基于DPSK多載波調制技術的電氣測溫技術的研究

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(1.南京工程學院電力工程學院，江蘇 南京 211167；2.空間物理重點實驗室，北京 100076；3.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210095)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各類電氣設備發(fā)展迅速，如何實時監(jiān)測電氣設備各個工作室溫度已經(jīng)成為市場廣泛關注的問題。尤其是電氣設備在復雜工作環(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)成為解決此類問題的優(yōu)先選項[1]。

目前國內市場上的總線系統(tǒng)以RS485和CAN總線為主，各類產(chǎn)品有其相應的優(yōu)缺點，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，不過仍舊存在不一致性，不可預測性以及信道阻礙等問題[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。并且當系統(tǒng)中從節(jié)點的數(shù)量較多時，布線工程巨大且成本較高，也會對系統(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，它將供電線與信號線合二為一，實現(xiàn)了信號和供電共用一個總線，無需再布設電源線，并且抗干擾能力強，對現(xiàn)場施工布線更容易，通訊距離可以達到3 000 m[4]。而且從站節(jié)點可以無極性接入，因此在消防，儀表、傳感器、工業(yè)控制等領域廣泛的應用。二總線雖然具備諸多優(yōu)點，但由于受制于串行數(shù)據(jù)收發(fā)的限制，導致數(shù)據(jù)傳輸效率低下，嚴重制約了它的進一步推廣[5]。

本文針對以上問題，提出了一種適用于電氣設備溫度檢測，基于DPSK多載波調制的并行二總線系統(tǒng)。借助于二總線架構，通過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，并且提高測試實時性[6]。

1 總線系統(tǒng)簡述

1.1 二總線結構

總線測溫系統(tǒng)以測溫傳感器為基礎，采用主從式結構，以1臺微控計算機為主機，各測試節(jié)點為從機，以二總線為通訊方式，測溫傳感器模塊作為測溫節(jié)點負責采集電力設備各個位置的溫度數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)信息傳輸給主機，進行實時顯示統(tǒng)計。

溫度數(shù)據(jù)由掛在二總線上的測溫節(jié)點測量，經(jīng)過調制后通過總線進行傳輸，在微控計算機的檢測系統(tǒng)中進行解調與存儲?？偩€系統(tǒng)可帶載256個測溫節(jié)點，根據(jù)不同的電力系統(tǒng)測試要求設計不同的測溫傳感器節(jié)點，如圖1所示。

圖1 二總線系統(tǒng)結構

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。在該測溫系統(tǒng)中，256個測溫節(jié)點單個測溫節(jié)點的采樣率不低于50 Hz，單個測溫點的采樣數(shù)據(jù)有效位不低于10位。因此總線實際碼速率不低于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，顯然無法滿足多節(jié)點高速采樣的數(shù)據(jù)通信要求。

圖2 串行傳輸

本文針對本系統(tǒng)內相對數(shù)據(jù)發(fā)送量大，通信節(jié)點多，傳送距離比較長，要求結構簡單可靠的特點，提出了一種并行二總線方案，將數(shù)據(jù)位分別調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現(xiàn)在多個子載波上并行數(shù)據(jù)傳輸，并且這些子載波通過頻分、相分等多路技術共享系統(tǒng)寬帶，如圖3所示。

圖3 并行傳輸原理

通過這種方法即可實現(xiàn)在二總線上實現(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，主機采用PB620為核心的調制解調模塊，通過二總線鏈接微控計算機和各測溫節(jié)點，各個測溫節(jié)點模塊電路主要以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載波調制與解調

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

2.1 DPSK調制原理

DPSK是利用前后相鄰碼元的相對載波相位變化去表示基帶數(shù)字信息的一種調制解調方式，DPSK信號的數(shù)學表達式為

(1)

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

圖5 DPSK調制原理

DPSK是利用前后碼元的的載波的相位變化來傳輸數(shù)字信號的，對基帶信號進行差分編碼，把絕對碼轉化為相對碼，用來表示二進制數(shù)字信號，再進行絕對調相。

DPSK的調制過程如圖6所示，DPSK的前后碼元相對相位差決定了所傳輸?shù)臄?shù)字信號，即只要判定前后信號的相位差就可以讀出數(shù)字信號，這種特點可以有效預防倒π的現(xiàn)象，同時要對數(shù)字信號進行預處理。

圖6 DPSK調制過程

2.2 DPSK解調原理

DPSK的解調方式主要有相干解調方式和差分解調[9]。相干解調其解調是對DPSK信號進行相干解調，恢復出相對碼，再通過碼反變換器變換為絕對碼，從而恢復出發(fā)送的二進制數(shù)字信息，調制過程如圖7所示。碼變換器是用來完成絕對碼波形到相對碼波形變換的。在解調過程中，即使相干載波產(chǎn)生180°相位模糊，使得解調出的相對碼產(chǎn)生倒置現(xiàn)象，但是經(jīng)過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發(fā)生任何倒置現(xiàn)象，從而解決了載波相位模糊度的問題。

圖7 相干解調方式

差分解調是是利用延遲一個碼元周期的前一個時刻信號的延遲信號，與現(xiàn)時刻正在通過接收系統(tǒng)的同向信號和完成π/2相移的正交信號分別相乘，形成的2路信號再經(jīng)過濾波和采樣處理，進一步對獲得的結果完成判決，最終得出所需數(shù)據(jù)，原理如圖8所示。

圖8 DPSK差分解調原理

設信號幅值為1，可以假設在某個間隔內觀察中頻MPSK信號時，則MPSK信號可表示為

SMPSK=cos(2Πfct+φk+φ0)

(2)

fc為載波頻率；φ0為信號的初始相位；φk取值可取2個值。

從信號處理原理框圖可知，進入處理系統(tǒng)的前一時刻的采樣信號Sk-1(t)=cos(2Πfct+φ0+φk-1)，通過延遲器后分別與下一時刻進入系統(tǒng)的信號cos(2Πfct+φk+φ0)和完成π/2相移的正交信號sin(2Πfct+φk+φ0)兩個支路的信號相乘，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)過濾波器后，獲得前后相鄰時刻的相位差信息，得到：

(5)

(6)

根據(jù)DPSK和QPSK信號的調制規(guī)則，結合對差分系統(tǒng)處理得到的2路數(shù)據(jù)I路和Q路的值判斷，就可以完成信號識別的整個過程[10]。

本文的測溫系統(tǒng)利用DPSK調制方法將數(shù)字信號調制在載波信號上，使用FPGA的樹型結構進行串并轉換，形成了基于DPSK的多載波調制的二總線傳輸方法。該方法有誤碼性能較好，抗干擾能力較強等優(yōu)點，可以高效完成信號的調制，傳輸以及解調的過程[11]。

3 串行轉并行電路實現(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。

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

圖9 樹形結構原理

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

4 方法驗證

并行數(shù)據(jù)傳輸技術向來是提高數(shù)據(jù)傳輸率的重要手段，但是，進一步發(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序傳播信號，用同一時序接收信號，而過分提升時鐘頻率將難以讓數(shù)據(jù)傳送的時序與時鐘合拍，布線長度稍有差異，數(shù)據(jù)就會以與時鐘不同的時序送達，另外，提升時鐘頻率還容易引起信號線間的相互干擾，導致傳輸錯誤，因此，并行方式難以實現(xiàn)高速化。本文在控制一定的時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 實驗結果

搭建總線測溫系統(tǒng)，設置5個測溫節(jié)點，對環(huán)境溫度進行測試，測試結果傳輸?shù)絇C端上位機進行顯示存儲，結果如表1所示。

由表1實驗數(shù)據(jù)得知，5個點的測量溫差由公式測得平均值為

樣本平均偏差為

表1 節(jié)點溫度測試結果

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

系統(tǒng)共進行5次試驗，以室內溫度27 ℃為真實溫度進行測量，計算各次試驗的平均數(shù)據(jù)與平均偏差，統(tǒng)計結果如表2所示

表2 5次試驗數(shù)據(jù)偏差統(tǒng)計

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

4.2 數(shù)據(jù)仿真

圖10為信號調制前的基帶信號，經(jīng)過差分編碼，通過DPSK調制在以下的正弦載波中，各并行傳輸?shù)男盘栆卜謩e進行調制在頻率不同的正弦載波中進行并行傳輸。

圖10 調制前信號圖形

數(shù)字經(jīng)過差分編碼后轉換為相對碼來表示二進制信號，并進行絕對調相。如圖11所示，信號經(jīng)過帶通濾波器后，允許一定范圍內頻率的信號通過，起到選頻的作用，再通過相乘器，把絕對碼轉換成相對碼來表示二進制信號，隨后通過低通濾波器，除去高頻信號后輸出。

圖11 調制圖形

圖12是將數(shù)字信號經(jīng)過調制后的信號，存在一定的噪音信號，并將其輸出。由圖12可見，噪聲會引起信號的波動變化。

信號經(jīng)過解調得到差分信號，并進行碼變換輸出，如圖13所示。

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

圖12 加噪仿真

圖13 解調圖形

5 結束語

本文針對電氣設備測溫時面對多節(jié)點、環(huán)境復雜、同時性測量的問題，通過引入測溫傳感器模塊，采用了一種基于FPGA的樹型并行算法，從而設計出一套基于DPSK的多載波調制的總線測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)了以下功能：

a.將DPSK調制方式應用在本系統(tǒng)中，完成了信號調制的功能，可減小信號傳輸中產(chǎn)生的碼間干擾，通過系統(tǒng)仿真，該調制方式更為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)錯誤率較低。

b.設計了FPGA樹形機構設計串并轉換電路，良好地應用在總線結構中，有效提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時各節(jié)點通過地址進行區(qū)分，進行模塊化應用，系統(tǒng)機構簡明，具有良好的工程可實現(xiàn)性。

本文關于多路調制的總線測溫的實現(xiàn)思想，也可以更廣泛地應用到其他的測試技術領域，進行例如測轉速、速度等指標的測量，需要修改節(jié)點測試模塊的傳感器部分，應用領域較為廣泛。