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，隨著經濟的不斷發展，各類電氣設備發展迅速，如何實時監測電氣設備各個工作室溫度已經成為市場廣泛關注的問題。尤其是電氣設備在復雜工作環境下，工作室較多，空間狹小，工作環境惡劣，合適的總線系統成為解決此類問題的優先選項[1]。

目前國內市場上的總線系統以RS485和CAN總線為主，各類產品有其相應的優缺點，功能尚待優化。主要表現為：RS485總線成本較高，總線利用率不高，數據傳輸速率較低，容易產生“死鎖”現象，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]。此類的總線產品開放性差，不同總線的產品缺乏互操作性和互換性。并且當系統中從節點的數量較多時，布線工程巨大且成本較高，也會對系統的可靠性造成影響[3]。

二總線是近些年出現的一種新型總線形式，它將供電線與信號線合二為一，實現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]。而且從站節點可以無極性接入，因此在消防，儀表、傳感器、工業控制等領域廣泛的應用。二總線雖然具備諸多優點，但由于受制于串行數據收發的限制，導致數據傳輸效率低下，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。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數據的傳輸速率，并且提高測試實時性[6]。

1 總線系統簡述

1.1 二總線結構

總線測溫系統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點負責采集電力設備各個位置的溫度數據，并把數據信息傳輸給主機，進行實時顯示統計。

溫度數據由掛在二總線上的測溫節點測量，經過調制后通過總線進行傳輸，在微控計算機的檢測系統中進行解調與存儲。總線系統可帶載256個測溫節點，根據不同的電力系統測試要求設計不同的測溫傳感器節點，如圖1所示。

圖1 二總線系統結構

1.2 并行二總線原理

目前，二總線普遍采用串行數據傳輸方案進行數據傳輸，數據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。在該測溫系統中，256個測溫節點單個測溫節點的采樣率不低于50 Hz，單個測溫點的采樣數據有效位不低于10位。因此總線實際碼速率不低于204 800 bit/s，目前二總線串行數據最高波特率僅能做到9 600 bit/s，顯然無法滿足多節點高速采樣的數據通信要求。

圖2 串行傳輸

本文針對本系統內相對數據發送量大，通信節點多，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，將數據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在多個子載波上并行數據傳輸，并且這些子載波通過頻分、相分等多路技術共享系統寬帶，如圖3所示。

圖3 并行傳輸原理

通過這種方法即可實現在二總線上實現數據的并行傳輸，有效提高數據傳輸速度。

1.3 總線系統框圖

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點，各個測溫節點模塊電路主要以PB331芯片和傳感器組成。硬件原理如圖4所示。

圖4 二總線系統硬件原理

2 DPSK載波調制與解調

比較常用的二進制數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字信息的一種調制解調方式，DPSK信號的數學表達式為

(1)

根據載波上傳遞數據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的數字信號，即只要判定前后信號的相位差就可以讀出數字信號，這種特點可以有效預防倒π的現象，同時要對數字信號進行預處理。

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，從而恢復出發送的二進制數字信息，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，即使相干載波產生180°相位模糊，使得解調出的相對碼產生倒置現象，但是經過碼反變換器后，輸出的絕對碼不會發生任何倒置現象，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，與現時刻正在通過接收系統的同向信號和完成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，最終得出所需數據，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DPSK和QPSK信號的調制規則，結合對差分系統處理得到的2路數據I路和Q路的值判斷，就可以完成信號識別的整個過程[10]。

本文的測溫系統利用DPSK調制方法將數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

現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，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觸發器作為緩沖電路，由時鐘觸發。從緩沖電路輸出的信號a0和a1實現同步。這2個信號經過第二級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

并行數據傳輸技術向來是提高數據傳輸率的重要手段，但是，進一步發展卻遇到了障礙。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據傳送的時序與時鐘合拍，布線長度稍有差異，數據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，設置5個測溫節點，對環境溫度進行測試，測試結果傳輸到PC端上位機進行顯示存儲，結果如表1所示。

由表1實驗數據得知，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 節點溫度測試結果

由以上數據得知，系統采集的數據與環境實際溫度樣本平均差僅為0.04。

系統共進行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據與平均偏差，統計結果如表2所示

表2 5次試驗數據偏差統計

由表2可知，在進行多次多組試驗后發現，本測溫系統測得數據正確率較高，偏差較小。

4.2 數據仿真

圖10為信號調制前的基帶信號，經過差分編碼，通過DPSK調制在以下的正弦載波中，各并行傳輸的信號也分別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

數字經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是將數字信號經過調制后的信號，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可以發現，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點、環境復雜、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，實現了以下功能：

a.將DPSK調制方式應用在本系統中，完成了信號調制的功能，可減小信號傳輸中產生的碼間干擾，通過系統仿真，該調制方式更為穩定，數據錯誤率較低。

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，有效提高系統的數據傳輸速率，同時各節點通過地址進行區分，進行模塊化應用，系統機構簡明，具有良好的工程可實現性。

本文關于多路調制的總線測溫的實現思想，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，需要修改節點測試模塊的傳感器部分，應用領域較為廣泛。