使用89C51和89C2051单片机设计数据采集与传输系统的详细资料说明

　　该数据采集与传输系统以89C51及89C2051为核心，由数据采集模块、调制解调模块、模拟信道、测试码发生器、噪声模拟器、结果显示模块等构成。在本方案中仅使用通用元器件就较好的实现了题目要求的各项指标。其中调制解调模块、噪声模拟器分别采用单片机和可编程逻辑器件实现。本数据采集与传输系统既可对8路数据进行轮检，也可设置为对一路数据单独监控。本系统硬件设计应用了EDA工具，软件设计采用了模块化的编程方法。传输码元速率为16kHz～48kHz的二进制数据流。另外，还使用了 “1”：“01”、“0”：“10”的Manchester编码方法使数据流的数据位减少，从而提高传输速率。

　　一、方案设计与论证

　　首先，我们分析一下信道与信噪比情况。本题中码元传输速率为16k波特，而信号被限定在30k～50kHz的范围内，属于典型的窄带高速率数字通信。而信噪比情况相对较好。这是因为信号带宽仅为20kHz，而噪声近似为0～43kHz（）的窄带白噪声，这样即使在信号和噪声幅度比值为1：1的情况下，带内的噪声功率仍然比较小，所以系统具有较高的信噪比。

　　方案一：

　　常用的数字调制系统有：ASK、FSK、PSK等。其中FSK具有较强的抗干扰能力，但其要求的的带宽最宽，频带利用率最低，所以首先排除。ASK理论上虽然可行，但在本题目中，由于一个码元内只包括约两个周期的载波，所以采用包络检波法难以解调，也不可行。另外，对于本题目，还可以考虑采用基带编码的方法进行传输，如HDB3码，但这种编码方法其抗干扰能力较差，因此也不太适合。

　　方案二：

　　PSK调制方式具有较强的抗干扰能力，同时其调制带宽相对也比较窄，因此我们考虑采用这种调制方式。为了简化系统，在实际实现时，我们采用了方波作为载波的PSK调制方式。当要求的数据传输速率较低（≤24kbps）时，对原始数据处理的方法如下：

　　“1”用“1010”（0相位两个周期的方波）表示；

　　“0”用“0101”（π相位两个周期的方波）表示。

　　上述调制方法能传输的最大码元速率为24kbps，当要求的数据传输速率大于24kbps时，对原始数据处理的方法如下：

　　“1”用“10”（0相位一个周期的方波）表示；

　　“0”用“01”（π相位一个周期的方波）表示。

　　同时我们为了避免PSK调制方式复杂的载波提取电路的设计，在具体设计时采用了异步传输和软件解调相结合的解调方法，即：首先利用异步传输的起始位，确定数据的初始相位，避免了PSK解调时相位的随机性；然后利用简单的软件判决进行数据的解调。这样做有以下优点：

　　1、只使用两个电平，有足够的定位信息，直流漂移较小。

　　2、信号频谱的主要部分在30k～50kHz的通带范围内，利于传输。

　　3、实现方法简单，避免了PSK解调时复杂的载波提取和位同步提取电路。

　　4、在数据速率较低时，系统具有一定的纠错能力。例如当收到1110时可判为1（1010），当收到0111时可判为0（0101）。本系统通过软件加入了自动纠错，能纠正码距为1的误码。

　　5、系统具有比较宽的数据传输范围：16kbps～48kbps。虽然在高端和低端传输速率时，已调信号的带宽已超出了信道的3dB带宽的范围，但由于已调信号的大部分能量仍然在信道的带宽范围之内，而信道噪声又比较小，所以对于正确解调影响不大。

　　在具体实现上采用单片机完成调制与解调，通信采用单片机间的串行通信来完成。这样做的好处是：

　　1、采用单片机串口通信，便于同步，定位方便。

　　2、单片机本身对于串行信号具有多次抽判的功能。

　　3、单片机可对接收到的1010四位序列进行软件判决，提高系统的抗噪性能。

　　4、系统可升级性好，可以根据需要，进行纠错编码。当信道条件改变时也能较快适应。

　　系统原理框图如下