, 降低了对硬件运行速度的要求, 提高了实时处理能力。
这种多相滤波结构的另一个好处是每一路分支滤波器系数由原来的N个减为N/M个, 可以简化滤波器设计, 提高分支滤波器的运算速度, 有效解决后续低速数字信号处理芯片与高速A/D数据率的矛盾。
设数字本振的中心频率为f0, 采样时钟为fs, 且初始的相位为0, 则数字本振信号为:s[n]=e-j2πf0n/fs, 若f0/fs=m/N, 其中m, N为正整数, 则s[n]=e-j2πmn/N。结合抽取滤波器的设计方案, 可以看到, 如果选择合适的f0 和fs使得N等于下抽取系数M, 就可以把数字本振信号周期的分配到各个多相之路去, 这样可以得到每个支路数字本振信号的关系:
① s[0]=s[N]=s[2N]=...
② s[1]=s[N+1]=s[2N+1]=...
此时, 混频相当于在各支路上分别乘以一个常数s[k]=e-j2πm (N-k) /N (k为各支路序号, k=0, 1, …, N-1) 。由于FIR滤波器具有线性时不变的特性, 可以把每个支路的数字本振信号放到滤波器之后再相乘, 得到如图5的改进的数字下变频高效架构:
经过分析, 可以看到这种高效架构有以下几个优点:①避免了复滤波, 从而减少了一半的滤波运算;②每个滤波器的滤波运算都是在较低数据速率下进行, 降低了对器件运算速率的要求;③混频乘法运算在低速率下进行;④通过选择合适f0和fs, 简化本振混频运算, 使其只需进行符号校正, 降低了运算的复杂度, 有利于硬件资源的合理配置和利用。
3应用方案分析和数字模块验证
设计可应用于太阳射电日像仪系统的数字接收模块包括40路并行的完全相同的接收机, 采用超外差接收机的方案, 接收带宽400 MHz—2 GHz, 利用频域多通道接收技术将其分为16个带宽100 MHz的信号。由于工作带宽达到几个倍频程, 采用一次混频难以滤掉镜像干扰, 因此采用二次变频方案。方案框图如图6所示。
二次变频方案让不同频段的信号和第一跳频本振信号混频, 使输出为同一中频;再通过固定频率的第二本振信号变频到50—150 MHz, 使输出给A/D的信号频率始终为50—150 MHz。数字子模块中, 来自模拟接收机的中频信号经信号调理后接入A/D, 中频信号的带宽为100 MHz, 采用8 bit采样精度、最高采样频率大于等于400 MHz的ADC芯片完成中频信号的模数转换。采样时钟设计为400 MHz, 由于每次采样后数字信号仍具有100 MHz 的带宽, 设计从100 MHz的带宽中抽取不同中心频率的4个5 MHz带宽的窄带作进一步的分析。这一方面是频谱日像仪科学目标的要求, 即尽可能实现单频观测;另一方面也是作信号相关处理的需要, 因为窄带信号具有更好的 (时间) 相关性。数字滤波器采用的是有限冲击相应 (FIR) 滤波算法, 这种算法保证了在处理过程中信号具有线性相位, 这对保持信号的相关性是十分必要的。
单路信号处理模块的流程如图7所示。
FIR数字带通滤波器采用FPGA内部资源实现, 由于高阶数FIR滤波器需要非常多的乘法器, 而即使是非常高性能的FPGA, 其片内集成的乘法器数量是非常有限的。目前高性能的FPGA, 其片内集成的乘法器数量只有640个[7,8], 而从图中我们可以看出, 如果采用图所示的并行处理方法, 一个通道的数据采集模块就需要12个滤波器同时工作, 如果滤波器均采用64阶, 乘法器就需要768个。因此在进行滤波器设计中要综合考虑运算的实时性、乘法器资源及滤波器性能之间的平衡。
通过带通滤波器后所得到的各路高频窄带信号, 需要再通过一个正交混频器变换到统一的低中频上, 得到I、Q正交信号。混频器后面的低通滤波器的作用是滤除混频后所产生的高频成份。得到的两个正交分量可以实现后面的复相关计算。两个正交信号的带宽仍为5 MHZ。
根据以上的参数, 设定输入为线性调制信号, 载频为100 MHz, 带宽为100 MHz。在Matlab、Xilinx ISE、ModelSim环境下进行验证, 得到如图8-图10的仿真、验证波形。
如图所示, FIR带通滤波器阶数为32阶, FIR低通滤波器阶数为48阶, 滤波器使用窗函数设计法。选用Xilinx公司Virtex-5系列XC5VSX95T高性能FPGA芯片, 它支持550MHz运行速度, 集成了640个DSP48E Slices处理模块。设计中, 采用了高效的多相抽取滤波结构, 简化了混频部分的运算, 最终的资源使用情况如表1。
4结论
太阳射电日像仪系统信号接收机设计方案综合应用软件无线电、频域多通道接收等原理思想, 使用高效正交解调滤波架构, 采取中频数字化处理, 准确可靠地完成接收观测信号的任务并做出相应的一系列处理。数字接收子系统应用高效多相抽取滤波结构, 合理配置硬件资源, 实时处理性强, 运行速度快, 达到了设计要求。
摘要：针对宽带信号数字接收要求采样速度快、消耗资源多、难以实时处理的问题, 利用频域多通道接收、中频数字化采样技术, 论证了可应用于太阳射电日像仪的接收系统实现方案。引入一种高效的多相抽取滤波数字下变频方法, 给出了基于FPGA的并行多路信号接收处理实现方案, 仿真实验表明该中频数字接收模块设计方案具有好的可实现性。
关键词：太阳射电日像仪,高效数字下变频,正交解调,频域多通道,FPGA
参考文献
[1]杨小牛, 楼才义, 徐建良.软件无线电原理与应用.北京:电子工业出版社, 2001
[2]Yan Yihua, Zhang Jian, Chen Zhijun, et al.On chinese solar radiohe-liograph in centermetric to decimetric wave range.2006; (3) :23—29
[3]张澄波.综合孔径雷达原理、系统分析与应用.北京:科学出版社, 1989
[4]常文革.UWB SAR系统设计与实现.长沙:国防科技大学博士学位论文, 2001
[5]宗孔德.多抽样率信号处理.北京:清华大学出版社, 1996
[6]Tsui J B Y, Stephens Sr J P.Digital microwave receiver technology microwave theory and techniques.IEEE Transaction, 2002; (2) :699—705
[7]Xilinx Virtex-5.Data Sheet San Jose.CA.USA Xilinx Inc.2007
无线通道 篇4
1系统总体设计
地震波反射法的原理是基于巷道前方地质体纵横波速差异,通过三分量检波器测量地震反射波信号,即可分析出巷道前方地质体情况。新型地震波超前观测系统主要由5个部分组成: 无线数据处理主机、无线AP路由中继器、无线数据采集终端、三分量气压孔式传感器和同步器。其工作过程如下: 首先发爆器激发震源,同步器发送同步采集信号,然后无线数据采集终端开始采集存储三分量气压式传感器接收到的地震波信号,采集完成后通过无线网络发送至无线AP路由中继器,最后通过无线AP路由中继器将数据发送至无线数据处理主机,完成资料处理工作,并将结果通过现场网络接口上传。
1.1功能要求
新型地震观测系统要实现以下几个技术功能: 分布式高精度数据采集存储; 高精度三分量气压孔式传感器接收地震波信号; 采集终端自组网,无线数据发送接收; 数据采集器测量精度在微伏级; 体积小、功耗低; 能够与现场网络无缝对接,并通过软接口上传至瓦斯预警分析软件中,为瓦斯预警提供决策依据。
1.2系统组成
新型地震波观测系统方案如图1所示。无线数据处理主机由本安电源和CPU终端组成,对无线数据AP路由器传输过来的数据进行处理分析; 无线数据AP路由器由本安电源和无线AP中继模块组成, 对各采集终端发来的无线信号进行中继; 采集终端由本安电源、WIFI模块、MCU接口、FPGA采集控制、信号调理及AD组成,实现对三分量气压孔式传感器的信号调理、采集及数据传输; 三分量气压式传感器由打气筒、卡条、传感器及其外壳组成,完成对地震波信号的检测; 同步器由本安电源和同步采集触发模块组成,对发爆器信号进行整形并为采集终端提供采样同步触发信号。系统能够实现多通道地震波信号同步采集、无线实时传输、在线资料分析处理,提高了数据传输速度,结构紧凑,与现有网络无缝接入,能为瓦斯预警提供支持。
2主要功能模块设计
在新型地震观测系统中,无线数据处理主机和无线数据AP中继器着重于本安电源的设计和结构设计; 而同步器模块、采集终端模块及传感器模块是系统的核心部分,下面着重对上述3部分及本安电源设计进行论述。
2. 1同步器模块
同步器模块主要检测发爆器脉冲信号,并产生同步触发信号给采集终端模块,同时反馈给无线数据处理主机状态信号,提供相关的指示灯信号,如图2所示。该电路通过X4端口检测发爆器的脉冲,通过X1端口给出同步触发电平至采集终端,并将状态信号发送给无线数据处理主机,X2端口控制触发方式为闭合触发,X3端口控制 触发方式 为断开触发。
2.2采集终端模块
采集终端模块主要功能是实现传感器信号调理、采集、无线数据传输和触发信号中继。其关键在于对地震波信号的高精度采集,保证采集数据的精度、噪声、幅度及相位的一致性; 级联触发信号通过每一级采集终端中继放大后给下一个,实现多个采集终端的同步触发采集。
信号调理对传感器信号进行滤波放大处理,保证后级得到噪声小、线性度好、失真度小的信号。
AD芯片的精度在很大程度上决定了仪器的精度,选用24位高精度模数转换 Δ-Σ 型ADS1252采样器,其由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成[3]。Δ-Σ 型A/D转换器采用过采样与数字滤波的技术,大大降低了模数转换的量化噪声, 从而实现24位超高分辨率、超宽动态范围、优良线性度、超低失真度的目的。
2.2.1信号调理电路
根据矿井现场应用条件,需要满足较大动态范围( -8g ~ +8g) 。如图3所示,U1X_1、R1X_2构成恒流源电路,设定电流3. 95 m A,之后的阻容网络提供较宽频带内的带通滤波,缓冲放大增益设定为1倍, U1X_2仪表放大器提供固定的放大1倍。R1X _3、 R1X_5选用普通贴片电阻,C1X _1选用较精密的电容。
2.2.2AD采集电路
如图4所示电平转换及采样电路主要完成电平转换和AD采集,根据要求动态范围需达到-8g ~ +8g, 因此R1X_8阻值40 kΩ,R1X_9阻值20 kΩ,U1X_3完成信号电平转换比例为16 ∶ 5,加速度测量范围为 -8g ~ +8g。
2.3三分量气压孔式传感器
三分量气压孔式传感器是采用速度或加速度传感器的装置,选用瑞士奇石乐仪器公司生产的加速度、速度传感器测量装置。数据采集完成后,卸掉打气筒气压,传感器可以取出重复使用,大大节约成本,且轻便,易于携带。检波器整机质量不到0. 5 kg, 采用24 V直流电源供电,工作电流不到20 m A。
2.4矿用本质安全电源设计
新型地震观测装备属于矿用防爆电气设备,此类装备是按GB 3836. 1—2010标准生产的专供煤矿井下使用的防爆电气设备。
设计的电源电路内部和引出线无论在正常工作还是在故障状态下都是安全的,所产生的电火花能量不会点燃周围环境的爆炸性混合物。
在此,主要讨论对采集终端本安电源的设计,其他电源与其类似。采用镍氢电池供电,包含充电电路、开关稳压电路、线性稳压电路、减流型保护电路, 电源管理模块、截流型保护电路,其电气原理框架图如图5所示。电源设计完成后,还进行了电源本身的性能测试、环境温度测试,并通过国家矿用设备检测检验中心防爆站的防爆性能测试,达到了相关要求。
3系统测试
3.1系统幅度、相位一致性测试
根据《矿用弹性波超前探测仪通用技术条件》规定,通频带内,各道振幅一致性指标应在 - 1% ~ +1% 内,相位一致性指标应在 - 1° ~ + 1° 内; 相关测试方法按MT 470—1996第6. 1. 1条规定方法进行。 将200 Hz,幅度为1 V的信号发生器输出信号接入调理板输入端,设置采样点数为4 096个、采样时间间隔为0. 062 5 ms,采集信号,记录各通道幅值和初始过零点,从而得出幅度、相位一致性,如图6所示。
通过计算得出,幅度一致性:
相位一致性:
经过测试和国家矿用设备检测检验中心的检验,系统的幅度和相位一致性满足标准要求。
3.2系统静噪测试
根据中煤科工集团重庆研究院有限公司企业标准Q/MKC 766—2011第4. 5. 2条要求噪声水平不大于1 m V,采用相关测试方法将信号调理板输入端接地,设置采样点数为4 096个、采样时间间隔为0. 062 5 ms,采集信号,得到了较稳定的噪声信号。 通过计算,各通道噪声峰峰值不大于30 μV。
经过测试和国家矿用设备检测检验中心的检验,系统的噪声水平满足标准要求。
3.3系统现场试验
新型矿井多通道地震观测系统在甘肃靖远煤电股份有限公司大水头煤矿西部采区进行了现场工业性试验,主要工作内容为: 查明该区域落差大于2 m的断层及其他地质构造; 将探明的断层走向误差控制在5 m内,断距误差控制在2 m内。
现场观测布置情况如图7所示,炮孔位置在离掘进工作面的远端,接收孔24个 。 将采集终端和三分量气压孔式传感器放入接收孔中,无线数据处理主机位于掘进工作面附近 。
无线接收到如图8所示的数据,通过拾取初至波,去噪,反Q滤波,波场切除,偏移成像处理[4,5], 提取了地震波反射面,如图9所示。
根据具体地质情况对处理剖面进行解释和推断,其中一个114 m左右,另一个172 m左右的断层,通过后期揭露的资料对比表明超前探测情况与打钻情况验证一致,如图10所示。
4结语