時(shí)間：2023-03-23 15:20:06
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一般的數(shù)字采集系統(tǒng)，是通過傳感器將捕捉的現(xiàn)場信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、量化、編碼后，為成數(shù)字信號(hào)，存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，或送給微處理器，或通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端進(jìn)行處理。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)就是樣一套利用無線手段，將采集的數(shù)據(jù)由測(cè)量站發(fā)送到主控站的設(shè)備。
1系統(tǒng)組成
系統(tǒng)組成如圖1、圖2所示。
系統(tǒng)由測(cè)量站和主控站兩部分組成。測(cè)量站主要完成對(duì)現(xiàn)場信號(hào)的采集、存儲(chǔ)，接收遙控指令并發(fā)送數(shù)據(jù)。主控站的主要工作是發(fā)送遙控指令、接收數(shù)據(jù)信息、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理、隨機(jī)顯示打印等。
2AT89C51與數(shù)字電臺(tái)的串行通信
Atmel公司的AT89C51單片機(jī)，是一種低功耗、高性能的、片內(nèi)含有4KBFlashROM的8位CMOS單片機(jī)，工作電壓范圍為2.7～6V（實(shí)際使用+5V供電），8位數(shù)據(jù)總線。它有一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口，能同時(shí)進(jìn)行串行發(fā)送和執(zhí)著收。通過RXD引腳（串行數(shù)據(jù)接收端）和TXD引腳（串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）與外界進(jìn)行通信。
2.1通信協(xié)議與波特率
數(shù)字電臺(tái)與單片機(jī)、終端主控機(jī)的通信協(xié)議為：
通信接口——標(biāo)準(zhǔn)串行RS232接口，9線制半雙工方式；
通信幀格式——1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位可編程數(shù)據(jù)位，1位停止位；
波特率——1200baud。
數(shù)字電臺(tái)選用Motorola公司的GM系列車載電臺(tái)，工作于VHF/UHF頻段，可進(jìn)行無線數(shù)傳（9線制標(biāo)準(zhǔn)串行RS232接口），也可進(jìn)行話音通信；采用二進(jìn)制移頻鍵控（2FSK）調(diào)制解調(diào)方式，符合國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)CCITT.23標(biāo)準(zhǔn)。在話帶內(nèi)進(jìn)行數(shù)字傳輸時(shí)，推薦在不高于1200b/s數(shù)據(jù)率時(shí)使用。實(shí)際使用時(shí)，電臺(tái)工作于220～240MHz頻率范圍，采用半雙工方式（執(zhí)行收、發(fā)操作，但不能同時(shí)進(jìn)行）即可滿足系統(tǒng)要求。
2.2AT89C51串行口工作方式
AT89C51串行口可設(shè)置四種工作方式，可有8位、10位和11位幀格式。本系統(tǒng)中，AT89C51串行口工作于方式3，即鳘幀11位的異步通信格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位（低位在前），1位可編程數(shù)據(jù)位，1位停止位。
發(fā)送前，由軟件設(shè)置第9位數(shù)據(jù)（TB8）作奇偶校驗(yàn)位，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入SBUF，啟動(dòng)發(fā)送過程。串行口能自動(dòng)把TB8取出，裝入到第9位數(shù)據(jù)的位置，再逐一發(fā)送出去。發(fā)送完畢，使TI=1。
接收時(shí)，置SCON中的REN為1，允許接收。當(dāng)檢測(cè)到RXD（P3.0端有“1”到“0”的跳變（起始位）時(shí)，開始接收9位數(shù)據(jù)，送入移位寄存器（9位）。當(dāng)滿足RI=0且SM2=0或接收到的9位數(shù)據(jù)為1時(shí)，前8位數(shù)據(jù)送入SBUF，第9位數(shù)據(jù)送入SCON中的RB8，置RI為1；否則，這次接收無效，不置位RI。
串口方式3的波特率由定時(shí)器T1的溢出率與SMOD值同時(shí)決定：
方式3波特率=T1溢出率/n
當(dāng)SMOD=0時(shí)，n=32；SMOD=1時(shí)，n=16。T1溢出率取決于T1的計(jì)數(shù)速率（計(jì)數(shù)速率=fosc/12）和TI預(yù)置的初值。
定時(shí)器T1用作波特率發(fā)生器，工作于模式2（自動(dòng)重裝初值）。設(shè)TH1和TL1定時(shí)計(jì)數(shù)初值為X，則每過“28-X”個(gè)機(jī)器周期，T1就會(huì)發(fā)生一次溢出。初值X確定如下：
X=256-fosc×(SMOD+1)/384×BTL
本系統(tǒng)中，SMOD=0，波行率BTL=1200，晶振fosc=6MHz，所以初值X=F3H。
2.3AT89C51與數(shù)字電臺(tái)的硬件連接
AT89C51與數(shù)字電臺(tái)的硬件連接如圖3所示。
系統(tǒng)采用異步串行通信方式傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。利用單片機(jī)串口與數(shù)字電臺(tái)RS232數(shù)據(jù)口相連。電臺(tái)常態(tài)為收狀態(tài)（PPT=0，收狀態(tài)；PPT=1，發(fā)狀態(tài)），單片機(jī)P3.5腳輸出高電平。單片機(jī)使用TTL電平，電臺(tái)使用RS232電平，由MAX232完成TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換。3片光電耦合器6N137實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電臺(tái)之間的電源隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性能。
單片機(jī)通過帶控制端的三態(tài)緩沖門74HC125、非門74HC14控制電臺(tái)的收發(fā)轉(zhuǎn)換，以及指令的接收和數(shù)據(jù)發(fā)送。接收時(shí)，P3.5=1,c2=1，74HC125B截止；P3.5經(jīng)74HC14反相、光電隔離，使電臺(tái)PPT腳為低電平，將其置為接收狀態(tài)；同時(shí)c1=0，74HC125A導(dǎo)通，接收的指令由電臺(tái)的RXD端輸入，經(jīng)MAX232電平變換、光電隔離、74HC125A緩沖門，送入單片機(jī)RXD腳。發(fā)射時(shí)，P3.5=0，經(jīng)74HC14反相、光電隔離，使電臺(tái)PPT腳為高電平，將其置為發(fā)射狀態(tài)；同時(shí)c1=1，74HC125A截止，c2=0，74HC125B導(dǎo)通，數(shù)據(jù)由單片機(jī)TXD腳輸出，經(jīng)74HC125B緩沖門、光電隔離、MAX232電平變換，通過電臺(tái)TXD端口將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
3通信軟件設(shè)計(jì)
通信軟件至關(guān)重要，一旦出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓。采取差錯(cuò)控制與容錯(cuò)技術(shù)是非常重要的。
*主控站發(fā)送的指令中包含一定數(shù)量的同步符55H和3字節(jié)的密碼。測(cè)量站在連續(xù)收到5個(gè)同步符后進(jìn)行密碼驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后正式接收指令字節(jié)；如未通過，則測(cè)量站發(fā)一信號(hào)讓主控站重發(fā)，三次驗(yàn)證不過則停發(fā)該命令。測(cè)量站發(fā)/主控站收時(shí)，驗(yàn)證方式與此相同。驗(yàn)證通過后，測(cè)量站開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
*一個(gè)指令由3字節(jié)構(gòu)成，第二字節(jié)等于第一字節(jié)加上35H，第3字節(jié)等于第二字節(jié)加上36H。如果收到的指令不符合此規(guī)則，則重發(fā)該命令，連續(xù)三次錯(cuò)誤時(shí)停發(fā)。
*主控站每發(fā)一個(gè)指令，測(cè)量站都回送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。該應(yīng)答信號(hào)中包含原指令樣本。
下面給出單片機(jī)串行口與電臺(tái)的基本通信程序。
初始化程序：
BTLEQU2FH；波特率放在內(nèi)部RAM的2FH單元
MOVTMOD，#21H；T0方式1，16位計(jì)數(shù)器，T1方式2，串口用
SETBTR0；啟動(dòng)T0
MOVBTL，#0F3H；波特率設(shè)定為1200
MOVSCON，#0C0H；串口方式3，9位數(shù)據(jù)，禁止接收
接收及驗(yàn)證程序：
NUMEQU2BH；同步符個(gè)數(shù)值存放在內(nèi)部RAM的2BH單元
TEMPEQU2CH
ROM-CH：DB55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H
DB55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H；20字節(jié)同步符
MIMDB''''WSC''''：3字節(jié)密碼“WSC”
SETBP3.5；置電臺(tái)收狀態(tài)
SETBREN；允許串口接收
A1：MOVNUM，#0；記錄連續(xù)到同步符55H的個(gè)數(shù)
A2：JBRI，A2；串口有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)A3
A3：CLRRI；清接收中斷標(biāo)志
MOVA，SBUF；讀串口數(shù)據(jù)
CJNEA，#55H，A1；不是同步符轉(zhuǎn)A1
INCNUM；收到的同步符個(gè)數(shù)加1
MOVA，NUM；取收到的同步符個(gè)數(shù)
CJNEA，#5，A2；未收夠連續(xù)5個(gè)55H轉(zhuǎn)A2
A4:MOVNUM,#0;密碼驗(yàn)證，記錄收到密碼字節(jié)數(shù)
A5：MOVDPTR，#MIM；密碼字符首址
MOVA，NUM
MOVCA，@A+DPTR；查表取密碼
MOVTEMP，A；保存密碼
JBRI，A6；串口收完一個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)A6
…
A6：CLRRI；清接收中斷標(biāo)志
MOVA，SBUF；讀串口數(shù)據(jù)
CJNEA，TEMP，A4；與密碼不符轉(zhuǎn)A4
INCNUM；收到的密碼個(gè)數(shù)加1
MOVA，NUM；取已收到的密碼字節(jié)數(shù)
CJNEA，#3，A5；密碼未收完轉(zhuǎn)A5
發(fā)送程序：
CLRP3.5；置電臺(tái)發(fā)狀態(tài)
MOVB，#23
MOVDPTR，#ROM-CH
B1：CLRA
MOVCA，@A+DPTR；查表發(fā)送同步符和密碼共24字節(jié)
INCDPTR
LCALLSEND-CH；調(diào)發(fā)送單字節(jié)子程序
DJNZB，B1
…
CLRA
MOVDPTR，#7000H；外部RAM數(shù)據(jù)首址，發(fā)送外部RAM中的數(shù)據(jù)到電臺(tái)
B2：CJNER4，#0，B3
CJNER3，#0，B3；R4R3=發(fā)送字節(jié)數(shù)
B3：MOVXA，@DPTR；取數(shù)據(jù)
INCDPTR
LCALLSEND-CH
CJNER3，#0，B4
CJNER4，#0，B5
B4：DECR3
LJMPB2
DECR3
DECR4
LJMPB2
…
SEND-CH：SETBTB8
MOVSBUF，A
DB0，0，0，0，0，0，0，0
JNBTI，$；延時(shí)4μs
CLRTI
在工業(yè)、科學(xué)研究以及醫(yī)療設(shè)備中，目前出現(xiàn)了大量需要進(jìn)行通信的設(shè)備，這些設(shè)備通信距離較近、數(shù)據(jù)量較小、不適合布線。比如自動(dòng)抄表系統(tǒng)、酒店點(diǎn)菜系統(tǒng)以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，其中有很多設(shè)備是可移動(dòng)的，而且要求何種小便于攜帶。因此，要求其通過設(shè)備具有體積小、功耗低、成本低、使用方便等特點(diǎn)?；谶@些需求，本文給出了一款超低功耗的無線數(shù)字傳輸模塊的設(shè)備及實(shí)現(xiàn)方法。
該模塊采用Chipcon公司的超低功耗FSK調(diào)制解調(diào)芯片CC1000和Microchip公司的低功耗單片機(jī)PIC16F73，從而保證了系統(tǒng)的超低功耗。同時(shí)，為了適應(yīng)電池供電系統(tǒng)的應(yīng)用，該模塊支持查詢方式的無線通信，可以使系統(tǒng)的平均工作電流低至10μA。該模塊具有8組信道，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的半雙工通信，并且提供標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)接口，支持TTL、RS232和RS485通信接口，可以方便地與其它控制器或計(jì)算機(jī)連接。
圖1
1模塊硬件設(shè)計(jì)
模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
作為工作在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的底層通信設(shè)備，該系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)、假數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)組合、解碼數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等功能。在接收過程中完成數(shù)據(jù)由電信號(hào)向位流、由位流數(shù)據(jù)向字節(jié)，由字節(jié)向數(shù)據(jù)幀的變換，而在發(fā)送過程中則完成接收到的逆向過程。數(shù)據(jù)發(fā)送過程中數(shù)據(jù)流的變化如圖2所示。
調(diào)制解調(diào)由CC1000完成。系統(tǒng)采用頻移鍵控調(diào)制（FSK），載波頻率為434MHz，帶寬為64kHz，數(shù)據(jù)采用差分曼徹斯特編碼發(fā)送，空中發(fā)送數(shù)據(jù)速率可以根據(jù)需要設(shè)置，最高FSK數(shù)據(jù)速率為76.8kpbs。CC1000采用三線命令接口和兩線數(shù)據(jù)接口，可編程配置載波頻率和數(shù)據(jù)速率等內(nèi)容。有關(guān)CC1000的詳細(xì)內(nèi)容見參考文獻(xiàn)。
模塊控制器在發(fā)送時(shí)從用戶接口接數(shù)據(jù)和命令，并將用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀傳送給CC1000，控制CC1000進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。在接收時(shí)，控制器接收從CC1000傳送過來的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，過濾噪聲，將數(shù)據(jù)由位流轉(zhuǎn)換為字節(jié)，進(jìn)行校驗(yàn)并將用戶數(shù)據(jù)通過串行口傳送給用戶，使用戶可以實(shí)現(xiàn)所發(fā)即所收。
模塊是為低功耗系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，除了具有SLP引腳可以直接休眠模塊外，還有一些專門設(shè)計(jì)的命令來支持使用查詢方式的通信。PCMD、RX、TX三線組成模塊的三線接口，配置命令時(shí)PCMD必須為高電平。配置命令工作時(shí)序如圖3所示。
發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)PCMD應(yīng)置為低電平，通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)即可。模塊使用時(shí)間間隔區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀，如果有傳輸半個(gè)字節(jié)的時(shí)間沒有接收到數(shù)據(jù)，則認(rèn)為此前接收到的為一幀數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將編碼該幀數(shù)據(jù)并通過CC1000進(jìn)行調(diào)制和發(fā)送。因此，如果用戶數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送的，用戶應(yīng)當(dāng)連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，以避免模塊將一幀數(shù)據(jù)分割為兩幀數(shù)據(jù)發(fā)送，從而降低發(fā)送效率。模塊只能進(jìn)行半雙工通信，沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)模塊處于接收狀態(tài)；有休眠信號(hào)時(shí)模塊進(jìn)入體眠狀態(tài)，此時(shí)模塊無法接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，只有將模塊喚醒后，才能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。READY信號(hào)是模塊工作狀態(tài)指示信號(hào)。當(dāng)READY長時(shí)間處于低電平狀態(tài)時(shí)，可以使用RST將模塊復(fù)位，重新設(shè)置模塊的工作狀態(tài)，以避免模塊處于錯(cuò)誤工作狀態(tài)。
2軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用專門為PIC單片機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化，能夠?yàn)镻IC系列單片機(jī)產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)高效的代碼，具體內(nèi)容參考文獻(xiàn)。系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的核心內(nèi)容，由于控制器要完成與用戶和CC1000雙方的通信及數(shù)據(jù)封裝，因此系統(tǒng)軟件借用Windows系統(tǒng)的消息循環(huán)機(jī)制設(shè)計(jì)，采用消息循環(huán)的體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得程序結(jié)構(gòu)清晰、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可移植性強(qiáng)。經(jīng)過長時(shí)間的初中，證明這種結(jié)構(gòu)非常適合單片機(jī)系統(tǒng)軟件的開發(fā)。
圖4為程序初始化和主函數(shù)部分的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)程序總線結(jié)構(gòu)采用消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制。在系統(tǒng)內(nèi)部寄存器和變量初始化完成后便可以進(jìn)入消息循環(huán)程序查詢系統(tǒng)消息。系統(tǒng)消息一般是CPU外部或內(nèi)部的事件通過CPU中斷系統(tǒng)激勵(lì)CPU運(yùn)行的。為了能夠使系統(tǒng)產(chǎn)生和響應(yīng)消息，必須啟動(dòng)CPU的中斷系統(tǒng)，因而在進(jìn)入消息循環(huán)前啟動(dòng)CPU定時(shí)中斷、串行通信中斷、外部觸發(fā)中斷。程序初始化部分在CPU上電或復(fù)位后只執(zhí)行一次，CPU在正常工作時(shí)即將終都在消息循環(huán)中反復(fù)檢測(cè)消息是否存在，并根據(jù)消息的種類做不同的操作，最后清除相應(yīng)的消息標(biāo)志，再進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)消息。本系統(tǒng)中消息共有三種，分別是程序節(jié)拍控制信號(hào)、與CC1000通信的信號(hào)以及與用戶通信的信號(hào)。程序節(jié)拍控制信號(hào)控制程序的運(yùn)行過程，包括時(shí)間信號(hào)、外部中斷信號(hào)（休眠、喚醒）以及其它定時(shí)動(dòng)作信號(hào)；與CC1000通信的信號(hào)包括CC1000狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)、接收完成信號(hào)、發(fā)送開始信號(hào)以及發(fā)送完畢信號(hào)等，負(fù)責(zé)管理與CC1000的通信和控制工作；與用戶通信的信號(hào)包括接收用戶數(shù)據(jù)完畢信號(hào)、用戶數(shù)據(jù)發(fā)送完畢信號(hào)以及向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)開始信號(hào)等，負(fù)責(zé)與用戶的通信管理。程序的消息循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
3模塊性能
3．1模塊功能
作為一款專門為低功耗系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的無線數(shù)字傳輸模塊，該模塊具有低電平供電、低功耗的特點(diǎn)。供電電壓范圍為3V～12V。當(dāng)供電電壓為3V時(shí)，在接收狀態(tài)下，模塊電流為9.6mA；在發(fā)送狀態(tài)下，模塊電流為25.6mA；在休眠狀態(tài)下，模塊電流為2μA。通信系統(tǒng)使用查詢方式工作時(shí)，處于接收的工作電流計(jì)算公式如下，即若休眠時(shí)間為dsl，檢測(cè)信號(hào)時(shí)間為tdt，那么平均工作電流為（單位為μA
）：
Ip=(tsl×2+tdt×9600)/(tsl+tdt)
因此，如果一個(gè)系統(tǒng)的休眠時(shí)間為8s,檢測(cè)時(shí)間為13μA。這樣，5400mAh的鋰電流可以使用47年！當(dāng)然，實(shí)際使用中應(yīng)該計(jì)算模塊處于接收狀態(tài)時(shí)的電流，此時(shí)模塊的功耗就取決于模塊工作的情況和傳輸數(shù)據(jù)量的大小，但是其極低的待機(jī)功耗對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來說是十分重要的。
3．2通信可靠性
通信誤碼率可以使用如下近似公式計(jì)算：
Pe≈Ne/N
式中，N為傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元總線；Ne為被傳輸錯(cuò)的碼元數(shù)，理論上應(yīng)有N∞。
在實(shí)際使用中，N足夠大時(shí)，才能夠把Pe近似為誤碼率。經(jīng)過對(duì)模塊的測(cè)試，在數(shù)據(jù)速率為2400bps、通信距離為100m(平原條件)時(shí)，通信誤碼率為10-3～10-5。在數(shù)據(jù)速率提高時(shí)，通信誤碼率會(huì)增加，但是通信模塊可采用多項(xiàng)技術(shù)來提高通信可靠性。在物理層，模塊采用差分曼徹斯特編碼技術(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而保證通信中的同步問題；而在數(shù)據(jù)鏈路層，使用CRC（循環(huán)冗余編碼）進(jìn)行數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)，用以保證數(shù)據(jù)到達(dá)用戶應(yīng)用層以后的可靠性。當(dāng)然，用戶在應(yīng)用層還可以采取多種通信協(xié)議來進(jìn)一步提高通信的可靠性。
3.3通信距離
在無線通信中，通信距離與發(fā)射機(jī)發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度和接收機(jī)接收靈敏度有著直接關(guān)系。本模塊的發(fā)送功率為10dBm，而在數(shù)據(jù)速率為2400bps、帶寬為64kHz、通信二進(jìn)制誤碼率為10-3條件下，模塊的接收靈敏度為-110dBm。在天線高于地面3m的可視條件下，可告通信距離（誤碼率小于10-3）大于300m。在市區(qū)環(huán)境中，可靠通信距離在10m左右。
圖5
4模塊應(yīng)用
隨著傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能駕駛系統(tǒng)（輔助駕駛系統(tǒng)一無人駕駛系統(tǒng)）也得了飛速的發(fā)展。消費(fèi)者越來越注重駕駛的安全性與舒適性，這就要求傳感器能識(shí)別在同一車道上前方行駛的汽車，并能在有障礙時(shí)提醒駕駛員或者自動(dòng)改變汽車狀態(tài)，以避免事故訴發(fā)生。國際上各大汽車公司也都致力于這方面的研究，并開發(fā)了一系列安全駕駛系統(tǒng)，如碰撞報(bào)警系統(tǒng)（CW）、偏向報(bào)警系統(tǒng)（LDW）和智能巡游系統(tǒng)（ICC）等。國內(nèi)在這些方面也有一定的研究，但與國外相比仍存在較大的差距。本文將主要討論多傳感器信息融合技術(shù)在智能駕駛系統(tǒng)（ITS）中的應(yīng)用。
1ICC/CW和LDW系統(tǒng)中存在的問題
1.1ICC/CW系統(tǒng)中的誤識(shí)別問題
ICC/CW系統(tǒng)中經(jīng)常使用單一波束傳感器。這類傳感器利用非常狹窄的波束寬度測(cè)定前方的車輛，對(duì)于彎曲道路（見圖1（a）），前后車輛很容易駛出傳感器的測(cè)量范圍，這將引起智能巡游系統(tǒng)誤加速。如果前方車輛減速或在拐彎處另一輛汽車駛?cè)氡拒嚨?，碰撞?bào)警系統(tǒng)將不能在安全停車范圍內(nèi)給出響應(yīng)而容易產(chǎn)生碰撞。類似地，當(dāng)彎曲度延伸時(shí)（見圖1(b)），雷達(dá)系統(tǒng)易把鄰近道路的車輛或路邊的防護(hù)欄誤認(rèn)為是障礙而給出報(bào)警。當(dāng)?shù)缆凡黄教箷r(shí)，雷達(dá)傳感器前方的道路是斜向上，小丘或小堆也可能被誤認(rèn)為是障礙，這些都降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在有一些濾波算法可以處理這些問題并取得了一定效果，但不能徹底解決。
1.2LDW系統(tǒng)中存在的場景識(shí)別問題
LDW系統(tǒng)中同樣存在公共駕駛區(qū)場景識(shí)別問題。LDW系統(tǒng)依賴于一側(cè)的攝像機(jī)（經(jīng)常僅能測(cè)道路上相鄰車輛的位置），很難區(qū)分彎曲的道路和做到多樣的個(gè)人駕駛模式。LDW系統(tǒng)利用一個(gè)前向攝像機(jī)探測(cè)車輛前方道路的地理狀況，這對(duì)于遠(yuǎn)距離測(cè)量存在著精確性的問題，所有這些都影響了TLC（Time-to-Line-Crossing）測(cè)量的準(zhǔn)確性。現(xiàn)常用死區(qū)識(shí)別和駕駛信息修訂法進(jìn)行處理，但并不能給出任何先驗(yàn)知識(shí)去識(shí)別故障。
2多傳感器信息融合技術(shù)在ITS系統(tǒng)中的應(yīng)用
針對(duì)以上系統(tǒng)存在的一些問題，研究者們紛紛引入了多傳感器信息融合技術(shù)，并提出了不同的融合算法?；谝曈X系統(tǒng)的傳感器可以提供大量的場景信息，其它傳感器（如雷達(dá)或激光等）可以測(cè)定距離、范圍等信息，對(duì)兩方面的信息融合處理后能夠給出更可靠的識(shí)別信息。融合技術(shù)可以采用Beaurais等人于1999年提出的CLARK算法（CombinedLikelihoodAddingRadar）和InstitudeNeuroinformatik提出的ICDA（IntegrativeCouplingofDifferentAlgorithms）算法等方法實(shí)現(xiàn)。
2.1傳感器的選擇
識(shí)別障礙的首要問題是傳感器的選擇，下面對(duì)幾種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說明（見表1）。探測(cè)障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來判定距離的。該方法被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的研究上。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于使用，且在10m以內(nèi)能給出精確的測(cè)量。不過在ITS系統(tǒng)中除了上文提出的場景限制外，還有以下問題。首先因其只能在10m以內(nèi)有效使用，所以并不適合ITS系統(tǒng)。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測(cè)達(dá)100m遠(yuǎn)，但其更新頻率為2Hz，而且還有可能在傳輸中受到其它信號(hào)的干擾，所以在CW/ICC系統(tǒng)中使用是不實(shí)際的。
表1傳感器性能比較
傳感器類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
超聲波
視覺
激光雷達(dá)
MMW雷達(dá)價(jià)格合理，夜間不受影響。
易于多目標(biāo)測(cè)量和分類，分辨率好。
價(jià)格相合理，夜間不受影響
不受燈光、天氣影響。測(cè)量范圍小，對(duì)天氣變化敏感。
不能直接測(cè)量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢。
對(duì)水、灰塵、燈光敏感。
價(jià)格貴
視覺傳感器在CW系統(tǒng)中使用得非常廣泛。其優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，價(jià)格合理，在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測(cè)量定多個(gè)目標(biāo)，并且可以利用測(cè)量的圖像根據(jù)外形和大小對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類。但是算法復(fù)雜，處理速度慢。
雷達(dá)傳感器在軍事和航空領(lǐng)域已經(jīng)使用了幾十年。主要優(yōu)點(diǎn)是可以魯棒地探測(cè)到障礙而不受天氣或燈光條件限制。近十年來隨著尺寸及價(jià)格的降低，在汽車行業(yè)開始被使用。但是仍存在性價(jià)比的問題。
為了克服這些問題，利用信息融合技術(shù)提出了一些新的方法，利用這些方式可以得到較單一傳感器更為可靠的探測(cè)。
2.2信息融合的基本原理
所謂信息融合就是將來自多個(gè)傳感器或多源的信息進(jìn)行綜合處理，從而得出更為準(zhǔn)確、可靠的結(jié)論。多傳感器信息融合是人類和其它生物系統(tǒng)中普遍存在的一種基本功能，人類本地地具有將身體上的各種功能器官（眼、耳、鼻、四肢）所探測(cè)的信息(景物、聲音、氣味和觸覺)與先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行綜合的能力，以便對(duì)其周圍的環(huán)境和正在發(fā)生的事件做出估計(jì)。由于人類的感官具有不同度量特征，因而可測(cè)出不同空間范圍的各種物理現(xiàn)象，這一過程是復(fù)雜的，也是自適應(yīng)的。它將各種信息（圖像、聲音、氣味和物理形狀或描述）轉(zhuǎn)化成對(duì)環(huán)境的有價(jià)值的解釋。
多傳感器信息融合實(shí)際上是人對(duì)人腦綜合處理復(fù)雜問題的一種功能模擬。在多傳感器系統(tǒng)中，各種傳感器提供的信息可能具有不同的特片：對(duì)變的或者非時(shí)變的，實(shí)時(shí)的或者非實(shí)時(shí)的，模糊的或者確定的，精確的或者不完整的，相互支持的或者互補(bǔ)的。多傳感器信息融合就像人腦綜合處理信息的過程一樣，它充分利用多個(gè)傳感器資源，通過對(duì)各種傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間上的互補(bǔ)與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則結(jié)合起來，產(chǎn)生對(duì)觀測(cè)環(huán)境的一致性解釋或描述。信息融合的目標(biāo)是基于各種傳感器分離觀測(cè)信息，通過對(duì)信息的優(yōu)化組合導(dǎo)出更多的有效信息。這是最佳協(xié)同作用的效果，它的最終目的是利用多個(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢(shì)來提高整個(gè)系統(tǒng)的有效性。
2.3常用信息融合算法
信息融合技術(shù)涉及到方面的理論和技術(shù)，如信息處理、估計(jì)理論、不確定性理論、模式識(shí)別、最優(yōu)化技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能等。由不同的應(yīng)用要求形成的各種方法都是融合方法的個(gè)子集。表2歸納了一些常用的信息融合方法。
表2信息融合方法
經(jīng)典方法現(xiàn)代方法
估計(jì)方法統(tǒng)計(jì)方法信息論方法人工智能方法
加權(quán)平均法經(jīng)典推理法聚類分析模糊邏輯
極大似然估計(jì)貝葉斯估計(jì)模板法產(chǎn)生式規(guī)則
最小二乘法品質(zhì)因素法熵理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
卡爾曼濾波D-S證據(jù)決策理論遺傳算法
模糊積分理論
2.4智能駕駛系統(tǒng)中信息融合算法的基本結(jié)構(gòu)
由于單一傳感器的局限性，現(xiàn)在ITS系統(tǒng)中多使用一組傳感器探測(cè)不同視點(diǎn)的信息，再對(duì)這些信息進(jìn)行融合處理，以完成初始目標(biāo)探測(cè)識(shí)別。在智能駕駛系統(tǒng)中識(shí)別障礙常用的算法結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3CLARK算法
CLARK算法是用于精確測(cè)量障礙位置和道路狀況的方法，它同時(shí)使用來自距離傳感器（雷達(dá)）和攝像機(jī)的信息。CLARK算法主要由以下兩部分組成：①使用多傳器融合技術(shù)對(duì)障礙進(jìn)行魯棒探測(cè)；②在LOIS（LikelihoodofImageShape）道路探測(cè)算法中綜合考慮上述信息，以提高遠(yuǎn)距離道路和障礙的識(shí)別性能。
3.1用雷達(dá)探測(cè)障礙
目前經(jīng)常使用一個(gè)雷達(dá)傳感器探測(cè)前方的車輛或障礙。如前面所分析，雷達(dá)雖然在直路上的性能良好，但當(dāng)?shù)缆窂澢鷷r(shí)，探測(cè)的信號(hào)將完全可靠，有時(shí)還會(huì)有探測(cè)的盲點(diǎn)或產(chǎn)生錯(cuò)誤報(bào)警。為了防止錯(cuò)誤報(bào)警，常對(duì)雷達(dá)的輸出進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼（Kalman）濾波，但這并不能有效解決探測(cè)盲點(diǎn)問題。為了更可靠地解決這類問題，可以使用掃描雷達(dá)或多波束雷達(dá)，但其價(jià)格昂貴。這里選用低價(jià)的視覺傳感器作為附加信息，視覺傳感器經(jīng)常能提供掃描雷達(dá)和多波束雷達(dá)所不能提供的信息。
3.2在目標(biāo)識(shí)別中融合視覺信息
CLARK算法使用視覺圖像的對(duì)比度和顏色信息探測(cè)目標(biāo)，使用矩形模板方法識(shí)別目標(biāo)。這個(gè)模板由具有不同左右邊界和底部尺寸的矩形構(gòu)成，再與視覺圖像對(duì)比度域匹配，選擇與雷達(dá)傳感器輸出最接近的障礙模板。
CLARK算法首先對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行卡爾曼濾波，用于剔除傳感器輸出的強(qiáng)干擾，這出下列狀態(tài)和觀測(cè)方程處理：
D（t）=R(t)+v(t)
式中，R（t）為前方障礙的真實(shí)距離（未知），R（t）是其速度（未知，）D（t）為距離觀測(cè)值，Δt為兩次觀測(cè)的問題時(shí)間，w（t）和v(t)為高斯噪聲。給定D（t），由Kalman濾波器估計(jì)R（t）和R（t）的值，并把估計(jì)值R(t)作為距離輸入值，使用R(t)和D（t）的差值確定所用矩形模板的偏差。由于使用雷達(dá)探測(cè)的位置與雷達(dá)作為補(bǔ)償。
使用上述算法可以有效提高雷達(dá)探測(cè)的可靠性，但當(dāng)圖像包含很強(qiáng)的邊緣信息或障礙只占據(jù)相平面一個(gè)很小的區(qū)域時(shí)，仍不能得到滿意的結(jié)果。因此，除對(duì)比度外，又引入視覺圖像的顏色域。
3.3相合似然法
在探測(cè)到障礙后，CLARK算法將這些信息整合到道路探測(cè)算法（LOIS）中。LOIS利用變形道路的邊緣應(yīng)為圖像中對(duì)比度的最大值部分且其方位應(yīng)垂直于道路邊緣來搜索道路。如果只是簡單地將兩個(gè)信息整合，則障礙探測(cè)部分的像素被隱藏，其圖像梯度值不會(huì)影響LOIS的似然性。這樣可以防止LOIS將汽車前方障礙的邊緣誤認(rèn)為是道路的邊緣來處理。但是當(dāng)?shù)缆返恼鎸?shí)邊緣非常接近障礙的邊緣時(shí)，隱藏技術(shù)則失效。
為了使隱藏技術(shù)有效，可以在障礙和道路探測(cè)之間采取折中的處理方法。這種折中的處理方法就是相合似然法。它將探測(cè)障礙固定的位置和尺寸參數(shù)變?yōu)榭梢栽谛》秶鷥?nèi)變化的參數(shù)。新的似然函數(shù)由LOIS的似然和小探測(cè)障礙的似然融合而成。它使用七維參數(shù)探測(cè)方法（三維用于障礙，四維用于道路），能同時(shí)給出障礙和道路預(yù)測(cè)的最好結(jié)果。其公式如下：
式中，Tb、Tl、Tw為相平面內(nèi)矩形模板的底部位置、左邊界和寬度的三個(gè)變形參數(shù)，[xr(t),xc(t)]為變形模板相平面的中心。[yr(t)，yc(t)]為由雷達(dá)探測(cè)并經(jīng)Kalman濾波的障礙在相平觀的位置。將地平面壓縮變化為相平面，的實(shí)時(shí)估計(jì)，為相平面內(nèi)一個(gè)路寬的值（3.2m）。tan-1的壓縮比率在相平面內(nèi)不小于Tmin（路寬的一半），不太于Tmax（路寬）。通過求解七維后驗(yàn)pdfP（k'''',b''''LEFT，b''''RIGHT，vp，Tb，Tl,Tw|[yr(t),yc(t)],ObservedImage）的最大值獲得障礙和道路目標(biāo)。
PCI總線規(guī)范是為提高微機(jī)總線的數(shù)據(jù)傳輸速度而制定的一種局部總線標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)自行開發(fā)的基于PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備時(shí)，需要開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。通常開發(fā)PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有多種模式，在Windows2000環(huán)境下，主要采用WDM模式。本文針對(duì)自行開發(fā)的基于PCI總線的CCD視頻信號(hào)傳輸控制卡，編寫了符合WDM模式的驅(qū)動(dòng)程序。
1WDM模式驅(qū)動(dòng)程序
1．1WDM模式（WindowsDriverModel）
Windows2000對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的編寫不再基于以往的Win3．x和Win9x下的VxD（虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）結(jié)構(gòu)，而是基于一種新的驅(qū)動(dòng)模型——WDM（WindowsDriverModel）。
WDM為Windows98／2000／XP操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)提供了統(tǒng)一的框架。WDM來源于WindowsNT的分層32位設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模型（layered32－bitdevicedrivermodel）。它支持更多的特性，如即插即用（PnP）、電源管理、WMI和NT事件。
1．2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它由I／O管理器（I／OManager）管理和調(diào)動(dòng)。Windows2000操作系統(tǒng)下的I／O管理器功能描述如圖1所示。
I／O管理器每收到一個(gè)來自用戶應(yīng)用程序的請(qǐng)求就創(chuàng)建一個(gè)I／O請(qǐng)求包（IRP）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將其作為參數(shù)傳遞給驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序通過識(shí)別IRP中的物理設(shè)備對(duì)象（PDO）來區(qū)別是發(fā)送給哪一個(gè)設(shè)備。IRP結(jié)構(gòu)中存放請(qǐng)求的類型、用戶緩沖區(qū)的首地址、用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)的長度等信息。驅(qū)動(dòng)程序處理完這個(gè)請(qǐng)求后，在該結(jié)構(gòu)中填入處理結(jié)果的有關(guān)信息，調(diào)用IoCompleteRequest將其返回給I／O管理器，用戶應(yīng)用程序的請(qǐng)求隨即返回。訪問硬件時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序通過調(diào)用硬件抽象層的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
1．3DriverStudio工具簡介
NuMegaLab公司開發(fā)的DriverStudio是一整套開發(fā)、調(diào)試和檢測(cè)Windows平臺(tái)下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工具軟件包。它把DDK（DeviceDevelopmentKit）封裝成完整的C＋＋函數(shù)庫，根據(jù)具體硬件通過向?qū)煽蚣艽a，并且提供了一套完整的調(diào)試和性能測(cè)試工具SoftICE、DriverMonitor等。
2應(yīng)用實(shí)例
本文利用PCI專用接口芯片PCI9052設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸控制卡?？ㄉ现饕男酒蠵CI9052、FIFO（CY7C4221）、CPLD（MAX7064S）和A／D轉(zhuǎn)換器（MAX1197）。傳輸卡硬件框圖如圖2所示。面陣CCD得到的視頻信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路，生成的視頻調(diào)理信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理，送入FIFO中。在CPLD的控制下，數(shù)據(jù)經(jīng)過PCI9052送入PCI總線，再傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，并顯示在監(jiān)視器上。驅(qū)動(dòng)程序必須實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)基本功能：（1）硬件中斷；（2）能支持應(yīng)用程序獲取數(shù)據(jù)；（3）能根據(jù)外部FIFO（CY7C4221）的狀態(tài)啟動(dòng)或停止突發(fā)傳輸。
在數(shù)據(jù)輸入過程中，最重要的是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，因此需要硬件中斷。在中斷程序中，根據(jù)外部FIFO狀態(tài)完成數(shù)據(jù)的讀入。
2．1用DriverWizard生成驅(qū)動(dòng)程序框架
DriverStudio中的DriverWorks軟件為開發(fā)WDM程序提供了一個(gè)完整的框架。它包含一個(gè)可快速生成WDM驅(qū)動(dòng)程序框架的代碼生成向?qū)Чぞ逥riverWizard，而且還帶有許多類庫。在用DriverWizard生成的程序框架中寫入相對(duì)于設(shè)備的特定代碼，編譯后即可得到所需的驅(qū)動(dòng)程序。
在利用DriverWorksV2．7的向?qū)riverWizard完成驅(qū)動(dòng)程序的框架時(shí)共有11個(gè)步驟，其中關(guān)鍵步驟有：
（1）在第四步中選中PCI，并在VendorID和DeviceID中分別輸入廠商號(hào)和設(shè)備號(hào)，還需填入PCISubsystemID和PCIRevisionID。這四項(xiàng)可以用網(wǎng)上的免費(fèi)軟件PCITree或PCIView瀏覽PCI設(shè)備，用這兩個(gè)軟件也可以得到BAR0～BAR5的資源分配情況和中斷號(hào)。
（2）第七步IRP隊(duì)列排隊(duì)方法，它決定了驅(qū)動(dòng)程序檢查設(shè)備的方式。本設(shè)計(jì)選SystemManaged，則所有的IRP排隊(duì)都由系統(tǒng)（即I／O管理器）完成。
（3）第九步是最關(guān)鍵的一步。首先在Resources中添加資源，在name中輸入變量名，在PCIBaseAddress中輸入0～5的序列號(hào)。0～5和BAR0～BAR5一一對(duì)應(yīng)。在設(shè)置中斷對(duì)話框中，在name欄寫入中斷服務(wù)程序的名稱，選中創(chuàng)建中斷服務(wù)程序ISR?穴CreateISR?雪，不選創(chuàng)建延遲程序調(diào)用DPC（CreateDPC），選中MakeISR／DPCclassfunctions，使ISR／DPC成為設(shè)備類的成員函數(shù)。
其次選中Buffer以選取讀寫方式，用于描述與I／O操作相關(guān)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。本設(shè)計(jì)需要快速傳送大量數(shù)據(jù)，因此采用DirectI／O方式。
（4）在第十步中，需要加入與應(yīng)用程序或者其他驅(qū)動(dòng)程序通信的I／O控制代碼參量。
2．2驅(qū)動(dòng)程序模塊框圖和代碼分布
PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序模塊包括配置空間的訪問模塊、IO端口模塊、內(nèi)存讀寫模塊和終端模塊等。各模塊之間是對(duì)等的。驅(qū)動(dòng)程序模塊框圖如圖3所示。
驅(qū)動(dòng)程序初始化模塊代碼段放在＃pragmacode＿seg（″INT″）和＃pragmacode＿seg（）之間。在系統(tǒng)初始化完成后，這部分代碼從內(nèi)存中釋放，防止占用系統(tǒng)寶貴的內(nèi)存資源。＃pragmacode＿seg（）之后是驅(qū)動(dòng)程序和系統(tǒng)的許多模塊的實(shí)現(xiàn)部分。這部分在驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行后不會(huì)從內(nèi)存中釋放。
2．3驅(qū)動(dòng)程序主要模塊的實(shí)現(xiàn)
（1）配置空間的訪問模塊
DriverWorks的KPciConfiguration類封裝了訪問PCI設(shè)備配置空間的所有操作。首先初始化這個(gè)類的實(shí)例：
KpciConfigurationPciConfig（）m＿Lower．TopOfStack（））；
／?觹m＿Lower是KpnpLowerDevice類的對(duì)象。m＿LowerTopOfStack（）返回當(dāng)前設(shè)備堆棧頂部的設(shè)備對(duì)象。*/
初始化完后可以直接利用成員函數(shù)ReadHeader／WriteHeader函數(shù)訪問所有的配置寄存器。
為了確定映射空間的類型和大小，先向目標(biāo)基地址寄存器寫入0Xffffffffh，然后回讀該寄存器的值。如果最低位為1，表示映射于I／O空間，反之為存儲(chǔ)空間；如果映射于存儲(chǔ)空間，從第四位開始計(jì)算0的個(gè)數(shù)可以確定內(nèi)存空間的大??；如果是I／O方式，從第二位開始計(jì)算0的個(gè)數(shù)可確定I／O空間的大小，最大為256字節(jié)。如果設(shè)備的存儲(chǔ)空間超過256字節(jié)，要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的整個(gè)存儲(chǔ)部分的訪問，就必須采用內(nèi)存映射。
（2）I／O操作模塊
Driverworks的KIoRange類封裝了I／O端口訪問的操作。部分代碼如下：
{……
KIORangeDevIoPort()；／／創(chuàng)建實(shí)例
NTSTATUSstatus＝DevIoPort()．Initialize(pResListTranslated，pResListRaW，PciConfig．BaseAddressIndexToOrdinal(0))；
／*第一個(gè)參數(shù)為轉(zhuǎn)換后的資源列表指針；第二個(gè)參數(shù)為原始資源列表指針；第三個(gè)參數(shù)中的0為I／O口對(duì)應(yīng)的基地址，用來轉(zhuǎn)換成特定端口資源的序數(shù)?*／
If(NT＿SUCCESS(status))
{……
DevIoPort．inb(0,LineBuf1,10);
／*成功初始化后可分別用KIoRange類的成員函數(shù)inb(／outb)從端口中讀／寫字節(jié)*／
}
else｛Invalidate()；returnstatus；
／*未能初始化成功，錯(cuò)誤信息在status中*／
{
……}
(3)內(nèi)存讀寫模塊
DriverWorks的KMemoryRange類封裝了端口訪問的操作。
status＝m＿M(jìn)emoryRange()．Initialize(pResListTranslated，pResListRaw，PciConfig．BaseAddressIndexToOrdinal(0))；
此函數(shù)的參數(shù)、意義及具體用法與I／O端口的操作基本相同。
內(nèi)存對(duì)象也用來發(fā)送控制字，以控制CPLD的開始和停止等。實(shí)際上控制字是通過PCI9052發(fā)送的。該控制字地址已被映射成PCI的內(nèi)存空間。所以定義一個(gè)指向內(nèi)存空間的內(nèi)存對(duì)象，通過該對(duì)象即可發(fā)送控制字。
（4）中斷模塊
在中斷模塊，首先要激活PCI9052中斷使能位，然后判斷硬件中斷響應(yīng)是否產(chǎn)生，如果有，則進(jìn)行突發(fā)傳輸，讀入FIFO中的數(shù)據(jù)。
BOOLEANTranCard::Isr＿M(jìn)yIrq(void)
{if(／／中斷未產(chǎn)生)
{……
returnFALSE;}
else
{／*如果產(chǎn)生硬件中斷，設(shè)置命令寄存器，進(jìn)行突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸*／
returnTRUE;}
}
為了將硬件中斷與編寫的中斷服務(wù)程序連接在一起，采用InitializeAndConnect方法，部分代碼如下：
NTSTATUSTranCardDevice?押?押OnStartDevice(KIrpI)
{……
status＝m＿M(jìn)yIrq．InitializeAndConnect(
pResListTranlated,
LinkTo(Isr＿M(jìn)yIrq),
This;)
……}
2．4驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用
編寫驅(qū)動(dòng)程序本身不是最終目的，最終目的是調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序管理資源，并為用戶應(yīng)用程序使用。驅(qū)動(dòng)程序加載以后，它的許多進(jìn)程處于Idle狀態(tài)，實(shí)際上需要用戶應(yīng)用程序去調(diào)用激活。應(yīng)用程序利用Win32API直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的信息交互。
首先用CreateFile()打開設(shè)備，獲得一個(gè)指向設(shè)備對(duì)象的句柄。使用CreateFile函數(shù)時(shí)應(yīng)注意：由于驅(qū)動(dòng)程序是*．sys，所以第一個(gè)參數(shù)應(yīng)該是這個(gè)設(shè)備對(duì)象的標(biāo)志連接（symboliclink）。該標(biāo)志連接名有一個(gè)設(shè)置數(shù)據(jù)文件搜索路徑的數(shù)字號(hào)，而這個(gè)數(shù)字號(hào)通常是零。如果這個(gè)連接名是″TranCard″，則傳遞給CreateFile的宇符串就是：″＼＼＼＼．＼＼TranCard0″。例如：
HANDLEhDevice＝CreateFile(″＼＼＼＼．＼＼TranCard0″)GENERIC＿READ｜GENERIC＿WRITE,FILE＿SHARE＿READ,NULL?,OPEN＿EXISTING,0,NULL);
然后用DeviceIoControl()進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。最后用CloseHandle（）關(guān)閉設(shè)備句柄。
下面是應(yīng)用DeviceIoControl()程序片段。
{……
m＿b＝DeviceIoControl(hDevice,TRANCARD＿IOCTL＿
RECEIVE(buffer,sizeof,buffer,NULL,0,＆buffersize，NULL);
……}
2．5驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試
通信網(wǎng)正向著IP化、寬帶化方向發(fā)展。通信網(wǎng)由傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)和接入網(wǎng)三部分組成。目前，我國傳輸網(wǎng)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和光纖化；交換網(wǎng)也實(shí)現(xiàn)了程控化和數(shù)字化；而接入網(wǎng)仍然是通過雙絞線與局端相連，只能達(dá)到56kb／s的傳輸速率，不能滿足人們對(duì)多媒體信息的迫切需求。對(duì)接入網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模改造，以升級(jí)到FTTC(光纖到路邊)甚至FTTH(光纖到戶)，需要高昂的成本，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。XDSL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電話線上數(shù)據(jù)的高速傳輸，但是大多數(shù)家庭電話線路不多，限制了可連接上網(wǎng)的電腦數(shù)，而且在各房間鋪設(shè)傳輸電纜極為不便。最為經(jīng)濟(jì)有效而且方便的基礎(chǔ)設(shè)備就是電源線，把電源線作為傳輸介質(zhì)，在家庭內(nèi)部不必進(jìn)行新的線路施工，成本低。電力線作為通信信道，幾乎不需要維護(hù)或維護(hù)量極小，而且可以靈活地實(shí)現(xiàn)即插即用。此外，由于不必交電話費(fèi)，月租費(fèi)便宜。
電力線高速數(shù)據(jù)傳輸使電力線做為通信媒介已成為可能。鋪設(shè)有電力線的地方，通過電力線路傳輸各種互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，連成局域網(wǎng)或接入互聯(lián)網(wǎng)。通過電源線路傳輸各種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，可以大大推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的普及。此項(xiàng)技術(shù)還可以使家用電腦及電器結(jié)合為可以互相溝通的網(wǎng)絡(luò)，形成新型的智能化家電網(wǎng)，用戶在任何地方通過Internet實(shí)現(xiàn)家用電器的監(jiān)控和管理；可以直接實(shí)現(xiàn)電力抄表及電網(wǎng)自動(dòng)化中遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)的各項(xiàng)功能，而不必另外鋪設(shè)通信信道。因此，研究電力
線通信是十分必要的。
1OFDM基本原理
正交頻分復(fù)用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)是一種正交多載波調(diào)制MCM方式。在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，符號(hào)序列調(diào)制在一個(gè)載波上進(jìn)行串行傳輸，每個(gè)符號(hào)的頻率可以占有信道的全部可用帶寬。OFDM是一種并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用頻率上等間隔的N個(gè)子載波構(gòu)成。它們分別調(diào)制一路獨(dú)立的數(shù)據(jù)信息，調(diào)制之后N個(gè)子載波的信號(hào)相加同時(shí)發(fā)送。因此，每個(gè)符號(hào)的頻譜只占用信道全部帶寬的一部分。在OFDM系統(tǒng)中，通過選擇載波間隔，使這些子載波在整個(gè)符號(hào)周期上保持頻譜的正交特性，各子載波上的信號(hào)在頻譜上互相重疊，而接收端利用載波之間的正交特性，可以無失真地恢復(fù)發(fā)送信息，從而提高系統(tǒng)的頻譜利用率。圖1給出了正交頻分復(fù)用OFDM的基本原理?？紤]一個(gè)周期內(nèi)傳送的符號(hào)序列(do，d1，…，dn-1)每個(gè)符號(hào)di是經(jīng)過基帶調(diào)制后復(fù)信號(hào)di=ai+jbi，串行符號(hào)序列的間隔為t=l／fs，其中fs是系統(tǒng)的符號(hào)傳輸速率。串并轉(zhuǎn)換之后，它們分別調(diào)制N個(gè)子載波(fo，f1，…，fn-1)，這N個(gè)子載波頻分復(fù)用整個(gè)信道帶寬，相鄰子載波之間的頻率間隔為1／T，符號(hào)周期T從t增加到Nt。合成的傳輸信號(hào)D(t)可以用其低通復(fù)包絡(luò)D(t)表示。
其中ωi=-2π·f·i，f=1／T=1／Nt。在符號(hào)周期[O，T]內(nèi)，傳輸?shù)男盘?hào)為D(t)=Re{D(t)exp(j2πfot)}，0≤t≤T。
若以符號(hào)傳輸速率fs為采樣速率對(duì)D(t)進(jìn)行采樣，在一個(gè)周期之內(nèi)，共有N個(gè)采樣值。令t=mt，采樣序列D(m)可以用符號(hào)序列(do，d1，…，dn-1)的離散付氏逆變換表示。即
因此，OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程等效于離散付氏逆變換和離散付氏變換處理。其核心技術(shù)是離散付氏變換，若采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)和FFT快速算法，無需束狀濾波器組，實(shí)現(xiàn)比較簡單。
2電力線數(shù)傳設(shè)備硬件構(gòu)成
電力線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的硬件框圖如圖2所示。
2.1數(shù)字信號(hào)處理單元TMS320VC5402
用數(shù)字信號(hào)處理的手段實(shí)現(xiàn)MODEM需要極高的運(yùn)算能力和極高的運(yùn)算速度，在高速DSP出現(xiàn)之前，數(shù)字信號(hào)處理只能采用普通的微處理器。由于速度的限制，所實(shí)現(xiàn)的MODEM最高速度一般在2400b／s。自20世紀(jì)70年代末，Intel公司推出第一代DSP芯片Intel2920以來，近20年來涌現(xiàn)出一大批高速DSP芯片，從而使話帶高速DSPMCODEM的實(shí)現(xiàn)成為可能。
TMS320系列性價(jià)比高，國內(nèi)現(xiàn)有開發(fā)手段齊全，自TI公司20世紀(jì)80年代初第一代產(chǎn)品TMS32010問世以來，正以每2年更新一代的速度，相繼推出TMS32020、TMS320C25、TMS320C30、TMS320C40以及第五代產(chǎn)品TMS320C54X。
根據(jù)OFDM調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)所需要的信號(hào)處理能力，本文選擇以TMS320VC5402作為數(shù)據(jù)泵完成FFT等各種算法，充分利用其軟件、硬件資源，實(shí)現(xiàn)具有高性價(jià)比的OFDM高速電力線數(shù)傳設(shè)備。
TMS320C54X是TI公司針對(duì)通信應(yīng)用推出的中高檔16位定點(diǎn)DSP系列器件。該系列器件功能強(qiáng)大、靈活，較之前幾代DSP，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：
速度更快(40～100MIPS)；
指令集更為豐富；
更多的尋址方式選擇；
2個(gè)40位的累加器；
硬件堆棧指針；
支持塊重復(fù)和環(huán)型緩沖區(qū)管理。
2.2高頻信號(hào)處理單元
主要實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的放大、高頻開關(guān)和線路濾波等功能，并最終經(jīng)小型加工結(jié)合設(shè)備送往配電線路。信號(hào)的放大包括發(fā)送方向的可控增益放大(前向功率控制)，接收方向AGC的低噪聲放大部分。其中高頻開關(guān)完成收發(fā)高頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)雙工通信。同時(shí)使收發(fā)共用一個(gè)線路濾波器，這樣可以節(jié)省系統(tǒng)成本。2．3RS一232接口單元
用戶數(shù)據(jù)接口采用RS一232標(biāo)準(zhǔn)串行口。串口的數(shù)據(jù)中斷采用邊沿觸發(fā)中斷，串口中斷程序完成用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。將接收到的用戶數(shù)據(jù)暫存到CPU的發(fā)送緩沖區(qū)中，等到滿一個(gè)突發(fā)包時(shí)就發(fā)送到DSP進(jìn)行處理。
3參數(shù)設(shè)計(jì)
3．1保護(hù)時(shí)間的選擇
根據(jù)OFDM信號(hào)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，首先選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)時(shí)間，=20μs，這能夠充分滿足在電力系統(tǒng)環(huán)境下，OFDM信號(hào)消除多徑時(shí)延擴(kuò)展的目的。
3．2符號(hào)周期的選擇
T>200μs，相應(yīng)子信道間隔，f<5kHz，這樣在25kHz帶寬內(nèi)至少要?jiǎng)澐殖?個(gè)子信道。另外子信道數(shù)不能太多，增加子信道數(shù)雖然可以提高頻譜傳輸效率，但是DSP器件的復(fù)雜度也將增加，成本上升，同時(shí)還將受到信道時(shí)間選擇性衰落的嚴(yán)重影響。因此，考慮在25kHz的帶寬內(nèi)采用7個(gè)子信道。
3.3子信道數(shù)的計(jì)算
子信道間隔：
各子信道的符號(hào)周期：T=250μs
考慮保護(hù)時(shí)間：=20μs，則有Ts=T+=270μs
各子信道實(shí)際的符號(hào)率：
總的比特率：3.71kbps×25子信道×2b／symbol=185.5kb／s
系統(tǒng)的頻譜效率：β=185.5kbps／100kHz=1.855bps／Hz<2bps／Hz
可以看出，這時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)具有較高的頻譜效率。25路話音信號(hào)總的速率與經(jīng)串并變換和4PSK映射后的各子信道上有用信息的符號(hào)率相比，每個(gè)子信道還可以插入冗余信息用于同步、載波參數(shù)、幀保護(hù)和用戶信息等。需要指出的是：
①由于OFDM信號(hào)時(shí)頻正交性的限制條件，在此設(shè)計(jì)中盡管采用了25個(gè)子載波并行傳輸也只能傳25路語音。如果要傳8路語音，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換和16QAM映射后，各個(gè)子信道上有用信息的符號(hào)率為1.855bps／Hz，最多還可以插入的冗余信息為O.145bps／Hz，在實(shí)際傳輸中這是很難保證的傳輸質(zhì)量的，因此該設(shè)計(jì)相對(duì)于M-16QAM采用4個(gè)子載波傳輸6路話音并不矛盾。
②在此設(shè)計(jì)中，為冗余信息預(yù)留了較多的位，其冗余信息與有用信息的比值為0.59，大于iDEN系統(tǒng)的0.44。這是考慮到OFDM信號(hào)對(duì)于載波相位偏差和定時(shí)偏差都較為敏感，這樣就可以插入較多的參考信號(hào)以快速實(shí)現(xiàn)載波相位的鎖定、跟蹤及位同步；另一方面對(duì)引導(dǎo)符號(hào)間隔的選擇也較為靈活，在設(shè)計(jì)中選擇引導(dǎo)符號(hào)間隔L=10。
③OFDM信號(hào)調(diào)制解調(diào)的核心是DFT／IDFT算法。目前，普遍采用DSP芯片完成DFT／IDFT，因此有必要對(duì)設(shè)計(jì)所需的DSP性能進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，至少要能在250μs內(nèi)完成32個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)的FFT運(yùn)算。我們知道，N個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)的FFT共需要2Nlog2N次實(shí)數(shù)乘法和3Nl0g2N次實(shí)數(shù)加法。假設(shè)實(shí)數(shù)乘法和實(shí)數(shù)加法都是單周期指令，以32個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)為例，這樣共需要800個(gè)指令周期，即20μs，因此采用TMS320VC5402能夠滿足設(shè)計(jì)要求(TMS320VC5402的單指令周期為10ns)。
4.1調(diào)制部分的軟件設(shè)計(jì)
此程序作為子程序被調(diào)用之前，要發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)被裝入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并將數(shù)據(jù)區(qū)的首地址及長度作為入口參數(shù)傳遞給子程序。程序執(zhí)行時(shí)，首先清發(fā)送存儲(chǔ)器，然后配置AD9708的采樣速率，之后允許串行口發(fā)送中斷產(chǎn)生，使中斷服務(wù)程序自動(dòng)依次讀取發(fā)送存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，送入AD9708變換成模擬信號(hào)。之后程序從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀取一幀數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼，并行放入IFFT工作區(qū)的相應(yīng)位置，插入導(dǎo)頻符號(hào)并將不用的點(diǎn)補(bǔ)零。隨后進(jìn)行IFFT，IFFT算法采用常用的時(shí)域抽點(diǎn)算法DIT，蝶形運(yùn)算所需的WN可查N=512字的定點(diǎn)三角函數(shù)表得到。由于TMS320VC5402的數(shù)值計(jì)算為16位字長定點(diǎn)運(yùn)算方式，所以IFFT采用成組定點(diǎn)法，既提高了運(yùn)算精度又保證了運(yùn)算速度。然后對(duì)IFFT變換后的結(jié)果擴(kuò)展加窗，并將本幀信號(hào)的前擴(kuò)展部分同上幀信號(hào)的后擴(kuò)展部分相加，加窗所需窗函數(shù)可查表得到。窗函數(shù)存放在窗函數(shù)表中，是事先利用C語言浮點(diǎn)運(yùn)算并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)存放在表中的。
經(jīng)實(shí)測(cè)，從讀取串行數(shù)據(jù)到加窗工作完成最多占用75個(gè)抽樣周期(75×125μs)的時(shí)間，而發(fā)送一幀信號(hào)需512+32=544個(gè)抽樣周期(544×125μs)。這說明C5402的運(yùn)算速度足夠滿足需要。
當(dāng)上一幀信號(hào)發(fā)送完畢，程序立即將以處理好的本幀信號(hào)送入發(fā)送存儲(chǔ)器繼續(xù)發(fā)送，并通過入口參數(shù)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。
4.2解調(diào)部分的軟件設(shè)計(jì)
用TMS320VC5402實(shí)現(xiàn)的流程分同步捕捉及解調(diào)兩個(gè)階段。同步捕捉階段執(zhí)行時(shí)，首先清接收存儲(chǔ)器，配置AD9057的采樣速率，然后開串行口接收中斷，使接收中斷服務(wù)程序接收來自AD9057的采樣數(shù)據(jù)并依次自動(dòng)存入接收存儲(chǔ)器。
每得到一個(gè)新的樣點(diǎn)，程序先用DFT的遞推算法解調(diào)出25路導(dǎo)頻符號(hào)，并對(duì)導(dǎo)頻均衡。之后分別同參考導(dǎo)頻符號(hào)矢量600h+j600h進(jìn)行點(diǎn)積，這里用導(dǎo)頻符號(hào)矢量的實(shí)部與虛部的和代替點(diǎn)積，即可反映相關(guān)函數(shù)的規(guī)律，以簡化運(yùn)算。求得25路導(dǎo)頻與參考導(dǎo)頻的相關(guān)值后暫時(shí)保存，并分別與前一個(gè)樣點(diǎn)所保存的各導(dǎo)頻相關(guān)值比較(相減)，用一個(gè)字節(jié)保存比較結(jié)果的正負(fù)號(hào)(每路導(dǎo)頻占1bit)。在處理前一個(gè)樣點(diǎn)的過程中，也用一個(gè)字節(jié)保存它同其前一樣點(diǎn)的導(dǎo)頻相關(guān)值比較的正負(fù)號(hào)。對(duì)這兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行簡單的邏輯運(yùn)算，即可判斷出各導(dǎo)頻是否在前一個(gè)樣點(diǎn)處出現(xiàn)峰值。倘若25路導(dǎo)頻中有20個(gè)以上的導(dǎo)頻同時(shí)出現(xiàn)峰值，則認(rèn)為該樣點(diǎn)以前的N=512個(gè)樣點(diǎn)即為捕捉到的一幀信號(hào)，程序進(jìn)入解調(diào)階段；否則等待接收新的采樣點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行同步捕捉。
解調(diào)階段首先對(duì)捕捉到的幀信號(hào)進(jìn)行實(shí)信號(hào)的FFT變換，仍然采用成組定點(diǎn)法，之后進(jìn)行均衡。然后利用導(dǎo)頻算出本地抽樣時(shí)鐘的延遲τ，在計(jì)算中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)除法，可將常數(shù)分母取倒數(shù)后提前算出，作為乘法的系數(shù)。為了保證其后二維AGC的精度，計(jì)算中τ精確到O.1μs。接下來根據(jù)τ調(diào)整抽樣時(shí)鐘，程序?qū)⒄{(diào)整量通知串行口發(fā)送中斷服務(wù)程序后，繼續(xù)執(zhí)行二維AGC，而由中斷服務(wù)程序在每次中斷響應(yīng)時(shí)間命令，每次可以調(diào)整下一采樣時(shí)刻提前(或落后)1μs。
二維AGC分兩步進(jìn)行。首先根據(jù)τ對(duì)均衡后的調(diào)制矢量進(jìn)行相位校正，這里需要利用FFT變換所使用的512字的三角函數(shù)表，用一個(gè)指針指向三角函數(shù)表的表頭，根據(jù)τ及三角函數(shù)表角度間隔算出多少路子信道才需要將指針下移一格，通過這種查表的方法可以簡潔地確定各子信道的校正量。經(jīng)相位校正后，即可利用導(dǎo)頻進(jìn)行幅度校正。
SystemView的操作圖符庫包含功能強(qiáng)大、易于使用圖形模板設(shè)計(jì)模擬和數(shù)字以及離散和連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的環(huán)境．如FIR濾波器設(shè)計(jì)（包括：低通、帶通、高通、帶阻、Hilbert和微分）、IIR濾波器設(shè)計(jì)（包括：多極Bessel，Butterworth，Cheby－shev和Linear Phase）和FFT類型：magnitude，squared、光譜分析器、能量譜密度和相位．
1.2 信號(hào)分析、處理功能
SystemView分析窗口是能夠提供系統(tǒng)波形的交互式分析窗口、動(dòng)態(tài)探針、實(shí)時(shí)顯示的可視環(huán)境．它還提供完成系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)生成并處理操作的接收端計(jì)算器．另外，SystemView允許用戶如同系統(tǒng)內(nèi)建的庫一樣使用自己用C／C＋＋編寫插入的用戶代碼庫；能自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，并顯示出錯(cuò)的圖符等特點(diǎn)，便利于用戶系統(tǒng)的診斷．
2實(shí)驗(yàn)過程的流程及基于SystemView的電路原理模塊的設(shè)計(jì)流程
實(shí)驗(yàn)過程流程如圖1所示，在教學(xué)過程中，結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容，借助于SystemView仿真平臺(tái)，根據(jù)原理、規(guī)律，應(yīng)用軟件提供的模塊，設(shè)計(jì)電路，并確定電路中的各模塊器件參量，運(yùn)用仿真平臺(tái)提供的虛擬儀器進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)測(cè)量［8－14］，這樣以人機(jī)交互的方式，可使每位學(xué)生親自動(dòng)手接觸電路，連接元件，依據(jù)電路設(shè)計(jì)要求更改相應(yīng)元件參量，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、創(chuàng)造能力．SystemView電路模塊設(shè)計(jì)流程如圖2所示，可按照理論要求，方便地調(diào)整和修改模塊器件參量，分析各器件參量對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響與作用．這樣將連線、測(cè)試、修改、分析、仿真結(jié)果的觀察相統(tǒng)一，與理論描述相對(duì)照比較，把實(shí)驗(yàn)與理論有機(jī)相結(jié)合，加深了學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)識(shí)及理解，提高學(xué)生邏輯思維能力．
3電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)踐
以“數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)［15］”為例進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)仿真．3.1電路模型分析數(shù)字信號(hào)基帶傳輸系統(tǒng)主要由脈沖形成器、發(fā)送濾波器、傳輸信道、接收濾波器和識(shí)別等功能電路組成［2，10］．3.2模型搭建及仿真
啟動(dòng)SystemView仿真平臺(tái)［14］，進(jìn)入設(shè)計(jì)窗口．設(shè)計(jì)創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)電路過程如下：1）模塊選取在SystemView原理圖編輯窗口中，從左邊的圖符庫中選擇需要的圖符，將各圖符模塊選取到設(shè)計(jì)窗口中．2）實(shí)驗(yàn)電路圖符的連接將每個(gè)圖符依據(jù)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)電路原理模型，在設(shè)計(jì)窗口中連接起來形成如圖3所示仿真電路．系統(tǒng)仿真電路中各圖符塊的參量設(shè)置如表1所示．
3）電路文件的保存電路創(chuàng)建完成后將該電路保存為“TEST”，以便進(jìn)行調(diào)用、測(cè)試．設(shè)置SystemView系統(tǒng)視窗并仿真：設(shè)置“時(shí)間窗”參量：Start Time 0s；Stop Time 0．5s；Sample Rate 10 000Hz．運(yùn)行系統(tǒng)之后，進(jìn)入“分析窗”，進(jìn)行觀察、分析．
4仿真結(jié)果及分析
眼圖是利用實(shí)驗(yàn)手段方便地估計(jì)系統(tǒng)性能時(shí)在示波器上觀察到的一種圖形，衡量基帶傳輸系統(tǒng)性能的重要方法，借助于它可以達(dá)到有效地改善系統(tǒng)性能．通過SystemView分析窗“繪制新圖”功能，在“System Sink Calculator”對(duì)話框中的Style和Time Slice按鈕，設(shè)置好“Start Time（sec）”和“Repeat Length（sec）”欄內(nèi)參量，獲得數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的眼圖．如圖4所示，在低通濾波器為巴特沃茲濾波器（Fc＝60Hz）條件下，當(dāng)信道中噪聲方差（Std Dev）為0．1V時(shí)，接收濾波器的輸出波形眼圖與噪聲方差為0．3V的眼圖分別如圖4（a）和（b），可以觀察到，“眼睛”張開情況；改變低通濾波器的帶寬，如巴特沃茲濾波器（Fc＝30Hz）條件下，當(dāng)信道中噪聲方差（Std Dev）為0．1V時(shí)，接收濾波器的輸出波形眼圖與噪聲方差為0．3V的眼圖分別如圖5（a）和（b），直觀地觀察出“眼睛”的情況；當(dāng)信道中噪聲方差（StdDev）為0．1V，巴特沃茲濾波器的信道帶寬不同時(shí)，抽樣判決比較后輸出的信號(hào)眼圖如圖6（a）和（b）所示．接收端通過抽樣判決來重現(xiàn)基帶信號(hào)，當(dāng)噪聲過大、低通濾波器的帶寬較窄時(shí)，抽樣判決就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，產(chǎn)生誤碼．通過以上眼圖的觀察研究，明顯地得出：噪聲大小對(duì)眼圖的影響，噪聲越小，線條越細(xì)，越清晰，“眼睛”張開越大，誤碼率越?。瑫r(shí)觀察到信道帶寬對(duì)眼圖的影響情況，眼皮厚度反映了加入噪聲的幅度和信道帶寬，信道中加入的噪聲干擾越大及信道越窄，眼圖越模糊，越雜亂等這些較抽象的物理現(xiàn)象及使學(xué)生深刻理解高斯濾波器、抽樣比較電路的物理功能．
一、引言
多元智能理論在世界教育教學(xué)改革中產(chǎn)生了廣泛的積極影響，學(xué)習(xí)和研究這一理論，對(duì)于推進(jìn)我國高等教育改革具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
中華傳統(tǒng)文化主要包括：古文、詩、詞、曲、賦、民族音樂、民族戲劇、曲藝、國畫、書法等;傳統(tǒng)節(jié)日（均按農(nóng)歷）有：正月初一春節(jié)（農(nóng)歷新年）、正月十五元宵節(jié)、四月五日清明節(jié)、清明節(jié)前后的寒食節(jié)、五月五日端午節(jié)、七月七日七夕節(jié)、八月十五中秋節(jié)、臘月三十除夕以及各種民俗等;包括傳統(tǒng)歷法在內(nèi)的中國古代自然科學(xué)以及生活在中的各地區(qū)、各少數(shù)民族的傳統(tǒng)文化也是中華傳統(tǒng)文化的組成部分。中華傳統(tǒng)文化是民族之魂，是中華民族對(duì)人類的偉大貢獻(xiàn)，是我們先輩傳承下來的豐厚遺產(chǎn)，是歷史的結(jié)晶[1]。對(duì)于我們來說弘揚(yáng)和發(fā)展中華傳統(tǒng)文化責(zé)無旁貸，毋庸置疑。
那么探索全新的傳統(tǒng)文化教育之路刻不容緩。迎面襲來的多元智能理論與信息技術(shù)潮流帶來更多可拓展的空間。在信息技術(shù)日新月異的今天，合理利用信息技術(shù)、學(xué)生的多元智能，來提高大學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)文化的認(rèn)識(shí)、理解及重視程度大勢(shì)所趨。最終培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生成為時(shí)代的主人，中華傳統(tǒng)文化傳承的有生力量當(dāng)務(wù)之急。深入思考、探索，最終走出一條具有特色的傳統(tǒng)文化教育之路迫在眉睫。
二、弘揚(yáng)傳統(tǒng)文化的意義
剛剛勝利閉幕的十八屆三中全會(huì)給了傳統(tǒng)文化明確的定義：“一個(gè)國家的歷史、形象和尊嚴(yán)的代言是這個(gè)國家的傳統(tǒng)文化?！?/p>
中國文化的根蒂是濃厚的中華民族傳統(tǒng)文化。增強(qiáng)國家文化軟實(shí)力也必須以領(lǐng)悟、尊重中國傳統(tǒng)文化為基本條件。近年來國家大力度進(jìn)行的深化文化體制改革中，一直把弘揚(yáng)中國傳統(tǒng)文化作為著力點(diǎn)，從而完善中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育。
三、當(dāng)前傳統(tǒng)文化教育的現(xiàn)狀
與國家的大力號(hào)召相反傳統(tǒng)文化在傳承中卻受到了“冷遇”，在教育中遭遇了“瓶頸”。全面分析當(dāng)今大學(xué)生的傳統(tǒng)文化教育我們不難發(fā)現(xiàn)以下問題：
（一）忽略傳統(tǒng)文化教育
1.家庭傳統(tǒng)文化教育缺失、斷層
目前我國的家庭教育中家長對(duì)傳統(tǒng)文化的理解偏差，家長的傳統(tǒng)文化教育意識(shí)淡薄，子女受其影響而表現(xiàn)出來的消極和抵觸情緒，以及其他各方面的因素導(dǎo)致了當(dāng)前我國傳統(tǒng)文化的傳承不力，甚至在很多方面都出現(xiàn)了缺失和斷層。
2.學(xué)校傳統(tǒng)文化教育系統(tǒng)建設(shè)不完善
2012年，某教育機(jī)構(gòu)對(duì)全國100家高校的傳統(tǒng)文化教育課程設(shè)置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，僅有30家高校開設(shè)了傳統(tǒng)文化教育選修課程，其中配備對(duì)口專業(yè)教師的僅有20%。就學(xué)生學(xué)習(xí)情況來看，課程出席率小于35%。
（二）學(xué)校對(duì)傳統(tǒng)文化教育過度的課程化，任務(wù)化，教育推廣面狹窄單一。
灌輸式教育，填鴨式教學(xué)，不利于學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)文化的真正理解。使傳統(tǒng)文化的傳承成為僅僅是對(duì)傳統(tǒng)文化知識(shí)的介紹。
（三）中國的傳統(tǒng)文化教育缺乏情景式教育
中國的傳統(tǒng)文化教育具有適應(yīng)性，產(chǎn)生于特定的生產(chǎn)生活環(huán)境，同時(shí)也反作用于生活環(huán)境，與環(huán)境共融形成一種“共生”關(guān)系。當(dāng)前的傳統(tǒng)文化教育使其脫離了賴以生存的環(huán)境，成為無本之木，無根之水，空中樓閣，成為了書本的文化，“僵死”的文化。
四、多元智能理論與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支持下對(duì)傳統(tǒng)文化教育的探索
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展的今天，大多數(shù)新興事物、外來文化迅速占領(lǐng)市場，成為現(xiàn)代生活不可或缺的部分。人們除了關(guān)注這些“異”物對(duì)中國傳統(tǒng)文化的沖擊面前，我們不能只是愛么能助，望洋興嘆，更應(yīng)該看到的是他們帶來的活力與生機(jī)。那么利用多元智能理論結(jié)合信息技術(shù)實(shí)施多元多維、情景性、發(fā)展性的教育模式，正適合傳統(tǒng)文化的教育。
近年來，隨著互連網(wǎng)走入千家萬戶，我們進(jìn)入了“全城一家零距離，珠穆朗瑪在身邊”開放、虛擬的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。那么，讓新一代的信息技術(shù)與傳統(tǒng)文化之間碰撞出絢麗的火花，是下一步應(yīng)該探索的問題。
（一）利用網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為傳統(tǒng)文化安個(gè)“家”。
在信息技術(shù)的支持下虛擬仿真出全世界的旅游勝地，使人們足不出戶就能領(lǐng)略世界的風(fēng)采，是經(jīng)濟(jì)旅游的新潮流。那么基于網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)顯著的技術(shù)特點(diǎn)為中國傳統(tǒng)文化安個(gè)“家”，是初步探索的方向。
（二）傳統(tǒng)文化教育利用多元智能原理與游戲化學(xué)習(xí)的“臉對(duì)臉”。
讓網(wǎng)絡(luò)游戲?yàn)閭鹘y(tǒng)文化的學(xué)習(xí)和傳承提供更加有效的方法和途徑，同時(shí)讓傳統(tǒng)文化為網(wǎng)絡(luò)游戲填加豐富的內(nèi)涵。網(wǎng)絡(luò)游戲的虛擬環(huán)境成為傳統(tǒng)文化教育賴以生存的土地。
網(wǎng)絡(luò)游戲是網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的一種，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的日益成熟，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)游戲也成了新興產(chǎn)業(yè)。正引發(fā)越來越多的社會(huì)問題――青少年沉迷網(wǎng)絡(luò)游戲的事件層出不窮。網(wǎng)絡(luò)游戲設(shè)計(jì)的暴力，不規(guī)范占絕大部分因素。從網(wǎng)絡(luò)游戲設(shè)計(jì)中入手改善網(wǎng)絡(luò)游戲的不足，并在網(wǎng)絡(luò)游戲設(shè)計(jì)中將中華民族優(yōu)秀的傳統(tǒng)文化融入現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)游戲之中，賦予傳統(tǒng)文化騰飛的羽翼，同時(shí)也賜予網(wǎng)絡(luò)游戲以圣潔的靈魂，實(shí)現(xiàn)游戲化學(xué)習(xí)。
根據(jù)眾學(xué)者的研究，筆者認(rèn)為，游戲化學(xué)習(xí)的難點(diǎn)主要在于游戲與學(xué)習(xí)之間相互融合的問題，游戲與學(xué)習(xí)之間的比重問題。
五、小結(jié)
根據(jù)游戲化學(xué)習(xí)的意義我們用情理的精神，利用傳統(tǒng)的文化改造虛擬游戲的不足，填補(bǔ)虛擬游戲的漏洞。
利用多元智能理論使學(xué)生能無意識(shí)的在網(wǎng)絡(luò)游戲中領(lǐng)悟、學(xué)習(xí)傳統(tǒng)文化的意義，相反傳統(tǒng)文化也在游戲中起到引導(dǎo)的作用，抑制其弊端，避免沉迷的現(xiàn)象。有機(jī)的將傳統(tǒng)文化，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，學(xué)生的意識(shí)結(jié)合到一起。三維一體的立體式隱性學(xué)習(xí)模式。
改變“填鴨式”教學(xué)，使學(xué)習(xí)成為一場有趣的游戲，從學(xué)習(xí)中感受快樂，使人們不再是對(duì)游戲成“癮”，而是對(duì)學(xué)習(xí)成“癮”。
Italian Conference Sensors
and Microsystems
2008, 563pp.
Hardcover
ISBN 9789812833587
G Di Francia等著
本書為第12屆意大利傳感器與微系統(tǒng)會(huì)議論文集。這次會(huì)議由意大利傳感器與微系統(tǒng)協(xié)會(huì)于2007年2月12-14日在Napoli城鎮(zhèn)舉行。本書收錄了本次會(huì)議上的近80篇論文,為傳感器與微系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供了一個(gè)獨(dú)特的視角。
傳感器與微系統(tǒng)是一門多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科,它涉及材料科學(xué)、化學(xué)、應(yīng)用物理、電子工程、生物技術(shù)等許多領(lǐng)域。本書將收錄的79篇論文依據(jù)其所屬的不同領(lǐng)域共分為9個(gè)部分:1.生物傳感器,包含用于血糖生物傳感器的敏感元件的制備與特性等10篇文章;2.生理參數(shù)監(jiān)測(cè),包含了對(duì)一種用于糖尿病人呼吸標(biāo)志物檢測(cè)的氧化銦傳感器的研究等4篇文章;3.氣體傳感器,包含用多孔硅推動(dòng)硅技術(shù)的極限:一種CMOS氣體敏感芯片、用基于碳納米管的納米復(fù)合層涂覆的薄膜體聲波諧振器制成的蒸汽傳感器、飲水機(jī)中水和酒精蒸發(fā)速率的檢測(cè)等15篇文章;4.液相傳感器,包括用于水和空氣環(huán)境化學(xué)檢測(cè)的基于二氧化錫顆粒層的光纖傳感器等4篇文章;5.化學(xué)傳感器陣列和網(wǎng)絡(luò),包含了一個(gè)用于易揮發(fā)性有機(jī)化合物分析的多通道的石英晶體微天平、一種用于酒質(zhì)量分析的新型便攜式微系統(tǒng)的發(fā)展等9篇文章;6.微制造與微系統(tǒng),包括通過實(shí)驗(yàn)研究濕多孔硅的拉曼散射現(xiàn)象、多孔硅上高流速滲透膜在氫過濾裝置中的應(yīng)用等13篇文章;7.光學(xué)傳感器與微系統(tǒng),包括金屬包層的漏波導(dǎo)化學(xué)和生化傳感應(yīng)用、結(jié)構(gòu)光纖布拉格柵傳感器:前景與挑戰(zhàn)等14篇文章;8.物理傳感器,包括通過多像素的光子計(jì)數(shù)快速閃爍讀出等6篇文章;9.系統(tǒng)和電子接口,包括能夠估計(jì)并聯(lián)電容值的非校準(zhǔn)的高動(dòng)態(tài)范圍電阻傳感器前端等4篇文章。
本書介紹了傳感器與微系統(tǒng)在意大利的發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì),對(duì)于從事傳感器與微系統(tǒng)方面的研究人員及工程師們,它是一本十分有價(jià)值的參考讀物。
孫方敏,
博士生
這個(gè)突破性的研究揭示了篩器蜘蛛（Uloborus Walckenaerius）的捕捉絲的方向集水效應(yīng)，提出了“多協(xié)同效應(yīng)”機(jī)制，為新型仿生集水材料研究提供思想理論基礎(chǔ)。
1、引言
高級(jí)別的質(zhì)量檢測(cè)需要在高質(zhì)量的環(huán)境中進(jìn)行。溫度和濕度是環(huán)境的重要參數(shù)，對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)環(huán)境的重要手段。為了避免人為干擾環(huán)境和提高效率，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是一種有效的方法。目前的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用以太網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊或zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)[ 1-6]。但是，以太網(wǎng)是有線傳輸，需布線，受地理環(huán)境影響較大；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的傳輸誤碼率高，可靠性差；zigbee是專用協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)，成本高，開發(fā)難，而且覆蓋范圍有限。本文提出一種基于GSM的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有傳輸誤碼率低、成本低及覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，并且可與監(jiān)測(cè)人員的手機(jī)綁定，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地，移動(dòng)監(jiān)測(cè)。
2、傳感器的數(shù)學(xué)模型
2.1 半導(dǎo)體溫度傳感器原理
根據(jù)PN結(jié)理論，在一定的電流模式下，PN結(jié)的正向電壓與溫度具有很好的線性關(guān)系。對(duì)于理想二極管，只要正向電壓VF大于幾個(gè)KT/q，其正向電流IF與正向電壓VF和溫度T之間的關(guān)系可表示為
(1)
式中IS 為二極管反向飽和電流， K 為波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），T 為絕對(duì)溫度（K）， q為電子電荷（1.602×10-19庫侖），
整理后，得
(2)
如前所述，晶體管的基極一發(fā)射極電壓在其集電極電流恒定條件下，可以認(rèn)為與溫度呈線性關(guān)系[7]。
2.2 阻抗型高分子濕度傳感器原理
阻抗型高分子濕度傳感器的感濕原理如下：高分子濕敏膜吸濕后，在水分子作用下，離子相互作用減弱，遷移速度增加；同時(shí)吸附的水分子使解離的離子增多，膜電阻隨濕度增加而降低，由電阻變化可測(cè)知環(huán)境濕度。阻抗型高分子濕度傳感器復(fù)阻抗與空氣相對(duì)濕度、材料配方和電極結(jié)構(gòu)都有關(guān)系： 與我有關(guān)系
(3)
其中m為叉指對(duì)數(shù)，b為單個(gè)叉指長度，n為電化學(xué)反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移數(shù)，f為法拉第常數(shù)，c*為氧化劑濃度，D為擴(kuò)散系數(shù)[8]。
但由于傳感器的材料配方、電極結(jié)構(gòu)等方面的不同，導(dǎo)致各種不同的阻抗型高分子濕度傳感器的特性曲線有較大差別，不能用統(tǒng)一的曲線來概括。
3、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用先進(jìn)的GSM無線通信技術(shù)、配合以嵌入式解決方案和數(shù)據(jù)采集等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了一種基于GSM的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
3.1 系統(tǒng)組成及功能
系統(tǒng)分為監(jiān)測(cè)中心站和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端兩個(gè)部分:監(jiān)測(cè)中心站主要有PC主機(jī)、GSM通信模塊TC35i組成（或用戶手機(jī)）；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端主要是由LPC2148ARM內(nèi)核控制器、GSM通信模塊TC35i、信號(hào)調(diào)理電路、人機(jī)接口和通信接口電路組成。監(jiān)測(cè)中心站通過GSM網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行無線遠(yuǎn)程通信,實(shí)現(xiàn)了基于GSM的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、報(bào)警、實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端主要負(fù)責(zé)采集溫度、濕度、2項(xiàng)數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)中心的命令進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。中心對(duì)收到的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，報(bào)警，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
3.2 溫度檢測(cè)電路
本系統(tǒng)采用AD公司生產(chǎn)的單片半導(dǎo)體集成模擬型溫度傳感器AD590。它具有線性度高、精度高、體積小、響應(yīng)快、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),測(cè)溫范圍為-55~+150℃。具有良好的互換性,非線性誤差為±0.3℃。此外,AD590的抗干擾能力強(qiáng),信號(hào)的傳輸距離可達(dá)100 m以上[9]。
流過器件AD590的電流(μA)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開爾文)度數(shù)：
(4)
式中，—流過器件(AD590)的電流，單位K
AD590的靈敏度為1μA/K,0℃時(shí)輸出273μA電流,每上升1℃輸出電流增加1μA ,每下降1℃輸出電流減小1μA。AD590基本測(cè)溫電路如圖2所示。
圖2 溫度檢測(cè)電路
3.3 濕度監(jiān)測(cè)電路
系統(tǒng)采用CHR-01型阻抗型高分子濕度傳感器，其復(fù)阻抗與空氣相對(duì)濕度成指數(shù)關(guān)系。其基本特性為：工作電壓1V AC（50Hz ～ 2 K Hz），檢測(cè)范圍20%～ 90% RH，檢測(cè)精度±5%，工作溫度范圍0℃～＋85℃，特征阻抗范圍21 ～ 40.5KΩ。濕度傳感器阻抗變化與溫度有關(guān)，其關(guān)系見規(guī)格書中濕度阻抗特性數(shù)據(jù)表，通常先檢測(cè)溫度，然后按阻抗查表獲得濕度值。由于直流電壓可使水分子電離，加速老化，所以采用交流電壓測(cè)試其阻抗[10]。
將CHR-01與555構(gòu)成多諧振蕩器，通過檢測(cè)頻率，進(jìn)而獲得阻抗。濕度檢測(cè)電路如圖3所示。
圖3 濕度檢測(cè)電路
低電平表達(dá)式：
高電平表達(dá)式：
輸出頻率表達(dá)式：
(5)
利用單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行頻率測(cè)量，假設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)間為T(s)，此期間計(jì)數(shù)值為N，則被測(cè)頻率f=N/T
則CHR-01的阻抗為
(6)
其中R1與C的選擇很關(guān)鍵，電容C要選擇高精度電容，一是保證其充放電的能力，二是為了其電容值精確，更方便計(jì)算濕敏電阻的返回值。
3.4 GSM模塊
本系統(tǒng)采用西門子公司工業(yè)級(jí)GSM模塊TC35i進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。TC35i支持中英文短消息，自帶異步串行通信接口，方便與PC機(jī)和單片機(jī)接口，可傳輸語音和數(shù)據(jù)信號(hào)，通過AT命令可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，波特率可達(dá)300b/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short MessageService，短消息)，電源范圍為直流3.3～4.8V，電流消耗為空閑狀態(tài)為25mA，發(fā)射狀態(tài)平均為300mA。
3.5 微控制器LPC2148
現(xiàn)場監(jiān)測(cè)站采用了PHILIPS公司基于ARM7 TDMI-S 內(nèi)核的微控制器LPC2148作為主控制器，完成現(xiàn)場監(jiān)測(cè)站的全局控制。論文參考網(wǎng)。LPC2148內(nèi)嵌32KB 的片內(nèi)靜態(tài)RAM 和512 KB 的片內(nèi)Flash 存儲(chǔ)器，片內(nèi)集ADC、DAC 轉(zhuǎn)換器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，2 UART ,及USB2.0等多種接口。具有JTAG調(diào)試接口、方便在線調(diào)試，而且應(yīng)用電路相對(duì)簡單，開發(fā)和生產(chǎn)的成本低。芯片可以實(shí)現(xiàn)最高60 MHz 的工作頻率，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II 及人性化的人機(jī)界面的要求。大容量的內(nèi)存，方便了收發(fā)短消息時(shí)的數(shù)據(jù)緩沖。
4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用GSM無線通信模塊TC35i實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，TC35i通過AT命令來進(jìn)行控制，采用短消息方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)軟件包括現(xiàn)場監(jiān)測(cè)站軟件和監(jiān)測(cè)中心站軟件兩部分。現(xiàn)場監(jiān)測(cè)站軟件主要完成短消息收發(fā)、PDU數(shù)據(jù)協(xié)議分析、A/D轉(zhuǎn)換、串口通信及人機(jī)接口的功能，其中重點(diǎn)是短消息收發(fā)和PDU數(shù)據(jù)協(xié)議分析，這是解決現(xiàn)場監(jiān)測(cè)站與監(jiān)測(cè)中心站之間遠(yuǎn)程無線通信的關(guān)鍵。論文參考網(wǎng)。監(jiān)測(cè)中心站的短消息收發(fā)及PDU數(shù)據(jù)協(xié)議分析與現(xiàn)場監(jiān)測(cè)站軟件流程基本相同，不再贅述。
4.1 發(fā)送短消息
發(fā)送短消息的過程:首先將短消息中心號(hào)碼、對(duì)方號(hào)碼、短消息內(nèi)容編碼成PDU格式;然后計(jì)算出短消息的長度,發(fā)送AT+CMGS=〈lenghth〉〈CR〉,〈CR〉代表回車即ASCⅡ碼0x0D。等待TC35i模塊返回ASCⅡ字符“〉”,則可以將PDU數(shù)據(jù)輸入,PDU數(shù)據(jù)以〈Z〉作為結(jié)束符。短消息發(fā)送結(jié)束后模塊返回〈CRLF〉OK〈CRLF〉。發(fā)送短消息流程圖如圖4所示。
圖4 發(fā)送短消息流程圖
4.2 接收短消息
接收短消息使用定時(shí)器進(jìn)行周期性串口查詢的方式。短消息到達(dá)后,計(jì)算機(jī)可以接收到指令〈CRLF〉+CMTI:“SM”,INDEX(短消息存儲(chǔ)位置)〈CRLF〉。讀取PDU數(shù)據(jù)的AT命令為AT+CMGR=INDEX〈CRLF〉,執(zhí)行此命令后模塊返回剛剛收到的PDU格式的短消息內(nèi)容。收到PDU格式的短消息后,將這個(gè)短消息進(jìn)行解碼,解碼出短消息發(fā)送方的手機(jī)號(hào)碼、短消息發(fā)送時(shí)間、發(fā)送的短消息內(nèi)容。接收短消息流程圖如圖5所示。論文參考網(wǎng)。
圖5 接收短消息流程圖
6、結(jié)論
為了實(shí)現(xiàn)質(zhì)檢所需的優(yōu)質(zhì)環(huán)境，本文研究一種基于GSM的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了以LPC2148為核心的現(xiàn)場監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集，短消息收發(fā)及人機(jī)接口等功能，并通過GSM模塊TC35i與監(jiān)測(cè)中心站通信，接受指令并實(shí)時(shí)上傳信息，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)中心對(duì)現(xiàn)場溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)傳輸誤碼率低，通信可靠，具有很好市場前景，也為高效率遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種新方法。
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[10] 西博臣公司編寫CHR-01型阻抗型高分子濕度傳感器技術(shù)手冊(cè)
海洋占地球表面積的70%，擁有廣闊的空間和豐富的礦產(chǎn)與生物資源，在人類的活動(dòng)中占有越來越重要的地位。而在對(duì)海洋進(jìn)行的每一項(xiàng)軍事與民用開發(fā)活動(dòng)中，都離不開通信與數(shù)據(jù)傳輸作為保障。由于海水是電的導(dǎo)體，在混濁、含鹽的海水中，光波與電磁波的衰減都很大，傳播距離十分有限。只有頻率在30hz~300hz 的超低頻電磁波才能夠在海水中遠(yuǎn)距離傳播[1]，這樣的頻率范圍要求巨大的天線和發(fā)射功率，且只能實(shí)現(xiàn)從空氣到水下的單工通信。相比之下，聲波在水中的傳播特性就好得多。利用深海聲道效應(yīng)，甚至遠(yuǎn)在五千公里以外，人們也能清晰地接收到由幾磅tnt炸藥爆炸所輻射的聲信號(hào)[2]。迄今為止，聲波是在海水介質(zhì)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信唯一有效的信息載體。
在水聲數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于聲波傳播的多途效應(yīng)造成的碼間干擾是獲得高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕系K，有效的解決方法是在接收機(jī)中使用均衡器。采用傳統(tǒng)的自適應(yīng)均衡技術(shù)抑制多途效應(yīng)的影響，需要周期地發(fā)送訓(xùn)練序列，降低了水聲信道的帶寬利用率。而盲均衡技術(shù)不需要訓(xùn)練序列，可有效地提高信息的傳輸速率[3]，因此，研究相應(yīng)的盲均衡算法在水聲信道中的性能是非常必要的。
時(shí)變衰落信道水聲信道的多途效應(yīng)和多普勒效應(yīng)都很嚴(yán)重，在某些情況下，接收端和發(fā)射端之間的漂移以及傳輸介質(zhì)的改變，都會(huì)引起嚴(yán)重的相位起伏，相位在0°～360°之間隨機(jī)分布，給相干接收帶來很大的困難，必須進(jìn)行信道均衡和相位跟蹤，否則無法進(jìn)行正確的解碼。因此相干水聲通信中的載波同步與恢復(fù)對(duì)數(shù)據(jù)解調(diào)至關(guān)重要。過去人們研究一個(gè)衰落信道的均衡問題時(shí)，都是以信號(hào)載波已經(jīng)得到恢復(fù)為前提的，而且接收機(jī)的載波恢復(fù)和信道均衡分開進(jìn)行，然而這種做法對(duì)時(shí)變性很強(qiáng)的水聲信道來說是不合適的[4]。
傳統(tǒng)的cma算法性能穩(wěn)定且容易實(shí)現(xiàn)，但由于cma的代價(jià)函數(shù)中只利用了信號(hào)的幅度信息，而沒有相位信息，因此對(duì)相位而言是“盲”的[5]，難以完成載波恢復(fù)。為了克服相位誤差引起的性能下降，均衡后必須使用載波跟蹤環(huán)路來恢復(fù)載波相位。
綜上所述，載波恢復(fù)盲均衡算法的研究對(duì)提高水聲通信質(zhì)量是非常必要和有實(shí)際意義的。
二、研究現(xiàn)狀
最初解決這類問題的方案是由均衡器和一個(gè)單獨(dú)的載波跟蹤環(huán)組成[4]，如一階鎖相環(huán)(pll)。盲均衡算法與載波相位無關(guān)，因此能夠在載波恢復(fù)環(huán)路鎖定之前進(jìn)行快速的初步收斂，使信號(hào)星座較為正常，有利于進(jìn)行載波恢復(fù)和相位信號(hào)檢測(cè)[12]。
后來，由falconer提出將載波恢復(fù)系統(tǒng)和自適應(yīng)均衡器的參數(shù)調(diào)整相聯(lián)合，使二者的功能相互補(bǔ)充，從而提高相干水聲通信系統(tǒng)的性能[6]。隨后又陸續(xù)提出了一些常數(shù)模與載波恢復(fù)聯(lián)合的算法[8-10]，如文獻(xiàn)[8]中提出的修正的常數(shù)模算法(mcma)、文獻(xiàn)[11]中提出的改進(jìn)的載波恢復(fù)cma算法、他和amin提出的利用信號(hào)星座圖匹配誤差的算法[7]等。
文獻(xiàn)[13]根據(jù)16qam信號(hào)星座圖的特點(diǎn)，通過對(duì)修正的常數(shù)模算法(mcma)的性能進(jìn)行分析，在cma代價(jià)函數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，得到了一種具有相位糾正能力的誤差函數(shù)。使用該誤差函數(shù)進(jìn)行冷啟動(dòng)，算法收斂能力較強(qiáng)，收斂速度與cma接近。進(jìn)一步地，當(dāng)判決錯(cuò)誤率達(dá)到足夠低的水平時(shí)，再切換到判決導(dǎo)引算法模式，并采用判決域的方式進(jìn)行切換，降低了算法的穩(wěn)態(tài)誤差。
文獻(xiàn)[14]提出了一種用于qpsk信號(hào)的快速載波恢復(fù)常數(shù)模盲均衡算法fcrcma(fastcarrierrecoveryconstantmodulusalgorithm)。首先根據(jù)qpsk信號(hào)的特點(diǎn)和“歸一化lms算法”的思想，提出了一種能夠快速收斂的誤差函數(shù)，用所構(gòu)造的新的誤差函數(shù)代替mcma算法的誤差函數(shù)，得到了一種新的載波恢復(fù)盲均衡算法。
文獻(xiàn)[15]利用極性算法能將乘法運(yùn)算變?yōu)楸容^運(yùn)算，將多位運(yùn)算變?yōu)橐晃贿\(yùn)算的特點(diǎn)，將極性算法引入到一種基于統(tǒng)計(jì)特性均衡準(zhǔn)則的線性均衡器與判決引導(dǎo)均衡器中，并與鎖相環(huán)(phase-locked loop，pll)技術(shù)相結(jié)合，提出一種基于聯(lián)合極性迭代的載波相位恢復(fù)盲均衡算法。 該算法利用極性算法來減小計(jì)算量， 利用判決引導(dǎo)算法來減小均方誤差， 利用鎖相環(huán)技術(shù)來克服多徑衰落信道引起的載波相位旋轉(zhuǎn)，兼具了線性均衡器、判決引導(dǎo)算法、極性算法及鎖相環(huán)的優(yōu)良性能。
三、研究內(nèi)容
(1)研究水聲信道的物理特性，如傳播損失、多徑擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展等以及水聲信道的數(shù)學(xué)模型。
(2)研究抗多徑盲均衡理論的置零準(zhǔn)則和最小均方誤差準(zhǔn)則，分析兩種準(zhǔn)則下均衡器的性能。
(3)研究載波相位恢復(fù)盲均衡的原理。
(4)對(duì)經(jīng)典的載波恢復(fù)算法進(jìn)行分析研究和性能對(duì)比。
(5)針對(duì)所研究的載波恢復(fù)算法的性能缺陷進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的性能改進(jìn)(降低均方誤差、降低誤碼率、加快收斂速度或降低運(yùn)算量等)方法。
四、研究方案與路線
(1)研究幾種深海信道和淺海信道模型，分析每種信道的多途特征，確定相應(yīng)的抗碼間干擾的方法。進(jìn)一步地，分析信道引起的相位旋轉(zhuǎn)問題。
(2)研究修正的常數(shù)模算法mcma、正方形等高線算法sca、多模算法mma等代價(jià)函數(shù)，從理論上說明其完成載波相位恢復(fù)的機(jī)理。
(3)研究載波恢復(fù)盲均衡算法代價(jià)函數(shù)的凹性，了解算法是否收斂到局部最小值、能否收斂到全局最優(yōu)等。
(4)分析基于小波變換的盲均衡、基于支持向量機(jī)的盲均衡等方法的特點(diǎn)。
(5)在前面分析研究的基礎(chǔ)上，分析以上各載波恢復(fù)盲均衡算法的性能，找出其不足并提出相應(yīng)的改進(jìn)算法。
(6)通過計(jì)算機(jī)仿真檢驗(yàn)所有算法的性能。
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二、論文工作實(shí)施計(jì)劃
(一) 論文的理論、硬件要求、應(yīng)達(dá)到的程度和結(jié)果
水聲信道的物理特性，如傳播損失、多徑擴(kuò)展和多普勒擴(kuò)展等以及水聲信道的數(shù)學(xué)模型?？苟鄰矫ぞ饫碚摰闹昧銣?zhǔn)則和最小均方誤差準(zhǔn)則，載波相位恢復(fù)盲均衡的原理。對(duì)經(jīng)典的載波恢復(fù)算法進(jìn)行分析研究和性能對(duì)比。針對(duì)所研究的載波恢復(fù)算法的性能缺陷進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的性能改進(jìn)(降低均方誤差、降低誤碼率、加快收斂速度或降低運(yùn)算量等)方法，通過計(jì)算機(jī)仿真檢驗(yàn)所有算法的性能。在學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文。
(二)論文工作的具體進(jìn)度與安排
起訖日期 工作內(nèi)容和要求 備注
2010.4-7 翻閱資料，了解水聲通信的原理及特點(diǎn)
2010.7-10 翻閱資料，了解載波相位恢復(fù)和盲均衡的原理和特點(diǎn)。
2010.11-12 翻閱論文，完成開題報(bào)告。
2011.1-3研究幾種深海信道和淺海信道模型，分析每種信道的多途特征，確定相應(yīng)的抗碼間干擾的方法。進(jìn)一步地，分析信道引起的相位旋轉(zhuǎn)問題。
2011.4-6 研究修正的常數(shù)模算法mcma、正方形等高線算法sca、多模算法mma等代價(jià)函數(shù)，了解其完成載波相位恢復(fù)的機(jī)理。
