基于數字調頻編碼技術的便攜線序測試儀的設計（發(fā)送端部分

1、本科畢業(yè)設計論文課題名稱 基于數字調頻編碼技術的便攜線序測試儀的設計（發(fā)送端部分）學生姓名 學號 專業(yè)名稱 電子科學與技術 指導教師姓名 申請學位級別 工學學士 學位授予單位 河海大學 論文提交日期 2010年6月 計算機與信息學院（常州）河 海 大 學本科畢業(yè)設計（論文）任務書（理 工 科 類）、畢業(yè)設計（論文）題目： 機遇數字調頻編碼技術的便攜線序測試儀的設計（發(fā)送端部分） 、畢業(yè)設計（論文）工作內容（從綜合運用知識、研究方案的設計、研究方法和手段的運用、應用文獻資料、數據分析處理、圖紙質量、技術或觀點創(chuàng)新等方面詳細說明）： 在雷達檢測和維修中，電纜故障是經常遇見的故障之一。但由于電纜內部

2、包含導線數目較多且不可分，常常因沒有合適的測量儀器而使檢測和維修的難度加大，因此，急需一種能對電纜內部導線逐一定位和標識的測量儀器。 本課題要求學生具有：1. 具有數字通信的相關知識。 2. 熟練掌握Multisim等電路仿真工具，設計電路，并對電路性能進行仿真。 3. 熟練掌握protel等軟件，設計電路PCB。 4. 熟練掌握51單片機系統(tǒng)的軟件設計的方法 5. 給出論文英文摘要、專業(yè)英文資料翻譯。 通過本課題的研究，可以使學生了解實際系統(tǒng)的設計方法，有一定的難度。 、進度安排：（1）2009年11月2010年1月：查閱資料，英文翻譯 （2）2010年2月2010年3月：熟悉課題背景，進行

3、相關資料收集 （3）2010年3月2010年4月：提出設計方法，熟悉Multisim軟件仿真電路性能。 （4）2010年4月2010年5月：設計電路PCB,并調試 （5）2010年5月2010年6月：系統(tǒng)完善及準備撰寫論文、答辯 、主要參考資料：1 王力,張偉編著.Protel 99SE典型實例.人民郵電出版社. 2 李建忠編著.單片機原理及應用.西安電子科技大學出版社. 3 韓廣興等編著.常用儀表使用方法與應用實例.電子工業(yè)出版社 .4 美 Myke Predko 編著,田玉敏等譯.精通8051程序設計.人民郵電出版社. . 指導教師： ， 年 月 日學生姓名： ，專業(yè)年級：2006級電子科

4、學與技術 系負責人審核意見（從選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標、是否結合科研或工程實際、綜合訓練程度、內容難度及工作量等方面加以審核）： 系負責人簽字： ， 年 月 日摘 要隨著信息技術的迅猛發(fā)展，電纜在信息的傳輸過程中起到了非常重要的作用。但是電纜故障時有發(fā)生，并且由于電纜內部所包含的導線數目很多且不可分，而傳統(tǒng)的電纜檢測器件價格昂貴，操作繁瑣，這對于電纜的高效利用是一個很大的弊端，所以急需一種測量器件能夠對電纜內部的導線進行逐一的定位和標示。本文介紹了一種采用單片機和數字通信編碼技術相結合的新型便攜式測序儀的發(fā)射端設計。本系統(tǒng)功能齊全，能夠進行遠距離的測試，并且本系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

5、同時操作起來簡單方便，易于攜帶，具有一定的使用價值，可以替代普通的測序儀。本系統(tǒng)利用單片機（C8051F410）按照一定的規(guī)則對傳輸的數據信息進行編碼，得到數字編碼信號以后再利用調制器進行調制，最后發(fā)送給接收端交由接收端進行后續(xù)的處理。本文共由六章組成，第一章、第二章主要論述系統(tǒng)設計的背景和理論基礎，討論了系統(tǒng)構成的大體框架。第三章、第四章、第五章分別介紹了系統(tǒng)總體以及各個模塊的設計方案。第六章介紹了整個實驗的過程以及系統(tǒng)的價值和意義，并且對系統(tǒng)的功能拓展進行了展望?！娟P鍵詞】 測序儀 單片機 數字信號編碼AbstractWith the rapid development of inform

6、ation technology, cable plays a very important role in the course of information transmission. However, it may break down from time to time and the number of the conducting wires in the interior part of the cable is very large and the conducting wires cant be divided. The traditional cable testing m

7、achine costs a lot and is hard to operate, which is a deficiency in using the cable efficiently. Therefore, a sort of testing machine which is able to locate and mark the conducting wires in the interior part of the cable is greatly needed. In this paper, the design of the transmitter of a new and p

8、ortable sequencer combined by the MCU and the digital communication encoding technology is introduced. This system functions well and is able to test in the distance, which also has a strong ability of resisting interference and is stable. It is easy to operate and carry and has a certain value of u

9、tilizing, which can replace the common sequencer.This system uses MCU (C8051F410) to encode the data transmitted according to certain rules. When the digital encoding signals are gained, it uses the modulator to modulate, and finally transmits to the receiver to do the next process.This paper is div

10、ided into five chapters. The first chapter mainly discuss the background of the system design, the theoretical bases and the general framework of the system. In chapter 2, 3 and 4, the designing plan for the whole system and each module is introduced. The fifth chapter introduces the whole experimen

11、tal process, the value and significance of the system and the future of the function of the system. 【Key words】sequencer MCU digital signal encoding 目 錄本科畢業(yè)設計（論文）任務書II摘 要IVAbstractV第一章 緒論1第一節(jié) 研究背景1第二節(jié) 國內外發(fā)展和研究狀況2一、RDL-5B/5C電纜故障檢測儀系統(tǒng)3二、FCL系列智能型電纜故障測試儀4第三節(jié) 本文主要研究內容和章節(jié)安排5第二章 系統(tǒng)的總體設計6第一節(jié) 載波信號的選擇6一、在通信系統(tǒng)

12、中載波信號的產生和作用6二、本課題載波信號選擇的方案6第二節(jié) 信號編碼技術的選擇8一、信號編碼技術的類型和作用8二、本課題信號編碼技術選擇的方案9第三節(jié) 系統(tǒng)的整體布局與安排10第三章 系統(tǒng)的硬件電路設計11第一節(jié) 穩(wěn)壓電源電路11一、直流穩(wěn)壓電源的特性和本系統(tǒng)的選擇方案11二、穩(wěn)壓芯片的選擇及其使用14第二節(jié) 單片機系統(tǒng)電路16一、單片機簡介17二、單片機系統(tǒng)電路19第三節(jié) 光耦電路20一、光耦的選擇20二、光耦的作用21第四節(jié) PCB板的設計22一、PCB的分類及本系統(tǒng)的選擇方案23二本系統(tǒng)PCB設計的具體操作方案24第四章 系統(tǒng)的軟件控制25第一節(jié) 載波信號產生的軟件控制25第二節(jié) 實現(xiàn)

13、信號編碼的軟件控制26第五章 實驗總結和展望28致 謝30參考文獻31附 錄32一、英文原文：32二、英文翻譯39三、工程設計圖紙：46第一章 緒論第一節(jié) 研究背景電纜通常是指由幾根或幾組導線絞合而成的類似繩索的線纜,每組導線之間相互絕緣,并且相互之間圍繞著一根中心扭成,整個外表面包有高度絕緣的覆蓋層。隨著國民經濟的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，電纜已經廣泛的應用于電力、通信等相關行業(yè)。在電力系統(tǒng)中采用的電線電纜主要有架空裸電、母線、電力電纜、分支電纜、電磁線及電力設備用電氣裝備電線電纜等。在信息傳輸系統(tǒng)中所采用的電線電纜主要有市話電纜、電視電纜、電子電纜、射頻電纜、光纖纜、數據電纜、電磁線、

14、電力通訊和其他復合電纜等。在機械設備、儀器儀表系統(tǒng)中主要采用電力電纜、電磁線、數據電纜、儀器儀表線纜等。但是電線、電纜的故障時有發(fā)生，常見的電纜線路故障主要有機械損傷、絕緣損傷、絕緣受潮、絕緣老化變質、過電壓、電纜過熱故障等。當線路發(fā)生上述故障時，應切斷故障電纜的電源，尋找故障點，對故障進行檢查及分析，然后進行相應的修理和試驗，該割除的割除，該更換的更換，待故障消除后，方可恢復使用。電纜故障產生的主要原因有：超負荷的運行，長期超負荷的運行，將使電纜的溫度升高，絕緣層老化，以致?lián)舸┙^緣，從而導致電線電纜故障的產生 由于電纜頭施工工藝沒有達到應有的要求,從而導致電纜頭密封性差,潮氣侵入電纜內部,電

15、纜絕緣性能下降從而導致電纜故障的產生;由于電纜的保護層長期受到外界的化學腐蝕或者電纜腐蝕,從而致使保護層失效，絕緣性能降低.，進而導致電纜故障的產生。由于地面下沉而使電纜垂直受力形變，導致電纜折斷從而造成電纜故障的產生。 無論是在生產還是在科學研究中，電纜故障都具有很大的危害作用，也可能會產生比較嚴重的危害，輕則導致停電停產，重則導致觸電造成很大的危害，后果十分嚴重。因此，定期對電纜進行故障測試，及早的發(fā)現(xiàn)電纜電線的運行隱患并且采取相應的措施是很有必要的。但是由于電纜內部包含導線數目較多并且不可分，常常因為沒有合適的的測量儀器而使檢測、維修的難度加大。因此設計一種測量儀器使它能夠對導線內部進行

16、逐一的定位和標識就很重要。目前國內市場上這類儀器價格十分昂貴，而且測試結果容易收到外界的環(huán)境干擾以及電纜長度的影響，從而嚴重影響到了測量的準確性。另外由于儀器本身設計的缺陷，使得它很難在功能上進行拓展，這又使測量的過程變得麻煩。為此，我們想利用了數字調頻編碼技術設計出一種功能相對比較齊全并且能夠進行遠距離的便攜式線性測序儀。通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)這種測序儀具有非常好的可靠性和穩(wěn)定性，以及良好的抗干擾能力。它操作簡單，攜帶方便，是電纜檢測和維修中比較實用的測量儀器。第二節(jié) 國內外發(fā)展和研究狀況隨著國內外高新技術的發(fā)展，越來越多的電纜故障測序儀得以開發(fā)并且得到了應用。目前市場上的這些測序儀功能相對齊全

17、，測試故障安全、迅速、準確。市場上的這些儀器通常采用低脈沖法和高壓閃絡法來進行探測，可測試電纜內的各種故障，尤其對電纜的閃絡及高阻故障可無需燒穿而直接進行測試。同時這些測序儀有著相對較高的測試精度，這些測序儀通常采用高速數據采樣技術，A/D采樣速度可以達到100MHz，同時還能使儀器的探測盲區(qū)接近1m。這些儀器的智能化程度也相對較高，測試結果可以以波形或者數據的形式自動顯示在大屏幕液晶顯示屏上，判斷故障直觀而有效。有的儀器甚至還配有全中文菜單顯示操作功能，無需對操作人員作專門的培訓便可以使用。在其他功能的延伸上，這些儀器通常還有如下這些功能具有波形及參數存儲，調出功能，儀器通常采用非易失性器件

18、，關機后波形、數據不容易丟失。具有雙蹤顯示功能，儀器可將故障電纜的測試波形與正常波形進行對比，有利于故障進一步判斷。具有波形擴展比例功能，這些儀器能夠改變波形比例，可擴展波形進行精確測試具有可以任意改變雙光標的位置的功能，這樣儀器就可以直接顯示故障點和測試的直接距離和相對距離。具有可以根據不同的被測電纜隨時修改傳播速度的功能。當然隨著微電子技術和集成電路技術的迅猛發(fā)展，這類儀器的體積變的越來越小，并且有擁有便攜式的外形，內裝可充電的電池供電，方便攜帶和使用。 一、RDL-5B/5C電纜故障檢測儀系統(tǒng)RDL-5B/5C型電纜故障檢測儀在前端信號處理上采用獨特的、專有的技術，使低壓脈沖測試波形和高

19、壓脈沖測試波形均有著明顯的特征、清晰的直觀，更加容易判斷。同時此產品在技術上還采用了信號預觸發(fā)技術，保證高壓脈沖測試時一次放電即可獲得波形，并且可以直接判斷故障點是否已經被擊穿。RDL-5B/5C型電纜故障檢測儀可快速測試各種電壓等級電力電纜、同軸電纜、路燈電纜的各類故障（開路、短路、高阻閃絡、高阻泄漏等）。儀器根據雷達測距的原理，向電纜發(fā)射一個低壓脈沖或高壓脈沖，當遇到特性阻抗不匹配的地方時，就會產生反射波，儀器以極高的速度將發(fā)射波和反射波采集下來并顯示在屏幕上，根據電波在電纜中的傳播速度，可測出故障點到測試點的距離。從而直觀而又簡單的查找出故障點。測試原理示意圖如圖1.1所示：S：故障點距

20、測試點的距離V：電波在電纜中的傳播速度。T：電波的傳播時間圖1.1測試原理示意S=VT/2 這樣，在V和T已經測出的情況下，就可計算出S，即故障點距測試點的距離，這一切只需要稍加人工干預就可由計算機自動完成，測試電纜故障迅速準確。下圖圖1.2所示的就是RDL-5B/5C電纜故障檢測儀系統(tǒng)的成品圖：圖1.2 RDL-5B/5C電纜故障檢測儀系統(tǒng)的成品圖二、FCL系列智能型電纜故障測試儀1.儀器的精確定位原理定位原理是：高壓脈沖信號在電纜故障點處放電必然會產生聲波和電磁波兩種物理現(xiàn)象，而這兩種波在大氣中的傳播速度是不一樣的，且相差很大，該智能型定點儀正是利用了這一點，大大地提高了傳統(tǒng)定點儀僅靠聽聲

21、音大小來判斷故障點的定點效率，它同時高靈敏接收聲波及電磁波，并超高倍數放大，噪聲處理，自動測算兩種波的時間差，并換算成距離直接數顯，當探頭沿電纜路徑在地面移動時，操作者能直觀看到距故障點距離的變化以及方向，非常直觀，大大提高了故障定位效率。2.儀器的主要功能特點 ：擁有虛擬儀器界面，所有操作均可以由鼠標完成，有著良好的人機界面，領導著電纜檢測儀器的新潮流。使用者可從相應的服務中心下載儀器升級軟件，更加易于操作。 全套標配儀器采用一包(筆記本電腦)、一箱(高級鋁合金箱)式結構，在國際、國內市場中所占的體積最小、便攜性最好。真正的一機多功能配置。使用者只要進入虛擬的儀器界面，就無需任何附加的操作，

22、系統(tǒng)會自動采樣，雙波形顯示，顯示 簡單而又直觀。 系統(tǒng)還擁有先進的自動同屏雙波形比較功能，這一功能能夠實現(xiàn)測試波形與壓縮波形的比較，測試波形與存儲波形的比較，測試波形與全長波形的同屏比較等功能，大大的提高了復雜波形的分析正確率。同時該內存比較大，可存儲、打印、上網，輕松滿足各種需求。此系統(tǒng)還擁有先進的無線感應式取樣傳感器，接線較為簡單，徹底保證人、機安全。 此外該系統(tǒng)還擁有自動日歷，內置使用說明書及疑難問題解答與處理，顯得完美、自如。下圖圖1.3就是FCL系列智能型電纜故障測試儀的成品圖：圖1.3 FCL系列智能型電纜故障測試儀的成品圖第三節(jié) 本文主要研究內容和章節(jié)安排本文的研究目的是設計出精

23、度高、成本低、攜帶方便，能夠滿足實際測量要求的線性測序儀的發(fā)送端。該系統(tǒng)能夠向電纜內部的不同導線發(fā)送不同的信號，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，經后續(xù)的接手端處理能夠正確的顯示和識別出來。因此本文重點介紹了線性測序儀系統(tǒng)發(fā)射端設計的硬件、軟件設計的原理、難點及其處理流程，同時還介紹了系統(tǒng)的總體結構方案和各部分的組成方案。本文各章內容具體安排如下：第一章緒論：主要介紹了本課題的背景、內容和意義。第二章系統(tǒng)的總體設計：首先介紹了系統(tǒng)的總體設計方案，接著對載波信號的選擇做了具體的介紹，并提出了適合本課題的載波信號。進而又對編碼技術的選擇做了具體的介紹，并提出了適合本課題的編碼技術。最后對整個系統(tǒng)的整體布局

24、和安排作了簡單的介紹。第三章系統(tǒng)的硬件電路設計：硬件電路主要由三個部分組成即電源部分，單片機系統(tǒng)和光耦部分。由于電源部分是整個系統(tǒng)中必不可少的組成部分，本章節(jié)首先介紹了它的組成結構和功能，因為只有掌握了電源的結構，使之產生穩(wěn)定的電壓才能實現(xiàn)后面模塊的功能。同時還講解了單片機系統(tǒng)的組成結構及其功能。本章最后分析了光耦模塊的作用。第四章系統(tǒng)的軟件控制：本章重點介紹了載波信號產生的軟件控制和信號編碼的軟件控制。第五章：實驗過程和展望：本章對整個實驗過程進行了介紹并且對未來這項技術的發(fā)展作了展望。第二章 系統(tǒng)的總體設計第一節(jié) 載波信號的選擇載波是指被調制以傳輸信號的波形，一般為正弦波或者方波。當然在通

25、信系統(tǒng)中對載波的頻率有一定的要求：一般要求正弦載波的頻率遠遠高于調制信號的帶寬，否則會發(fā)生混疊，使得傳輸信號失真。我們也可以換一種思維這么理解，我們一般需要發(fā)送的數據的頻率是低頻的，如果按照系統(tǒng)本身的數據的頻率來傳輸，將不利于接收和同步。如果我們使用載波來進行傳輸，我們可以將數據的信號加載到載波的信號上，接受方按照載波的頻率來接收數據信號。而有意義的信號波的波幅與無意義的信號的波幅是不同的，將這些信號提取出來就是我們需要的數據信號。一、在通信系統(tǒng)中載波信號的產生和作用在通信系統(tǒng)中，載波可以將源信號調制到其他頻率上去，形成已調信號。這樣一方面能夠減小傳輸中的噪聲，另一方面又能夠進行頻分復用，即同

26、一信道之間傳輸多路信號而不發(fā)生混疊。同時這樣還有利于信號的遠距離傳播，有利于接收。常用的載波有正弦波、方波等。二、本課題載波信號選擇的方案對于普通的雙絞線來說，其有效的帶寬通常在幾十kHz到幾百kHz之間,但是我們從實際的信號產生質量和實現(xiàn)的難易程度上來看，幾kHz到幾十kHz信號的產生是相對比較容易的，也是比較理想的。所以本文所采取的方案是利用單片機直接產生5kHz到10kHz的方波分別作為數字信號0和數字信號1的載波。當然在數字通信中，我們還需要進一步考慮這個頻率信號是否可取。在信息論中，尤其是在通訊與信號處理學科中，有一個重要的定理叫作奈奎斯特采樣定理?？藙诘孪戕r與Harry Nyqui

27、st都對這個定理作出了重要的貢獻。采樣是將一個信號（即時間或空間上的連續(xù)函數）轉換成一個數值序列（即時間或空間上的離散函數）。采樣定理指出，如果信號是帶限的，并且采樣頻率高于信號帶寬的兩倍。那么，原來的連續(xù)信號可以從采樣樣本中完全重建出來。帶限信號變換的快慢受到它的最高頻率分量的限制，也就是說它的離散時刻采樣表現(xiàn)信號細節(jié)的能力是有限的。采樣定理是指，如果信號帶寬不到采樣頻率的一半（即奈奎斯特頻率），那么此時這些離散的采樣點能夠完全表示原信號。高于或處于奈奎斯特頻率的頻率分量會導致混疊現(xiàn)象。大多數應用都要求避免混疊，混疊問題的嚴重程度與這些混疊頻率分量的相對強度有關。從信號處理的角度來看，此采樣

28、定理描述了兩個過程：其一是采樣，這一過程將連續(xù)時間信號轉換為離散時間信號；其二是信號的重建，這一過程離散信號還原成連續(xù)信號。連續(xù)信號在時間（或空間）上以某種方式變化著，而采樣過程則是在時間（或空間）上，以T為單位間隔來測量連續(xù)信號的值。T稱為采樣間隔。在實際的應用中，如果信號是時間的函數，通常他們的采樣間隔都很小，一般在毫秒、微秒的量級。采樣過程產生一系列的數字，稱為樣本。樣本代表了原來的信號。每一個樣本都對應著測量這一樣本的特定時間點，而采樣間隔的倒數，1/T即為采樣頻率，fs，其單位為樣本/秒，即赫茲(hertz)。信號的重建是對樣本進行插值的過程，即，從離散的樣本xn中，用數學的方法確定

29、連續(xù)信號x(t)。從采樣定理中，我們可以得出以下結論：如果已知信號的最高頻率fH，采樣定理給出了保證完全重建信號的最低采樣頻率。這一最低采樣頻率稱為臨界頻率或奈奎斯特采樣率，通常表示為fN。相反，如果已知采樣頻率，采樣定理給出了保證完全重建信號所允許的最高信號頻率。以上兩種情況都說明，被采樣的信號必須是帶限的，即信號中高于某一給定值的頻率成分必須是零，或至少非常接近于零，這樣在重建信號中這些頻率成分的影響可忽略不計。在第一種情況下，被采樣信號的頻率成分已知，比如聲音信號，由人類發(fā)出的聲音信號中，頻率超過5 kHz的成分通常非常小，因此以10 kHz的頻率來采樣這樣的音頻信號就足夠了。在第二種情

30、況下，我們得假設信號中頻率高于采樣頻率一半的頻率成分可忽略不計。這通常是用一個低通濾波器來實現(xiàn)的。由于一般情況下，普通雙絞線的帶寬為50kHz左右，則其信道容量即可承受的最大信號率為100kb/s.本文所選的載波信號為方波，頻率分別為5kHz和10kHz，即數據率分別為10kHz和20kHz，這是在信道的容量內的。所以本文選擇這樣的波作為載波是完全符合實際運用條件的。第二節(jié) 信號編碼技術的選擇通常由于各種原因， 數字信號在傳輸過程中，傳送的數據流中會產生誤碼現(xiàn)象，從而會使接收端產生的圖像會發(fā)生跳躍、不連續(xù)等不良現(xiàn)象。所以通過信道編碼這一環(huán)節(jié)，可以對數碼流進行相應的處理，從而使得系統(tǒng)具有一定的糾

31、錯能力和抗干擾能力，可以極大的避免碼流傳送中誤碼現(xiàn)象的發(fā)生，進而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定高效的運行。提高數據傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務。信道編碼的本質是增加通信的可靠性。但信道編碼會使有用的信息數據傳輸減少，因為信道編碼的過程是在源數據碼流中加插一些碼元，從而達到在接收端進行判錯和糾錯的目的。一、信號編碼技術的類型和作用當然編碼在提高系統(tǒng)抗干擾能力的同時也有其不利的一面。在帶寬固定的信道中，總的傳送碼率也是固定的。但是由于信道編碼增加了數據量，其結果只能是以降低傳送的有用信息碼率作為代價的。不同的編碼方式，其編碼效率有所不同。本文主要介紹三種簡單的檢錯碼，這些編碼方法雖然簡單，但有一定的檢錯

32、功能，并且易于實現(xiàn)，在本系統(tǒng)中也有相應的應用。1.奇偶校驗碼奇偶監(jiān)督碼的編碼規(guī)則是將需要傳送的信息分組，在各二元信息碼元（也稱信息位）后 附加1位監(jiān)督碼元（也稱監(jiān)督元、檢驗位），再將各位信息碼元和1位監(jiān)督碼元用模2和相加。且選擇正確的監(jiān)督位，保證模2和的結果為0（偶校驗）或1（奇校驗）。因此奇偶校驗碼是分組碼(n,k)。在奇偶校驗碼的碼集，許多碼組（碼字）等于(n-1)位信息碼的組數，即個。它占碼長為n的個碼組中的一半，其余一半則為禁用碼組。由于碼集中所有許用碼組（碼字）均符合奇偶校驗的條件，故又稱這種編碼方式為一致監(jiān)督編碼。例如信息碼為10110(k=5)，若利用奇數校驗方式，則因信息碼中已

33、有3個“1”，它是奇數，所以監(jiān)督位應取0，此時構成的奇數校驗碼為，反之偶數校驗碼應為。由于奇偶校驗碼只有一位監(jiān)督位，因此譯碼器只能將各個接收字分為“無差錯”與“有差錯”兩類。我們不難計算出單個碼字的各種誤碼概率。通過計算我們發(fā)現(xiàn)奇偶監(jiān)督編碼具有較高的編碼效率，它等于1，且隨n的增加而趨于1。2.重復碼重復碼通過重發(fā)每個信息碼元來提高檢錯能力的編碼方法，重復碼也可以看作是(n,1)分組碼。例如信息碼元分別為0或1，可分別重復重復一次，即為00或11，這樣就構成雙重復碼(2,1)。=4個碼組構成的碼集中，01、10為禁用碼組，00、11是許用碼組，雙重復碼可以發(fā)現(xiàn)一位錯誤。若采用兩次重發(fā)，即用00

34、0代替0，用111代替1，構成三重復碼，則具有更高的抗干擾能力，能夠檢出兩位錯誤，或者可以自動糾正一位錯誤。隨著n的增加，重復碼集中只有兩個碼長為n的許用碼組，余下的均為禁用碼組。但是在其檢糾錯能力增強的同時，其編碼效率將有所降低。3.群計數碼鑒于奇偶校驗碼是對每個碼中1碼的個數進行奇偶監(jiān)督，所以其檢錯能力有限。如果能夠對碼字中1碼的數量進行監(jiān)督，那么檢錯能力顯然就會加強。群計數碼在編碼時首先計算信息碼字中1碼的個數，然后用二進制數代表這個數目作為監(jiān)督位附在信息位后面。例如要傳送的信息碼是11101，那么，監(jiān)督位應該是 100(十進制是4)，編出的群計數碼為。顯然，這種碼除了能發(fā)現(xiàn)所有奇數個錯

35、碼外，還能發(fā)現(xiàn)一些偶數個錯碼。在信息位里，除了0變1和1變0成對的出現(xiàn)外，所有其他形成的錯碼都會使信息位里1碼的數目與監(jiān)督位二進制數字不符，所以這類碼的檢錯能力還是很強的。二、本課題信號編碼技術選擇的方案本文在充分考慮了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性以及軟硬件控制的難易程度等諸多因素以后，決定采用串行通信的編碼方式進行編碼。按串行通信的編碼方式就是在每幀編碼信號中有1-2bit的起始位，5-8bit的數據位，1-2bit的校驗位，1、1.5、2bit的結束位，下表1就是一種采用奇校驗碼規(guī)則的編碼和發(fā)射源的對應關系。在此編碼中，采用了2bit的數據起始位“11”,4bit數據“0000”-“0111”,1b

36、it的校驗位，2bit結束位“01”。這種編碼方式具有較強的擴展能力。當電路擴展時，部分程序僅需改變數據位即可。下表表2.1就是發(fā)射源與編碼的對應關系：表2.1 發(fā)射源與編碼的對應關系 編碼發(fā)射源起始位數據位 奇校驗位 結束位 11 0000 0 01 0 11 0001 1 01 1 11 0010 0 01 2 11 0111 1 01 7第三節(jié) 系統(tǒng)的整體布局與安排根據系統(tǒng)的功能要求，整個系統(tǒng)硬件部分分為三個部分，即穩(wěn)壓電源部分、單片機系統(tǒng)部分、光耦部分。這三個模塊的具體設計方案將在本文的后面章節(jié)作相應的介紹。 第三章 系統(tǒng)的硬件電路設計 圖3.1就是整個硬件電路的設計思想框圖：光耦及發(fā)

37、送電路模塊穩(wěn)壓電源電路模塊單片機系統(tǒng)控制模塊輔助的顯示電路圖3.1整個硬件電路的設計思想框圖第一節(jié) 穩(wěn)壓電源電路當今社會人們極大的享受著電子設備帶來的便利，但是任何電子設備都有一個共同的電路電源電路。對于所有的電子設備來說，一個高效、穩(wěn)定、可靠的電源是不可缺少的。在整個系統(tǒng)的設計中，我們往往首先要考慮穩(wěn)壓電源部分。采用不同的電源設計，對系統(tǒng)設計方案的選擇以及元器件的選擇都是不一樣的。本文根據系統(tǒng)功能的要求采用的是直流穩(wěn)壓電源。一、直流穩(wěn)壓電源的特性和本系統(tǒng)的選擇方案直流穩(wěn)壓電源的技術指標可以分為兩大類：其中一類是特性指標，反映直流穩(wěn)壓電源的固有特性，比如說輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電壓

38、調節(jié)范圍等指標；另一類是質量指標，反映直流穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、輸出電阻（等效內阻）、紋波電壓及溫度系數等。 1、特性指標 (1)輸出電壓范圍 該指標是指符合直流穩(wěn)壓電源工作條件情況下，能夠正常工作的輸出電壓范圍。該指標的上限是由最大輸入電壓和最小輸入輸出電壓差所規(guī)定，而其下限由直流穩(wěn)壓電源內部的基準電壓值決定。 (2)最大輸入輸出電壓差 該指標表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所允許的最大輸入輸出之間的電壓差值，其值主要取決于直流穩(wěn)壓電源內部調整晶體管的耐壓指標。 (3)最小輸入輸出電壓差 該指標表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。 (4)輸出負

39、載電流范圍 輸出負載電流范圍又稱為輸出電流范圍，在這一電流范圍內，直流穩(wěn)壓電源應能保證符合指標規(guī)范所給出的指標。 2、質量指標 (1)電壓調整率SV 電壓調整率是表征直流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓性能的優(yōu)劣的重要指標，又稱為穩(wěn)壓系數或穩(wěn)定系數，它表征當輸入電壓VI變化時直流穩(wěn)壓電源輸出電壓VO穩(wěn)定的程度，通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓的相對變化的百分比表示。(2)電流調整率SI 電流調整率是反映直流穩(wěn)壓電源負載能力的一項主要自指標，又稱為電流穩(wěn)定系數。它表征當輸入電壓不變時，直流穩(wěn)壓電源對由于負載電流（輸出電流）變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力，在規(guī)定的負載電流變化的條件下，通常以單位輸出電壓下的

40、輸出電壓變化值的百分比來表示直流穩(wěn)壓電源的電流調整率。(3)紋波抑制比SR 紋波抑制比反映了直流穩(wěn)壓電源對輸入端引入的市電電壓的抑制能力，當直流穩(wěn)壓電源輸入和輸出條件保持不變時，紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰峰值與輸出紋波電壓峰峰值之比表示，一般用分貝數表示，但是有時也可以用百分數表示，或直接用兩者的比值表示。 (4)溫度穩(wěn)定性K 集成直流穩(wěn)壓電源的溫度穩(wěn)定性是以在所規(guī)定的直流穩(wěn)壓電源工作溫度Ti最大變化范圍內（TminTiTmax）直流穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化的百分比值。3、極限指標 (1)最大輸入電壓 即保證直流穩(wěn)壓電源安全工作的最大輸入電壓。 (2)最大輸出電流 即保證穩(wěn)壓器安全工作所允

41、許的最大輸出電流。 對于穩(wěn)壓電源的特性指標了解過后我們就要有針對性的選擇直流穩(wěn)壓電源了。4.直流穩(wěn)壓電源分類與特點直流穩(wěn)壓電源又可分為：線性穩(wěn)壓電源和開關型穩(wěn)壓電源等。它們的特點分別如下。(1)線性穩(wěn)定電源線性穩(wěn)定電源有一個共同的特點就是它的功率器件調整管工作在線性區(qū)，靠調整管之間的電壓降來穩(wěn)定輸出。由于調整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在工頻（50Hz)上,所以重量較大。 該類電源優(yōu)點是穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路，輸出連續(xù)可調的成品。缺點是體積大、較笨重、效率相對較低。這類穩(wěn)定電源又有很多種，從輸出性質可分為穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源及集穩(wěn)壓、穩(wěn)流于一

42、身的穩(wěn)壓穩(wěn)流（雙穩(wěn)）電源。從輸出值來看可分定點輸出電源、波段開關調整式和電位器連續(xù)可調式幾種。從輸出指示上可分指針指示型和數字顯示式型等等。(2)開關型直流穩(wěn)壓電源 與線性穩(wěn)壓電源不同的一類穩(wěn)電源就是開關型直流穩(wěn)壓電源，它的電路型式主要有單端反激式，單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性電源的根本區(qū)別在于它變壓器不工作在工頻而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲。功能管不是工作在飽和及截止區(qū)即開關狀態(tài)；開關電源因此而得名。 開關電源的優(yōu)點是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠；缺點相對于線性電源來說紋波較大（一般1%VO(P-P),好的可做到十幾mV(P-P)或更小)。鑒于線性穩(wěn)壓電源具有穩(wěn)定性高，紋波小，

43、可靠性高，易做成多路等優(yōu)點，我們認為線性穩(wěn)壓電源對于本系統(tǒng)是完全適用的。電源模塊硬件部分的原理圖如下圖圖3.2所示：圖3.2電源模塊硬件部分的原理圖為了實際使用的方便，我們在開關sw1后面加了一個發(fā)光二極管，當開關閉合的時候，發(fā)光二極管會工作，我們也可以從中得知電路接通了。穩(wěn)壓芯片兩側的兩個電容分別起到了濾波的作用，后面接的兩個電阻則分別起到了分壓的作用。為了驗證電源的性能，本人經過多次反復實驗，確保了其工作的可靠性。二、穩(wěn)壓芯片的選擇及其使用提到線性直流穩(wěn)壓電路，我們首先會考慮三端集成穩(wěn)壓芯片。三端集成穩(wěn)壓芯片內部集成了一個穩(wěn)壓電路、引入了電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓、同時采用多種措施提高性能比如

44、可以提高穩(wěn)壓的系數、內含過壓、過流保護等。三端穩(wěn)壓芯片按照其電壓是否可調可以分為兩種，一種是輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器，另一種輸出電壓是可調的，稱為可調輸出三端穩(wěn)壓器，其基本原理相同的。在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。三端穩(wěn)壓器的通用產品有78系列（正電源）和79系列（負電源），輸出電壓由具體型號中的后面兩個數字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等檔次。輸出電流以78（或79）后面加字母來區(qū)分L表示0.1；AM表示0.5A，無字母表示1.5A，如78L05表求5V

45、 0.1A。在使用這些芯片時要注意：(VI)和(Vo)之間的關系，以7805為例，該三端穩(wěn)壓器的固定輸出電壓是5V，而輸入電壓至少大于7V，這樣輸入/輸出之間有23V及以上的壓差。使調整管保證工作在放大區(qū)。但壓差取得大時，又會增加集成塊的功耗，所以，兩者應兼顧，即既保證在最大負載電流時調整管不進入飽和，又不至于功耗偏大。下圖圖3.3就是三端穩(wěn)壓器7805：圖3.3三端穩(wěn)壓器7805本文根據系統(tǒng)實際功能的需要選擇使用lm1117芯片作為穩(wěn)壓芯片。 LM1117是一個低壓差電壓調節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負載電流為800mA時為1.2V。它與國家半導體的工業(yè)標準器件LM317有相同的管腳排列

46、。LM1117有可調電壓的版本，通過2個外部電阻可實現(xiàn)1.2513.8V輸出電壓范圍。另外還有5個固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號。 LM1117提供電流限制和熱保護。電路包含1個齊納調節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在1%以內。LM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封裝。輸出端需要一個至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。其特性如下所示：提供1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V和可調電壓的型號 節(jié)省空間的SOT-223和LLP封裝 電流限制和熱保護功能 輸出電流可達800mA 線

47、性調整率：0.2% (Max) 負載調整率：0.4% (Max)最后根據本系統(tǒng)設計的實際需要采用上述穩(wěn)壓芯片，經過多次實驗和測試，發(fā)現(xiàn)它能夠完全勝任系統(tǒng)的工作要求。下圖所示的圖3.4，圖3.5就是LM1117芯片的實物圖和功能圖： 圖3.4 LM1117-3.3芯片實物圖 圖3.5 LM1117-3.3芯片功能圖 第二節(jié) 單片機系統(tǒng)電路單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內存、內部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)

48、甚至可以將聲音、圖像、網絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。在本系統(tǒng)中主要是要利用單片機系統(tǒng)完成載波信號的產生和編碼。一、單片機簡介C8051F系列單片機具有上手快(全兼容8051指令集)、研發(fā)快(開發(fā)工具易用，可縮短研發(fā)周期)和

49、見效快(調試手段靈活)等優(yōu)點，其性能優(yōu)勢具體體現(xiàn)在以下方面： 它是基于增強的CIP-51內核，其指令集與MCS-51完全兼容，具有標準8051的組織架構，可以使用標準的803x/805x匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51采用流水線結構，70%的指令執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，是標準8051指令執(zhí)行速度的12倍；其峰值執(zhí)行速度可達100MIPS(C8051F120等)，是目前世界上速度最快的8位單片機。 增加了中斷源。標準的8051只有7個中斷源而C8051F系列單片機擴展了中斷處理，這對于時實多任務系統(tǒng)的處理是很重要的。擴展的中斷系統(tǒng)可以向CIP-51提供22個中斷源，能夠允許大量的模擬和數字外設中斷。一個中斷處理則需要較少的CPU干預，卻有更高的執(zhí)行效率。 集成了豐富的模擬資源，絕大部分的C8051F系列單片機都集成了單個或兩個ADC，在片內模擬開關的作用下可實現(xiàn)對多路模擬信號的采集轉換；片內ADC的采樣精度最高可達24bit，采樣速率最高可達500ksps，部分型號還集成了單個或兩個獨立的高分辨率DAC，可滿足絕大多數混合信號系統(tǒng)的應用并實現(xiàn)與模擬電子系統(tǒng)的無縫接口；片內溫度傳感器則可以迅速而精確的監(jiān)測環(huán)境溫度并通過程序做出相應處理，提高了系統(tǒng)運行的可