基于DPSK多載波調(diào)制技術(shù)的電氣測(cè)溫技術(shù)的研究

，，，，

(1.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076；3.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210095)

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各類電氣設(shè)備發(fā)展迅速，如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備各個(gè)工作室溫度已經(jīng)成為市場(chǎng)廣泛關(guān)注的問(wèn)題。尤其是電氣設(shè)備在復(fù)雜工作環(huán)境下，工作室較多，空間狹小，工作環(huán)境惡劣，合適的總線系統(tǒng)成為解決此類問(wèn)題的優(yōu)先選項(xiàng)[1]。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的總線系統(tǒng)以RS485和CAN總線為主，各類產(chǎn)品有其相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，功能尚待優(yōu)化。主要表現(xiàn)為：RS485總線成本較高，總線利用率不高，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，容易產(chǎn)生“死鎖”現(xiàn)象，傳輸失敗率較大；CAN總線采用多主模塊形式，相比而言有很大優(yōu)化，不過(guò)仍舊存在不一致性，不可預(yù)測(cè)性以及信道阻礙等問(wèn)題[2]。此類的總線產(chǎn)品開放性差，不同總線的產(chǎn)品缺乏互操作性和互換性。并且當(dāng)系統(tǒng)中從節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多時(shí)，布線工程巨大且成本較高，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性造成影響[3]。

二總線是近些年出現(xiàn)的一種新型總線形式，它將供電線與信號(hào)線合二為一，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)和供電共用一個(gè)總線，無(wú)需再布設(shè)電源線，并且抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工布線更容易，通訊距離可以達(dá)到3 000 m[4]。而且從站節(jié)點(diǎn)可以無(wú)極性接入，因此在消防，儀表、傳感器、工業(yè)控制等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。二總線雖然具備諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于受制于串行數(shù)據(jù)收發(fā)的限制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸效率低下，嚴(yán)重制約了它的進(jìn)一步推廣[5]。

本文針對(duì)以上問(wèn)題，提出了一種適用于電氣設(shè)備溫度檢測(cè)，基于DPSK多載波調(diào)制的并行二總線系統(tǒng)。借助于二總線架構(gòu)，通過(guò)載波的方式將原有二總線串行通信方式改為并行傳輸，希望能有效提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸速率，并且提高測(cè)試實(shí)時(shí)性[6]。

1 總線系統(tǒng)簡(jiǎn)述

1.1 二總線結(jié)構(gòu)

總線測(cè)溫系統(tǒng)以測(cè)溫傳感器為基礎(chǔ)，采用主從式結(jié)構(gòu)，以1臺(tái)微控計(jì)算機(jī)為主機(jī)，各測(cè)試節(jié)點(diǎn)為從機(jī)，以二總線為通訊方式，測(cè)溫傳感器模塊作為測(cè)溫節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集電力設(shè)備各個(gè)位置的溫度數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)信息傳輸給主機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示統(tǒng)計(jì)。

溫度數(shù)據(jù)由掛在二總線上的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)測(cè)量，經(jīng)過(guò)調(diào)制后通過(guò)總線進(jìn)行傳輸，在微控計(jì)算機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行解調(diào)與存儲(chǔ)。總線系統(tǒng)可帶載256個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，根據(jù)不同的電力系統(tǒng)測(cè)試要求設(shè)計(jì)不同的測(cè)溫傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 二總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 并行二總線原理

目前，二總線普遍采用串行數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)是在二總線上按位依次輸出，如圖2所示，由于受到輸出方式的限制，目前最高輸出速率為9 600 bit/s。在該測(cè)溫系統(tǒng)中，256個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)單個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的采樣率不低于50 Hz，單個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)有效位不低于10位。因此總線實(shí)際碼速率不低于204 800 bit/s，目前二總線串行數(shù)據(jù)最高波特率僅能做到9 600 bit/s，顯然無(wú)法滿足多節(jié)點(diǎn)高速采樣的數(shù)據(jù)通信要求。

圖2 串行傳輸

本文針對(duì)本系統(tǒng)內(nèi)相對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送量大，通信節(jié)點(diǎn)多，傳送距離比較長(zhǎng)，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，提出了一種并行二總線方案，將數(shù)據(jù)位分別調(diào)制在不同頻率的子載波上，多信道并行傳輸，不同載波疊加后可實(shí)現(xiàn)在多個(gè)子載波上并行數(shù)據(jù)傳輸，并且這些子載波通過(guò)頻分、相分等多路技術(shù)共享系統(tǒng)寬帶，如圖3所示。

圖3 并行傳輸原理

通過(guò)這種方法即可實(shí)現(xiàn)在二總線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行傳輸，有效提高數(shù)據(jù)傳輸速度。

1.3 總線系統(tǒng)框圖

主芯片選用SP485和SP3232EC，主機(jī)采用PB620為核心的調(diào)制解調(diào)模塊，通過(guò)二總線鏈接微控計(jì)算機(jī)和各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，各個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)模塊電路主要以PB331芯片和傳感器組成。硬件原理如圖4所示。

圖4 二總線系統(tǒng)硬件原理

2 DPSK載波調(diào)制與解調(diào)

比較常用的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式主要包括二進(jìn)制振幅鍵控、二進(jìn)制頻移鍵控、二進(jìn)制相移鍵控和二進(jìn)制差分相位鍵控，本文主要采用的是二進(jìn)制差分相位鍵控方式，也就是2DPSK[7-8]。

2.1 DPSK調(diào)制原理

DPSK是利用前后相鄰碼元的相對(duì)載波相位變化去表示基帶數(shù)字信息的一種調(diào)制解調(diào)方式，DPSK信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

根據(jù)載波上傳遞數(shù)據(jù)信息的不同進(jìn)行相應(yīng)的移相，對(duì)前后碼元進(jìn)行碼變換，從而得到有相位差的信號(hào)，如圖5所示。

圖5 DPSK調(diào)制原理

DPSK是利用前后碼元的的載波的相位變化來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)的，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行差分編碼，把絕對(duì)碼轉(zhuǎn)化為相對(duì)碼，用來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相。

DPSK的調(diào)制過(guò)程如圖6所示，DPSK的前后碼元相對(duì)相位差決定了所傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，即只要判定前后信號(hào)的相位差就可以讀出數(shù)字信號(hào)，這種特點(diǎn)可以有效預(yù)防倒π的現(xiàn)象，同時(shí)要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

圖6 DPSK調(diào)制過(guò)程

2.2 DPSK解調(diào)原理

DPSK的解調(diào)方式主要有相干解調(diào)方式和差分解調(diào)[9]。相干解調(diào)其解調(diào)是對(duì)DPSK信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，恢復(fù)出相對(duì)碼，再通過(guò)碼反變換器變換為絕對(duì)碼，從而恢復(fù)出發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)字信息，調(diào)制過(guò)程如圖7所示。碼變換器是用來(lái)完成絕對(duì)碼波形到相對(duì)碼波形變換的。在解調(diào)過(guò)程中，即使相干載波產(chǎn)生180°相位模糊，使得解調(diào)出的相對(duì)碼產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過(guò)碼反變換器后，輸出的絕對(duì)碼不會(huì)發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊度的問(wèn)題。

圖7 相干解調(diào)方式

差分解調(diào)是是利用延遲一個(gè)碼元周期的前一個(gè)時(shí)刻信號(hào)的延遲信號(hào)，與現(xiàn)時(shí)刻正在通過(guò)接收系統(tǒng)的同向信號(hào)和完成π/2相移的正交信號(hào)分別相乘，形成的2路信號(hào)再經(jīng)過(guò)濾波和采樣處理，進(jìn)一步對(duì)獲得的結(jié)果完成判決，最終得出所需數(shù)據(jù)，原理如圖8所示。

圖8 DPSK差分解調(diào)原理

設(shè)信號(hào)幅值為1，可以假設(shè)在某個(gè)間隔內(nèi)觀察中頻MPSK信號(hào)時(shí)，則MPSK信號(hào)可表示為

SMPSK=cos(2Πfct+φk+φ0)

(2)

fc為載波頻率；φ0為信號(hào)的初始相位；φk取值可取2個(gè)值。

從信號(hào)處理原理框圖可知，進(jìn)入處理系統(tǒng)的前一時(shí)刻的采樣信號(hào)Sk-1(t)=cos(2Πfct+φ0+φk-1)，通過(guò)延遲器后分別與下一時(shí)刻進(jìn)入系統(tǒng)的信號(hào)cos(2Πfct+φk+φ0)和完成π/2相移的正交信號(hào)sin(2Πfct+φk+φ0)兩個(gè)支路的信號(hào)相乘，可以得到：

U(k)=cos(2Πfct+φk+φ0)cos(2Πfct+φk-1+φ0)

(3)

V(k)=sin(2Πfct+φk+φ0)cos(2Πfct+φk-1+φ0)

(4)

經(jīng)過(guò)濾波器后，獲得前后相鄰時(shí)刻的相位差信息，得到：

(5)

(6)

根據(jù)DPSK和QPSK信號(hào)的調(diào)制規(guī)則，結(jié)合對(duì)差分系統(tǒng)處理得到的2路數(shù)據(jù)I路和Q路的值判斷，就可以完成信號(hào)識(shí)別的整個(gè)過(guò)程[10]。

本文的測(cè)溫系統(tǒng)利用DPSK調(diào)制方法將數(shù)字信號(hào)調(diào)制在載波信號(hào)上，使用FPGA的樹型結(jié)構(gòu)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，形成了基于DPSK的多載波調(diào)制的二總線傳輸方法。該方法有誤碼性能較好，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以高效完成信號(hào)的調(diào)制，傳輸以及解調(diào)的過(guò)程[11]。

3 串行轉(zhuǎn)并行電路實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)利用不同頻率的多條正弦波作為多條子載波，由于正處于理論驗(yàn)證階段，現(xiàn)采用8條頻率不同的子載波，即8條并行通道。

串并轉(zhuǎn)換電路采用多路分配器即DEMUX的樹型結(jié)構(gòu)，使電路獲得較高轉(zhuǎn)換速度，在時(shí)鐘的上升和下降沿采樣，充分利用了時(shí)鐘周期。多路分配器的原理如圖9所示。

圖9 樹形結(jié)構(gòu)原理

由圖9可知，串行信號(hào)輸入第一級(jí)DEMUX，受時(shí)鐘上升和下降沿觸發(fā)，輸出2路信號(hào)，由于2路信號(hào)不同步，所以在第一級(jí)后插入1個(gè)D觸發(fā)器作為緩沖電路，由時(shí)鐘觸發(fā)。從緩沖電路輸出的信號(hào)a0和a1實(shí)現(xiàn)同步。這2個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)第二級(jí)DEMUX后又分別被分成2路，即a00和a01，以及a10和a11。這4路信號(hào)經(jīng)過(guò)第三級(jí)DEMUX后輸出8路并行信號(hào)，Q0～Q7為8路并行傳輸通道[12-13]。

4 方法驗(yàn)證

并行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)向來(lái)是提高數(shù)據(jù)傳輸率的重要手段，但是，進(jìn)一步發(fā)展卻遇到了障礙。首先，由于并行傳送方式的前提是用同一時(shí)序傳播信號(hào)，用同一時(shí)序接收信號(hào)，而過(guò)分提升時(shí)鐘頻率將難以讓數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序與時(shí)鐘合拍，布線長(zhǎng)度稍有差異，數(shù)據(jù)就會(huì)以與時(shí)鐘不同的時(shí)序送達(dá)，另外，提升時(shí)鐘頻率還容易引起信號(hào)線間的相互干擾，導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤，因此，并行方式難以實(shí)現(xiàn)高速化。本文在控制一定的時(shí)鐘頻率下將原有的串行總線傳輸方式改為并行，在一定程度上可以提高其傳輸速率[14-15]。

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

搭建總線測(cè)溫系統(tǒng)，設(shè)置5個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果傳輸?shù)絇C端上位機(jī)進(jìn)行顯示存儲(chǔ)，結(jié)果如表1所示。

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，5個(gè)點(diǎn)的測(cè)量溫差由公式測(cè)得平均值為

樣本平均偏差為

表1 節(jié)點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果

由以上數(shù)據(jù)得知，系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與環(huán)境實(shí)際溫度樣本平均差僅為0.04。

系統(tǒng)共進(jìn)行5次試驗(yàn)，以室內(nèi)溫度27 ℃為真實(shí)溫度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算各次試驗(yàn)的平均數(shù)據(jù)與平均偏差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示

表2 5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差統(tǒng)計(jì)

由表2可知，在進(jìn)行多次多組試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，本測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)正確率較高，偏差較小。

4.2 數(shù)據(jù)仿真

圖10為信號(hào)調(diào)制前的基帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)差分編碼，通過(guò)DPSK調(diào)制在以下的正弦載波中，各并行傳輸?shù)男盘?hào)也分別進(jìn)行調(diào)制在頻率不同的正弦載波中進(jìn)行并行傳輸。

圖10 調(diào)制前信號(hào)圖形

數(shù)字經(jīng)過(guò)差分編碼后轉(zhuǎn)換為相對(duì)碼來(lái)表示二進(jìn)制信號(hào)，并進(jìn)行絕對(duì)調(diào)相。如圖11所示，信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器后，允許一定范圍內(nèi)頻率的信號(hào)通過(guò)，起到選頻的作用，再通過(guò)相乘器，把絕對(duì)碼轉(zhuǎn)換成相對(duì)碼來(lái)表示二進(jìn)制信號(hào)，隨后通過(guò)低通濾波器，除去高頻信號(hào)后輸出。

圖11 調(diào)制圖形

圖12是將數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)，存在一定的噪音信號(hào)，并將其輸出。由圖12可見，噪聲會(huì)引起信號(hào)的波動(dòng)變化。

信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)得到差分信號(hào)，并進(jìn)行碼變換輸出，如圖13所示。

由圖13可以發(fā)現(xiàn)，解調(diào)得到的差分信號(hào)與輸入的調(diào)制前的基帶信號(hào)基本一致，由此可見通過(guò)2DPSK調(diào)制解調(diào)過(guò)程，在進(jìn)行串轉(zhuǎn)并后，能夠在總線上不失真地進(jìn)行傳輸，可以證明該調(diào)制方式在多載波中是可行的。

圖12 加噪仿真

圖13 解調(diào)圖形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電氣設(shè)備測(cè)溫時(shí)面對(duì)多節(jié)點(diǎn)、環(huán)境復(fù)雜、同時(shí)性測(cè)量的問(wèn)題，通過(guò)引入測(cè)溫傳感器模塊，采用了一種基于FPGA的樹型并行算法，從而設(shè)計(jì)出一套基于DPSK的多載波調(diào)制的總線測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以下功能：

a.將DPSK調(diào)制方式應(yīng)用在本系統(tǒng)中，完成了信號(hào)調(diào)制的功能，可減小信號(hào)傳輸中產(chǎn)生的碼間干擾，通過(guò)系統(tǒng)仿真，該調(diào)制方式更為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率較低。

b.設(shè)計(jì)了FPGA樹形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)串并轉(zhuǎn)換電路，良好地應(yīng)用在總線結(jié)構(gòu)中，有效提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)通過(guò)地址進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)行模塊化應(yīng)用，系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)明，具有良好的工程可實(shí)現(xiàn)性。

本文關(guān)于多路調(diào)制的總線測(cè)溫的實(shí)現(xiàn)思想，也可以更廣泛地應(yīng)用到其他的測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)行例如測(cè)轉(zhuǎn)速、速度等指標(biāo)的測(cè)量，需要修改節(jié)點(diǎn)測(cè)試模塊的傳感器部分，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。