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1、精选优质文档-倾情为你奉上微芯杯电子设计报告超声数据传输系统队员名单：注：主办方胡乱出题，没有验证可行性。但是经 过不懈努力，基本上实现了 30 米的超声波通信专心-专注-专业【摘 要】本系统作品基于超声波发射头 T40 和超声波接收头 R40，利用超声波 实现了数字信号的近距离传输。发射部分利用数字电路 555 产生 40k 标准的矩形 波用作载波，并采用了升压中周，以提高发射功率，从而提高数据传输距离。接 收部分经过前级放大，滤波，自动增益控制，后级放大，包络检波，迟滞比较等 模块，实现了数据的准确提取。MCU 采用 ARM 系列单片机 F103zet6，通过单片机 的处理，实现数据的自动
2、发送和显示。具有方便直观的人机界面。系统数据传输 误码率低，具有一定的使用价值。【关键词】超声波 自动增益控制 包络检波 stm32【Abstract】This system base on T40 and R40 which one is an ultrasonictransmitter and the other is an ultrasonic receiver. And we use the ultrasonic to achieve that digital signal can be transmission in a close range. For the radiating
3、portion, we use IC 555 to produce the carrier signal whose frequency is 40K. At the same time, transformer is used to promote the energy which the radiating portion used. For the receiver, there are six parts in total. A preamplifier ，a filter ,an AGC model, a post-amplifier, a envelope detector, an
4、d a hysteresis comparator are all included in this system. Working with the MCU ARM F103zet6, the receiver can receive and send messages with a low bit error rate. It has practical applicability to some extent.【keyword】ultrasonic AGC envelope detector F103zet6目录一 方案论证及比较31.1 调制方式的选取31.2 载波信号的产生31.3
5、前端放大器的设计41.4 AGC 电路的设计5二 系统方案设计与参数计算72.2.1 载波信号电路72.2.2 滤波电路设计83.1 测试方法简介93.2 基础部分测试数据93.3 发挥部分测试数据9四 测试结果及分析10五 小结10一、方案论证与比较1.1 调制方式的选择 系统要实现数字信号的发送，由于信道中干扰较大，所以必须将数字信号通过一定的方式叠加到模拟信号上，从而在信道中更好的传输。【方案一】采用 PSK 调制方法，利用模拟开关，使高低电平数字信号控制模 拟开关在两个相位差为 180 度的载波信号之间选择。信号解调时采用相干解调的 方式提取出原数字信号，在进行进一步的处理。【方案二】
6、采用 FSK 调制方法。FSK 调制方式的实现也可以采用模拟开关， 在两个不同的频率点之间选择，高低电平对应的载波频率不同。在接收端可用滤 波器来解调，调制和解调均比较方便。【方案三】采用 ASK 调制方法。ASK 调制过程实现简单，通过数字信号与载 波信号相乘即可以实现。【方案选择】由于我们采用的是超声波传输信号，超声波相对光速来说非常慢，环境中的多径效应对波形的相位影响较大，故不适宜采用 PSK 调制方法。而 对于 FSK，由于超声波发射器 T40 是采用共振模式工作的，对于非 40K 的载波信 号不能引起它的共振，故而不能发出。而对于 ASK 调制方式，在高电平时有 40K 的载波信号发
7、出，低电平时没有信号发出。系统容易实现，且包络检波即可解调， 电路简单。综合上述，故选择方案三。1.2 载波信号的产生 系统要实现数字信号的发送，必然需要调制，载波信号的产生就是必然的了。【方案一】采用运放 NE5532 与基本的电阻电容构成方波发生电路。该电路如 下：电路的优点是结构简单，频率稳定，占空比可调。【方案二】采用数字电路 555 构成基本的振荡电路，电路如下：【方案选择】采用运放搭建方波振荡电路结构简单。但是需要调制电路，才 能实现信号的调制，但是如果用数字电路 555，通过他的使能端 RST 即可实现调 制，电路简单可靠。综上，故选择方案二。1.3 前级放大器设计由于 R40
8、接收到的信号为 uV 级别的小信号，所以前端放大电路就显得十分必 要。【方案一】采用 OP07 构成前级放大器，OP07 具有极低的输入噪声，和极低 的偏置电压，适宜于小信号的放大。【方案二】采用 ne5532 构成的三运放仪表放大电路，电路具有较高的输入阻 抗和较高的共模抑制比，具有极其优异的性能。【方案三】采用运放 OP37 构成的正相放大器作为前级放大的电路，电路结构 简单。【方案选择】OP07 虽然具有极低的噪声和极低的偏置电压，但是他的转换速 率比较低，只适宜直流信号和低频信号的放大。由 NE5532 构成的仪表放大器电 路虽然性能较高，但是电路颇为复杂。OP37 也是低噪声运放，其
9、偏置偏压可以 通过引脚调节，同时它具有较高的转换速率，完全能胜任本系统的放大任务，且 电路结构简单。综上,故选择方案三。1.4 AGC 电路的选取 为了消除不同距离接收到的信号强度不同，从而影响解调的问题，故在接收部分设计了 AGC 电路。【方案一】采用 AD603 构成的宽范围 AGC 电路来实现自动增益控制，电路如 下图所示：【方案二】采用 VCA810 构成得 AGC 电路。如下：【方案选择】方案一的 AGC 电路性能良好，但是结构复杂。方案二由 VCA810 加 上少量的外围器件构成性能良好的 AGC 电路，完全能满足本系统的要求。 综上：故选择方案二。1.5 编码方式的选择【方案一】
10、奇偶校验编码 采用就校验编码，当每一个字节中有奇数个位的数据出错是，能够有效检测出，从而舍弃数据，重新接收。可以在一定程度上减少误码。【方案二】海明码编码 海明码是一种纠错码，采用海明码进行编码，可以对数据进行纠错，提高数据准确性，但是增加了编码长度，对传播速度和传播效率有所降低。【方案三】只发送数据，不进行任何编码。 在不出现误码的情况下，这种方法效率最高。【方案选择】 经过实际传播实验，发现，当信道能够传播数据时，收到的数据基本上保持零误码。当信道出现误码的时候，误码率极大，检错码和纠错码均无多大作用， 当不采用任何校验进行编码，传输效率高，而且，只要信道合适，不会出现误码， 因此，选择方
11、案三。二、系统方案设计及参数计算2.1 系统总体方案2.2 硬件电路设计2.2.1 载波信号产生电路如图所示，为 40KHz 方波振荡电路的设计图. f=1.443/(R2+2*R1)*c)T1=0.693*(R1+R2)*C T2=0.693*R1*C若占空比为 50%，则 R1R2;令 R2=500，C1=3200pF，解得 R1=5.4K，实际上 R1 采用滑动变阻器进行微调。2.2.2 滤波电路如图电路采用了二阶 sallen-key 高通滤波器，滤除电路中的低频噪声，电 路图如下：截止频率 f=1/(2*sqrt（R1R2C1C2）)； 所以令 C1=C2=1.5nF，解得 R1=3
12、K； R2=4K。2.2.3 包络检波电路设计包络检波在接收电路中起着极其重要的作用，它是将电路的接收信号转换为 我们原数字信号的关键。电路图如下：载波信号的周期为 1/(40K)=0.025mS，假设电路以 1Kbps 的速率发送数字信 号，那么每个 bit 的周期为 1mS。设定电容量为 10nF，设定放电时间常数为 0.1mS. 计算可得，电阻 R1=10K。2.3 软件流程设计2.3.1 发射端设计流程2.3.1 接收端设计流程三、测试方法及数据3.1 测试方法简介 测试时，发射端利用单片机发射任意字母或者数字，在接收端接收信号并显示在 HB12864 上，方便观察。通过比较发射部分和
13、接收部分的差异，从而计算出 误码率等参数。整机功耗的测定则是采用输入电压乘以输入电流的方式来测定。 3.2 基础部分测量数据发射距离 10m节点电压显示是节点温度显示是编辑短信长度30发射时间1S误码率0发射部分功耗0.6w接收部分功耗0.7w3.3 发挥部分测量数据显示发射节点地址01传送字符数Asdfghjkl传送时间小于 1s误码率0传送距离30 米发送部分整机功耗0.6w接收部分整机功耗0.7w4.测试结果及分析 通过以上数据测量以及数据处理。我们可以得出如下结论：1. 本系统较好的完成了基础部分和发挥部分要求的各项指标， 但是通信距离受环境的影响较大，在外界干扰较小的情况下，通信距离可以达到 30 米以上。5.小结经过一个月不懈的努力制作调试。本系统较好的完成了要求的各项指标，收 获很多，非常感谢芯空科协对此次活动的举办。六、参考文献微弱信号检测高晋占，清华大学出版社（第二版）德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南黄争，德州仪器半导体技 术（上海）有限公司大学计划部模拟电路分析与设计基础吴援明 唐 军，科学出版社