1、微芯杯電子設計報告超聲數據傳輸系統隊員名單：注：主辦方胡亂出題，沒有驗證可行性。但是經 過不懈努力，基本上實現了 30 米的超聲波通信0【摘 要】本系統作品基于超聲波發射頭 T40 和超聲波接收頭 R40，利用超聲波 實現了數字信號的近距離傳輸。發射部分利用數字電路 555 產生 40k 標準的矩形 波用作載波，并采用了升壓中周，以提高發射功率，從而提高數據傳輸距離。接 收部分經過前級放大，濾波，自動增益控制，后級放大，包絡檢波，遲滯比較等 模塊，實現了數據的準確提取。MCU 采用 ARM 系列單片機 F103zet6，通過單片機 的處理，實現數據的自動發送和顯示。具有方便直觀的人機界面。系統

2、數據傳輸 誤碼率低，具有一定的使用價值。【關鍵詞】超聲波 自動增益控制 包絡檢波 stm32【Abstract】This system base on T40 and R40 which one is an ultrasonictransmitter and the other is an ultrasonic receiver. And we use the ultrasonic to achieve that digital signal can be transmission in a close range. For the radiating portion, we use IC 5

3、55 to produce the carrier signal whose frequency is 40K. At the same time, transformer is used to promote the energy which the radiating portion used. For the receiver, there are six parts in total. A preamplifier ，a filter ,an AGC model, a post-amplifier, a envelope detector, and a hysteresis compa

4、rator are all included in this system. Working with the MCU ARM F103zet6, the receiver can receive and send messages with a low bit error rate. It has practical applicability to some extent.【keyword】ultrasonic AGC envelope detector F103zet6目錄7一 方案論證及比較31.1 調制方式的選取31.2 載波信號的產生31.3 前端放大器的設計41.4 AGC 電路

5、的設計51.5 編碼方式的選擇6二 系統方案設計與參數計算72.1 系統總體方案72.2 硬件電路設計72.2.1 載波信號電路72.2.2 濾波電路設計82.2.3 包絡檢波電路設計82.3 軟件流程設計8三 測試方法及數據83.1 測試方法簡介93.2 基礎部分測試數據93.3 發揮部分測試數據9四 測試結果及分析10五 小結10六 參考文獻11一、方案論證與比較1.1 調制方式的選擇 系統要實現數字信號的發送，由于信道中干擾較大，所以必須將數字信號通過一定的方式疊加到模擬信號上，從而在信道中更好的傳輸。【方案一】采用 PSK 調制方法，利用模擬開關，使高低電平數字信號控制模 擬開關在兩個

6、相位差為 180 度的載波信號之間選擇。信號解調時采用相干解調的 方式提取出原數字信號，在進行進一步的處理。【方案二】采用 FSK 調制方法。FSK 調制方式的實現也可以采用模擬開關， 在兩個不同的頻率點之間選擇，高低電平對應的載波頻率不同。在接收端可用濾 波器來解調，調制和解調均比較方便。【方案三】采用 ASK 調制方法。ASK 調制過程實現簡單，通過數字信號與載 波信號相乘即可以實現。【方案選擇】由于我們采用的是超聲波傳輸信號，超聲波相對光速來說非常慢，環境中的多徑效應對波形的相位影響較大，故不適宜采用 PSK 調制方法。而 對于 FSK，由于超聲波發射器 T40 是采用共振模式工作的，對

7、于非 40K 的載波信 號不能引起它的共振，故而不能發出。而對于 ASK 調制方式，在高電平時有 40K 的載波信號發出，低電平時沒有信號發出。系統容易實現，且包絡檢波即可解調， 電路簡單。綜合上述，故選擇方案三。1.2 載波信號的產生 系統要實現數字信號的發送，必然需要調制，載波信號的產生就是必然的了。【方案一】采用運放 NE5532 與基本的電阻電容構成方波發生電路。該電路如 下：電路的優點是結構簡單，頻率穩定，占空比可調。【方案二】采用數字電路 555 構成基本的振蕩電路，電路如下：【方案選擇】采用運放搭建方波振蕩電路結構簡單。但是需要調制電路，才 能實現信號的調制，但是如果用數字電路

8、555，通過他的使能端 RST 即可實現調 制，電路簡單可靠。綜上，故選擇方案二。1.3 前級放大器設計由于 R40 接收到的信號為 uV 級別的小信號，所以前端放大電路就顯得十分必 要。【方案一】采用 OP07 構成前級放大器，OP07 具有極低的輸入噪聲，和極低 的偏置電壓，適宜于小信號的放大。【方案二】采用 ne5532 構成的三運放儀表放大電路，電路具有較高的輸入阻 抗和較高的共模抑制比，具有極其優異的性能。【方案三】采用運放 OP37 構成的正相放大器作為前級放大的電路，電路結構 簡單。【方案選擇】OP07 雖然具有極低的噪聲和極低的偏置電壓，但是他的轉換速 率比較低，只適宜直流信號

9、和低頻信號的放大。由 NE5532 構成的儀表放大器電 路雖然性能較高，但是電路頗為復雜。OP37 也是低噪聲運放，其偏置偏壓可以 通過引腳調節，同時它具有較高的轉換速率，完全能勝任本系統的放大任務，且 電路結構簡單。綜上,故選擇方案三。1.4 AGC 電路的選取 為了消除不同距離接收到的信號強度不同，從而影響解調的問題，故在接收部分設計了 AGC 電路。【方案一】采用 AD603 構成的寬范圍 AGC 電路來實現自動增益控制，電路如 下圖所示：【方案二】采用 VCA810 構成得 AGC 電路。如下：【方案選擇】方案一的 AGC 電路性能良好，但是結構復雜。方案二由 VCA810 加 上少量

10、的外圍器件構成性能良好的 AGC 電路，完全能滿足本系統的要求。 綜上：故選擇方案二。1.5 編碼方式的選擇【方案一】奇偶校驗編碼 采用就校驗編碼，當每一個字節中有奇數個位的數據出錯是，能夠有效檢測出，從而舍棄數據，重新接收。可以在一定程度上減少誤碼。【方案二】海明碼編碼 海明碼是一種糾錯碼，采用海明碼進行編碼，可以對數據進行糾錯，提高數據準確性，但是增加了編碼長度，對傳播速度和傳播效率有所降低。【方案三】只發送數據，不進行任何編碼。 在不出現誤碼的情況下，這種方法效率最高。【方案選擇】 經過實際傳播實驗，發現，當信道能夠傳播數據時，收到的數據基本上保持零誤碼。當信道出現誤碼的時候，誤碼率極大

11、，檢錯碼和糾錯碼均無多大作用， 當不采用任何校驗進行編碼，傳輸效率高，而且，只要信道合適，不會出現誤碼， 因此，選擇方案三。二、系統方案設計及參數計算2.1 系統總體方案2.2 硬件電路設計2.2.1 載波信號產生電路如圖所示，為 40KHz 方波振蕩電路的設計圖. f=1.443/(R2+2*R1)*c)T1=0.693*(R1+R2)*C T2=0.693*R1*C若占空比為 50%，則 R1R2;令 R2=500，C1=3200pF，解得 R1=5.4K，實際上 R1 采用滑動變阻器進行微調。2.2.2 濾波電路如圖電路采用了二階 sallen-key 高通濾波器，濾除電路中的低頻噪聲，

12、電 路圖如下：截止頻率 f=1/(2*sqrt（R1R2C1C2）)； 所以令 C1=C2=1.5nF，解得 R1=3K； R2=4K。2.2.3 包絡檢波電路設計9包絡檢波在接收電路中起著極其重要的作用，它是將電路的接收信號轉換為 我們原數字信號的關鍵。電路圖如下：載波信號的周期為 1/(40K)=0.025mS，假設電路以 1Kbps 的速率發送數字信 號，那么每個 bit 的周期為 1mS。設定電容量為 10nF，設定放電時間常數為 0.1mS. 計算可得，電阻 R1=10K。2.3 軟件流程設計2.3.1 發射端設計流程2.3.1 接收端設計流程三、測試方法及數據3.1 測試方法簡介

13、測試時，發射端利用單片機發射任意字母或者數字，在接收端接收信號并顯示在 HB12864 上，方便觀察。通過比較發射部分和接收部分的差異，從而計算出 誤碼率等參數。整機功耗的測定則是采用輸入電壓乘以輸入電流的方式來測定。 3.2 基礎部分測量數據發射距離 10m節點電壓顯示是節點溫度顯示是編輯短信長度30發射時間1S誤碼率0發射部分功耗0.6w接收部分功耗0.7w3.3 發揮部分測量數據顯示發射節點地址01傳送字符數Asdfghjkl123456傳送時間小于 1s誤碼率0傳送距離30 米發送部分整機功耗0.6w接收部分整機功耗0.7w4.測試結果及分析 通過以上數據測量以及數據處理。我們可以得出如下結論：1. 本系統較好的完成了基礎部分和發揮部分要求的各項指標， 但是