使用89C51和89C2051單片機設計數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的詳細資料說明

　　該數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)以89C51及89C2051為核心，由數(shù)據(jù)采集模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、模擬信道、測試碼發(fā)生器、噪聲模擬器、結果顯示模塊等構成。在本方案中僅使用通用元器件就較好的實現(xiàn)了題目要求的各項指標。其中調(diào)制解調(diào)模塊、噪聲模擬器分別采用單片機和可編程邏輯器件實現(xiàn)。本數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)既可對8路數(shù)據(jù)進行輪檢，也可設置為對一路數(shù)據(jù)單獨監(jiān)控。本系統(tǒng)硬件設計應用了EDA工具，軟件設計采用了模塊化的編程方法。傳輸碼元速率為16kHz～48kHz的二進制數(shù)據(jù)流。另外，還使用了 “1”：“01”、“0”：“10”的Manchester編碼方法使數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)位減少，從而提高傳輸速率。

　　一、方案設計與論證

　　首先，我們分析一下信道與信噪比情況。本題中碼元傳輸速率為16k波特，而信號被限定在30k～50kHz的范圍內(nèi)，屬于典型的窄帶高速率數(shù)字通信。而信噪比情況相對較好。這是因為信號帶寬僅為20kHz，而噪聲近似為0～43kHz（）的窄帶白噪聲，這樣即使在信號和噪聲幅度比值為1：1的情況下，帶內(nèi)的噪聲功率仍然比較小，所以系統(tǒng)具有較高的信噪比。

　　方案一：

　　常用的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)有：ASK、FSK、PSK等。其中FSK具有較強的抗干擾能力，但其要求的的帶寬最寬，頻帶利用率最低，所以首先排除。ASK理論上雖然可行，但在本題目中，由于一個碼元內(nèi)只包括約兩個周期的載波，所以采用包絡檢波法難以解調(diào)，也不可行。另外，對于本題目，還可以考慮采用基帶編碼的方法進行傳輸，如HDB3碼，但這種編碼方法其抗干擾能力較差，因此也不太適合。

　　方案二：

　　PSK調(diào)制方式具有較強的抗干擾能力，同時其調(diào)制帶寬相對也比較窄，因此我們考慮采用這種調(diào)制方式。為了簡化系統(tǒng)，在實際實現(xiàn)時，我們采用了方波作為載波的PSK調(diào)制方式。當要求的數(shù)據(jù)傳輸速率較低（≤24kbps）時，對原始數(shù)據(jù)處理的方法如下：

　　“1”用“1010”（0相位兩個周期的方波）表示；

　　“0”用“0101”（π相位兩個周期的方波）表示。

　　上述調(diào)制方法能傳輸?shù)淖畲蟠a元速率為24kbps，當要求的數(shù)據(jù)傳輸速率大于24kbps時，對原始數(shù)據(jù)處理的方法如下：

　　“1”用“10”（0相位一個周期的方波）表示；

　　“0”用“01”（π相位一個周期的方波）表示。

　　同時我們?yōu)榱吮苊釶SK調(diào)制方式復雜的載波提取電路的設計，在具體設計時采用了異步傳輸和軟件解調(diào)相結合的解調(diào)方法，即：首先利用異步傳輸?shù)钠鹗嘉唬_定數(shù)據(jù)的初始相位，避免了PSK解調(diào)時相位的隨機性；然后利用簡單的軟件判決進行數(shù)據(jù)的解調(diào)。這樣做有以下優(yōu)點：

　　1、只使用兩個電平，有足夠的定位信息，直流漂移較小。

　　2、信號頻譜的主要部分在30k～50kHz的通帶范圍內(nèi)，利于傳輸。

　　3、實現(xiàn)方法簡單，避免了PSK解調(diào)時復雜的載波提取和位同步提取電路。

　　4、在數(shù)據(jù)速率較低時，系統(tǒng)具有一定的糾錯能力。例如當收到1110時可判為1（1010），當收到0111時可判為0（0101）。本系統(tǒng)通過軟件加入了自動糾錯，能糾正碼距為1的誤碼。

　　5、系統(tǒng)具有比較寬的數(shù)據(jù)傳輸范圍：16kbps～48kbps。雖然在高端和低端傳輸速率時，已調(diào)信號的帶寬已超出了信道的3dB帶寬的范圍，但由于已調(diào)信號的大部分能量仍然在信道的帶寬范圍之內(nèi)，而信道噪聲又比較小，所以對于正確解調(diào)影響不大。

　　在具體實現(xiàn)上采用單片機完成調(diào)制與解調(diào)，通信采用單片機間的串行通信來完成。這樣做的好處是：

　　1、采用單片機串口通信，便于同步，定位方便。

　　2、單片機本身對于串行信號具有多次抽判的功能。

　　3、單片機可對接收到的1010四位序列進行軟件判決，提高系統(tǒng)的抗噪性能。

　　4、系統(tǒng)可升級性好，可以根據(jù)需要，進行糾錯編碼。當信道條件改變時也能較快適應。

　　系統(tǒng)原理框圖如下