基于串口的高速信號傳輸

袁家棟，殷興輝

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基于串口的高速信號傳輸

袁家棟，殷興輝

摘要：隨著現代通信的高速發展，太陽活動對于地球通信系統的影響也受到了廣泛的關注。太陽活動爆發信號有著頻率高，持續時間短等特點，不易被觀察到。因此，提出了一種基于串口的高速傳輸方式，并實際測試了這種方式的實現可能性。

關鍵詞：太陽射電；串口；MSP430

殷興輝（1962-），男，河海大學，計算機與信息學院，教授，研究方向：射頻與通信系統，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的成分：寧靜太陽射電、太陽緩變射電和太陽射電爆發。它們分別起源于寧靜太陽大氣、其局部亮區（局部源）以及像太陽耀斑之類的瞬變擾動[1]。其中太陽射電爆發是當太陽有強烈的擾動時（如耀斑爆發）產生的一種強度很高的太陽射電。這種劇烈的太陽活動不僅會影響地球的氣候和天氣，也會影響地球的輻射帶，引起磁暴和磁亞暴，對各種技術系統包括雷達、通信、導航系統帶來嚴重的威脅。因此對太陽活動以及太陽規律的監測是有必要的，它與人類生產生活的各個方面息息相關。但是太陽活動爆發信號頻率高，持續時間短，需要一定的傳輸速度才能捕捉到太陽爆發的信號。因此，本文提出了用串口傳輸高速的太陽活動信號的方法，并做了一些測試。

1　太陽射電爆發

太陽射電爆發通常發生在太陽耀斑期間，它攜帶著爆發源區的物理環境以及輻射機制等諸多重要信息，尤其是微波爆發的精細結構，持續時間短、變化快、結構復雜，可以反映重聯過程復雜的磁場結構、高能粒子運動等許多特征。它發生在與活動區有關的日面局部區域﹐與寧靜太陽整個表面輻射相比﹐爆發時的輻射流量可以從百分之幾到幾十萬倍以上﹐輻射增強的特徵時間從1秒（如微波脈沖爆發和米波Ⅲ型爆發）到數日之久（如米波噪暴）。

按爆發的頻段分為微波爆發﹑分米波爆發﹑米波爆發（包括十米波爆發）。根據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來自太陽大氣的不同高度﹕微波爆發來自色球－日冕過渡層﹐與耀斑發生區域相銜接﹔米波爆發則來自日冕層。太陽射電爆發頻譜非常寬，從幾十KHz到幾十GHz都包含在內。本文主要傳輸低頻段信號，其脈沖信號前沿為10μs，脈寬2ms。如果串口的傳輸速率大于100kbps，就可以滿足信號傳輸的要求。

2　硬件及串口選擇

2.1單片機選擇

本文采用了美國德州儀器公司（TI）推出的MSP430F149微處理器，其集成了16位RISC結構CPU，外設和靈活的時鐘系統，通過將多種外設模塊集成至MSP430內部并與高性能的CPU合作，可為混合信號處理應用提供完善的解決方案[2]。同時本文設計考慮了低功耗要求，系統整體對CPU的要求并不高，而具有低電壓工作模式的MSP430單片機在1MHz頻率驅動的主動工作模式下的工作電流僅為330μA。

2.2串口及電平轉換芯片選擇

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

RS-232是標準化的采取單端通信方式進行傳輸的串行接口[3]。本文采用RS-232-C標準，C代表了RS-232的最新一次修改。RS-232-C標準規定，驅動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制[4]。例如，采用150pF/m的通信電纜時，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以內的通信。具體通訊距離還與通信速率有關。例如，在9600pbs時，普通雙絞屏蔽線時，距離可達30-35米。

RS-232-C并未定義連接器的物理特性，因此出現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，用于確認是否收到載波；TXD為數據輸出線；RXD為數據輸入線；DTR引腳可以告知數據終端處于待命狀態；SG為信號的接地線；DSR可以告知本機在待命狀態；RTS引腳可以要求發送信號；CTS引腳可以回應RTS，告訴可以發送。

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

圖2　MAX3232與RS232連接電路圖

MAX3232采用專有低壓差發送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0V至5.5V電源供電時能夠實現真正的RS-232性能，器件僅需四個0.1uF的外部小尺寸電荷泵電容[5]。MAX3232確保在120kbps數據速率，同時保持RS-232輸出電平。

MAX3232具有二路接收器和二路驅動器，提供1μA關斷模式，有效降低功效并延遲便攜式產品的電池使用壽命。關斷模式下，接收器保持有效狀態，對外部設備進行監測，僅消耗1μA電源電流，MAX3232的引腳、封裝和功能分別與工業標準MAX242和MAX232兼容。

MAX3232在最差工作條件下能夠保證120kbps的數據速率。通常情況下，能夠工作于235kbps數據速率，發送器可并聯驅動多個接收器和鼠標。

整個系統硬件結構使用的是主從式串行總線型，PC 機采用的是自返回方式接收

數據，中斷方式發送數據。在設置過程中應將 PC 機與單片機的波特率設置成相同的。自返回的過程為：等待—數據發送，等到下次數據傳送時則重復此過程。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 機與單片機的串口進行相連，轉換過程應遵循協議內容進行轉換，從而完成單片機與 PC 機的串行通信。

3　實際測試

3.1最大傳輸速率

為了確定該方法是否能夠滿足實際需求，首先需要對串口的最大傳輸速率做一個測試。

理論上，在以PC機作為參考的前提下，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機軟件和硬件的限制，是達不到這個速率的。

為了確定實際的最大傳輸速率，本文做了大量的實驗。具體是使單片機重復將11、bb通過串口發送給上位機，在上位機通過串口軟件接收。通過設置單片機的UART寄存器調節發送的波特率，從2400bps開始按標準波特率開始逐次增加，直到出現亂碼。發現最大傳輸速率在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。這個速率使能夠滿足太陽活動信號對于高速傳輸的需求。但是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此傳輸距離對傳輸速度會有影響。實驗時使用的是1米長的普通雙絞線，在這個傳輸距離，最大傳輸速度為160800bps。保持160kbps速率，增加傳輸距離到15米時，開始出現亂碼。此時要保證傳輸的穩定性，就必須降低傳輸的波特率。在30米時，最大傳輸速率降為115kbps。因此要到達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到160kbps。

3.2誤碼率測試

誤碼率的測試具體為：設置單片機UART波特率為160800，單片機向串口循環發送字符11、bb五萬次，在上位機用串口工具接收。若單片機發送字節數n1，串口工具顯示的接收字節數n2，則誤碼率W=（n1-n2）/n1。其中一次測試結果如圖3所示：

圖3　誤碼率測試

一共做了10次上述測試，兩次接收數為9999，其余為100000，根據公式誤碼率為50萬分之一，遠小于萬分之一的標準要求。

3.3穩定性測試

當系統連續運行10小時后，按之前測試誤碼率的方法測試誤碼率，如果誤碼率在標準范圍之內，則穩定性良好。

保持單片機和串口一直處于發送和傳輸狀態10個小時后，測試10組數據，所得誤碼率并沒有明顯變化，依舊為50萬分之一，符合要求。所以此方法連續工作一定時間內，其穩定性都是可靠的。

4　總結

從以上的實驗可以得出結論，這個方法是可以滿足太陽射電信號對于信號傳輸速度的要求的。同時，傳輸距離和超長時間連續工作等問題需要進一步研究。

參考文獻

[1] 肖旺.太陽射電頻譜儀數據采集與處理平臺的研究與設計[D].西安:西安科技大學,2008.

[2] 楊平,王威.MSP430系列超低功耗單片機及應用[J].國外電子測量技術,2008,12:48-50.

[3] 吳亞楠.天線測試中天線信號的采集研究[D].石家莊:河北科技大學,2014.

[4] 潘方.RS 232串口通信在PC機與單片機通信中的應用[J].現代電子技術,2012,13:69-71.

[5] 鄒士洪.低壓異步通訊接口電路MAX3232[J].電子世界,2010,06:50-51.

收稿日期：（2015.03.15）

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

基金項目：國家自然科學基金項目（11173010）

文章編號：1007-757X(2015)12-0001-02

中圖分類號：TP274

文獻標志碼：A