袁家棟，殷興輝

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基于串口的高速信號(hào)傳輸

袁家棟，殷興輝

摘要：隨著現(xiàn)代通信的高速發(fā)展，太陽活動(dòng)對(duì)于地球通信系統(tǒng)的影響也受到了廣泛的關(guān)注。太陽活動(dòng)爆發(fā)信號(hào)有著頻率高，持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，不易被觀察到。因此，提出了一種基于串口的高速傳輸方式，并實(shí)際測(cè)試了這種方式的實(shí)現(xiàn)可能性。

關(guān)鍵詞：太陽射電；串口；MSP430

殷興輝（1962-），男，河海大學(xué)，計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，教授，研究方向：射頻與通信系統(tǒng)，電子與通信工程，南京，210098

0　引言

太陽射電研究基本上有三種不同性質(zhì)的成分：寧靜太陽射電、太陽緩變射電和太陽射電爆發(fā)。它們分別起源于寧靜太陽大氣、其局部亮區(qū)（局部源）以及像太陽耀斑之類的瞬變擾動(dòng)[1]。其中太陽射電爆發(fā)是當(dāng)太陽有強(qiáng)烈的擾動(dòng)時(shí)（如耀斑爆發(fā)）產(chǎn)生的一種強(qiáng)度很高的太陽射電。這種劇烈的太陽活動(dòng)不僅會(huì)影響地球的氣候和天氣，也會(huì)影響地球的輻射帶，引起磁暴和磁亞暴，對(duì)各種技術(shù)系統(tǒng)包括雷達(dá)、通信、導(dǎo)航系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的威脅。因此對(duì)太陽活動(dòng)以及太陽規(guī)律的監(jiān)測(cè)是有必要的，它與人類生產(chǎn)生活的各個(gè)方面息息相關(guān)。但是太陽活動(dòng)爆發(fā)信號(hào)頻率高，持續(xù)時(shí)間短，需要一定的傳輸速度才能捕捉到太陽爆發(fā)的信號(hào)。因此，本文提出了用串口傳輸高速的太陽活動(dòng)信號(hào)的方法，并做了一些測(cè)試。

1　太陽射電爆發(fā)

太陽射電爆發(fā)通常發(fā)生在太陽耀斑期間，它攜帶著爆發(fā)源區(qū)的物理環(huán)境以及輻射機(jī)制等諸多重要信息，尤其是微波爆發(fā)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，持續(xù)時(shí)間短、變化快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以反映重聯(lián)過程復(fù)雜的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、高能粒子運(yùn)動(dòng)等許多特征。它發(fā)生在與活動(dòng)區(qū)有關(guān)的日面局部區(qū)域﹐與寧靜太陽整個(gè)表面輻射相比﹐爆發(fā)時(shí)的輻射流量可以從百分之幾到幾十萬倍以上﹐輻射增強(qiáng)的特徵時(shí)間從1秒（如微波脈沖爆發(fā)和米波Ⅲ型爆發(fā)）到數(shù)日之久（如米波噪暴）。

按爆發(fā)的頻段分為微波爆發(fā)﹑分米波爆發(fā)﹑米波爆發(fā)（包括十米波爆發(fā)）。根據(jù)射電輻射在太陽大氣中的傳播特性﹐可以確定各頻段射電爆發(fā)來自太陽大氣的不同高度﹕微波爆發(fā)來自色球－日冕過渡層﹐與耀斑發(fā)生區(qū)域相銜接﹔米波爆發(fā)則來自日冕層。太陽射電爆發(fā)頻譜非常寬，從幾十KHz到幾十GHz都包含在內(nèi)。本文主要傳輸?shù)皖l段信號(hào)，其脈沖信號(hào)前沿為10μs，脈寬2ms。如果串口的傳輸速率大于100kbps，就可以滿足信號(hào)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2　硬件及串口選擇

2.1單片機(jī)選擇

本文采用了美國(guó)德州儀器公司（TI）推出的MSP430F149微處理器，其集成了16位RISC結(jié)構(gòu)CPU，外設(shè)和靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，通過將多種外設(shè)模塊集成至MSP430內(nèi)部并與高性能的CPU合作，可為混合信號(hào)處理應(yīng)用提供完善的解決方案[2]。同時(shí)本文設(shè)計(jì)考慮了低功耗要求，系統(tǒng)整體對(duì)CPU的要求并不高，而具有低電壓工作模式的MSP430單片機(jī)在1MHz頻率驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)工作模式下的工作電流僅為330μA。

2.2串口及電平轉(zhuǎn)換芯片選擇

單片機(jī)需要與天文射電望遠(yuǎn)鏡和PC上位機(jī)進(jìn)行雙向通信，因此要選用匹配的通信接口進(jìn)行通信，本文選用的是RS-232通訊接口。

RS-232是標(biāo)準(zhǔn)化的采取單端通信方式進(jìn)行傳輸?shù)拇薪涌赱3]。本文采用RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)，C代表了RS-232的最新一次修改。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制[4]。例如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。具體通訊距離還與通信速率有關(guān)。例如，在9600pbs時(shí)，普通雙絞屏蔽線時(shí)，距離可達(dá)30-35米。

RS-232-C并未定義連接器的物理特性，因此出現(xiàn)了各種類型的連接器。常用的連接器接口圖如圖1所示：

圖1　DB9引腳圖

圖1中CD引腳為載波檢出，用于確認(rèn)是否收到載波；TXD為數(shù)據(jù)輸出線；RXD為數(shù)據(jù)輸入線；DTR引腳可以告知數(shù)據(jù)終端處于待命狀態(tài)；SG為信號(hào)的接地線；DSR可以告知本機(jī)在待命狀態(tài)；RTS引腳可以要求發(fā)送信號(hào)；CTS引腳可以回應(yīng)RTS，告訴可以發(fā)送。

完成RS-232通信必須要通過接口轉(zhuǎn)換芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)換為與上位機(jī)串口匹配的電平。這里我們采用MAX3232芯片來進(jìn)行RS-232電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以此來完成單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。MAX3232與串口連接電路如圖2所示：

圖2　MAX3232與RS232連接電路圖

MAX3232采用專有低壓差發(fā)送器輸出級(jí)，利用雙電荷泵在3.0V至5.5V電源供電時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS-232性能，器件僅需四個(gè)0.1uF的外部小尺寸電荷泵電容[5]。MAX3232確保在120kbps數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保持RS-232輸出電平。

MAX3232具有二路接收器和二路驅(qū)動(dòng)器，提供1μA關(guān)斷模式，有效降低功效并延遲便攜式產(chǎn)品的電池使用壽命。關(guān)斷模式下，接收器保持有效狀態(tài)，對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，僅消耗1μA電源電流，MAX3232的引腳、封裝和功能分別與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MAX242和MAX232兼容。

MAX3232在最差工作條件下能夠保證120kbps的數(shù)據(jù)速率。通常情況下，能夠工作于235kbps數(shù)據(jù)速率，發(fā)送器可并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多個(gè)接收器和鼠標(biāo)。

整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)使用的是主從式串行總線型，PC 機(jī)采用的是自返回方式接收

數(shù)據(jù)，中斷方式發(fā)送數(shù)據(jù)。在設(shè)置過程中應(yīng)將 PC 機(jī)與單片機(jī)的波特率設(shè)置成相同的。自返回的過程為：等待—數(shù)據(jù)發(fā)送，等到下次數(shù)據(jù)傳送時(shí)則重復(fù)此過程。通信方式采用異步串行通信方式。使用 RS-232 異步串行口用一根電纜將 PC 機(jī)與單片機(jī)的串口進(jìn)行相連，轉(zhuǎn)換過程應(yīng)遵循協(xié)議內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而完成單片機(jī)與 PC 機(jī)的串行通信。

3　實(shí)際測(cè)試

3.1最大傳輸速率

為了確定該方法是否能夠滿足實(shí)際需求，首先需要對(duì)串口的最大傳輸速率做一個(gè)測(cè)試。

理論上，在以PC機(jī)作為參考的前提下，若用RS-232接口編程做RS-485通訊，自行編程的最大傳輸速率是230400bps。但是由于PC機(jī)軟件和硬件的限制，是達(dá)不到這個(gè)速率的。

為了確定實(shí)際的最大傳輸速率，本文做了大量的實(shí)驗(yàn)。具體是使單片機(jī)重復(fù)將11、bb通過串口發(fā)送給上位機(jī)，在上位機(jī)通過串口軟件接收。通過設(shè)置單片機(jī)的UART寄存器調(diào)節(jié)發(fā)送的波特率，從2400bps開始按標(biāo)準(zhǔn)波特率開始逐次增加，直到出現(xiàn)亂碼。發(fā)現(xiàn)最大傳輸速率在115200bps至230400bps之間，采用二分法迅速確定了最大傳輸速率在160800bps左右。這個(gè)速率使能夠滿足太陽活動(dòng)信號(hào)對(duì)于高速傳輸?shù)男枨蟆５荝S-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此傳輸距離對(duì)傳輸速度會(huì)有影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的是1米長(zhǎng)的普通雙絞線，在這個(gè)傳輸距離，最大傳輸速度為160800bps。保持160kbps速率，增加傳輸距離到15米時(shí)，開始出現(xiàn)亂碼。此時(shí)要保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，就必須降低傳輸?shù)牟ㄌ芈省Ｔ?0米時(shí)，最大傳輸速率降為115kbps。因此要到達(dá)160kbps，傳輸距離要小于15米。本方法中各器件之間的距離不超過10米，所以最高波特率可以達(dá)到160kbps。

3.2誤碼率測(cè)試

誤碼率的測(cè)試具體為：設(shè)置單片機(jī)UART波特率為160800，單片機(jī)向串口循環(huán)發(fā)送字符11、bb五萬次，在上位機(jī)用串口工具接收。若單片機(jī)發(fā)送字節(jié)數(shù)n1，串口工具顯示的接收字節(jié)數(shù)n2，則誤碼率W=（n1-n2）/n1。其中一次測(cè)試結(jié)果如圖3所示：

圖3　誤碼率測(cè)試

一共做了10次上述測(cè)試，兩次接收數(shù)為9999，其余為100000，根據(jù)公式誤碼率為50萬分之一，遠(yuǎn)小于萬分之一的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3穩(wěn)定性測(cè)試

當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10小時(shí)后，按之前測(cè)試誤碼率的方法測(cè)試誤碼率，如果誤碼率在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，則穩(wěn)定性良好。

保持單片機(jī)和串口一直處于發(fā)送和傳輸狀態(tài)10個(gè)小時(shí)后，測(cè)試10組數(shù)據(jù)，所得誤碼率并沒有明顯變化，依舊為50萬分之一，符合要求。所以此方法連續(xù)工作一定時(shí)間內(nèi)，其穩(wěn)定性都是可靠的。

4　總結(jié)

從以上的實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論，這個(gè)方法是可以滿足太陽射電信號(hào)對(duì)于信號(hào)傳輸速度的要求的。同時(shí)，傳輸距離和超長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作等問題需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：（2015.03.15）

作者簡(jiǎn)介：袁家棟（1991-），男，河海大學(xué)，碩士研究生，研究方向：信號(hào)與信息處理，南京，211100

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11173010）

文章編號(hào)：1007-757X(2015)12-0001-02

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A