基于DPSK多载波调制技术的电气测温技术的研究

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(1.南京工程学院电力工程学院，江苏 南京 211167；2.空间物理重点实验室，北京 100076；3.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210095)

0 引言

近年来，随着经济的不断发展，各类电气设备发展迅速，如何实时监测电气设备各个工作室温度已经成为市场广泛关注的问题。尤其是电气设备在复杂工作环境下，工作室较多，空间狭小，工作环境恶劣，合适的总线系统成为解决此类问题的优先选项[1]。

目前国内市场上的总线系统以RS485和CAN总线为主，各类产品有其相应的优缺点，功能尚待优化。主要表现为：RS485总线成本较高，总线利用率不高，数据传输速率较低，容易产生“死锁”现象，传输失败率较大；CAN总线采用多主模块形式，相比而言有很大优化，不过仍旧存在不一致性，不可预测性以及信道阻碍等问题[2]。此类的总线产品开放性差，不同总线的产品缺乏互操作性和互换性。并且当系统中从节点的数量较多时，布线工程巨大且成本较高，也会对系统的可靠性造成影响[3]。

二总线是近些年出现的一种新型总线形式，它将供电线与信号线合二为一，实现了信号和供电共用一个总线，无需再布设电源线，并且抗干扰能力强，对现场施工布线更容易，通讯距离可以达到3 000 m[4]。而且从站节点可以无极性接入，因此在消防，仪表、传感器、工业控制等领域广泛的应用。二总线虽然具备诸多优点，但由于受制于串行数据收发的限制，导致数据传输效率低下，严重制约了它的进一步推广[5]。

本文针对以上问题，提出了一种适用于电气设备温度检测，基于DPSK多载波调制的并行二总线系统。借助于二总线架构，通过载波的方式将原有二总线串行通信方式改为并行传输，希望能有效提高系统数据的传输速率，并且提高测试实时性[6]。

1 总线系统简述

1.1 二总线结构

总线测温系统以测温传感器为基础，采用主从式结构，以1台微控计算机为主机，各测试节点为从机，以二总线为通讯方式，测温传感器模块作为测温节点负责采集电力设备各个位置的温度数据，并把数据信息传输给主机，进行实时显示统计。

温度数据由挂在二总线上的测温节点测量，经过调制后通过总线进行传输，在微控计算机的检测系统中进行解调与存储。总线系统可带载256个测温节点，根据不同的电力系统测试要求设计不同的测温传感器节点，如图1所示。

图1 二总线系统结构

1.2 并行二总线原理

目前，二总线普遍采用串行数据传输方案进行数据传输，数据是在二总线上按位依次输出，如图2所示，由于受到输出方式的限制，目前最高输出速率为9 600 bit/s。在该测温系统中，256个测温节点单个测温节点的采样率不低于50 Hz，单个测温点的采样数据有效位不低于10位。因此总线实际码速率不低于204 800 bit/s，目前二总线串行数据最高波特率仅能做到9 600 bit/s，显然无法满足多节点高速采样的数据通信要求。

图2 串行传输

本文针对本系统内相对数据发送量大，通信节点多，传送距离比较长，要求结构简单可靠的特点，提出了一种并行二总线方案，将数据位分别调制在不同频率的子载波上，多信道并行传输，不同载波叠加后可实现在多个子载波上并行数据传输，并且这些子载波通过频分、相分等多路技术共享系统宽带，如图3所示。

图3 并行传输原理

通过这种方法即可实现在二总线上实现数据的并行传输，有效提高数据传输速度。

1.3 总线系统框图

主芯片选用SP485和SP3232EC，主机采用PB620为核心的调制解调模块，通过二总线链接微控计算机和各测温节点，各个测温节点模块电路主要以PB331芯片和传感器组成。硬件原理如图4所示。

图4 二总线系统硬件原理

2 DPSK载波调制与解调

比较常用的二进制数字调制方式主要包括二进制振幅键控、二进制频移键控、二进制相移键控和二进制差分相位键控，本文主要采用的是二进制差分相位键控方式，也就是2DPSK[7-8]。

2.1 DPSK调制原理

DPSK是利用前后相邻码元的相对载波相位变化去表示基带数字信息的一种调制解调方式，DPSK信号的数学表达式为

(1)

根据载波上传递数据信息的不同进行相应的移相，对前后码元进行码变换，从而得到有相位差的信号，如图5所示。

图5 DPSK调制原理

DPSK是利用前后码元的的载波的相位变化来传输数字信号的，对基带信号进行差分编码，把绝对码转化为相对码，用来表示二进制数字信号，再进行绝对调相。

DPSK的调制过程如图6所示，DPSK的前后码元相对相位差决定了所传输的数字信号，即只要判定前后信号的相位差就可以读出数字信号，这种特点可以有效预防倒π的现象，同时要对数字信号进行预处理。

图6 DPSK调制过程

2.2 DPSK解调原理

DPSK的解调方式主要有相干解调方式和差分解调[9]。相干解调其解调是对DPSK信号进行相干解调，恢复出相对码，再通过码反变换器变换为绝对码，从而恢复出发送的二进制数字信息，调制过程如图7所示。码变换器是用来完成绝对码波形到相对码波形变换的。在解调过程中，即使相干载波产生180°相位模糊，使得解调出的相对码产生倒置现象，但是经过码反变换器后，输出的绝对码不会发生任何倒置现象，从而解决了载波相位模糊度的问题。

图7 相干解调方式

差分解调是是利用延迟一个码元周期的前一个时刻信号的延迟信号，与现时刻正在通过接收系统的同向信号和完成π/2相移的正交信号分别相乘，形成的2路信号再经过滤波和采样处理，进一步对获得的结果完成判决，最终得出所需数据，原理如图8所示。

图8 DPSK差分解调原理

设信号幅值为1，可以假设在某个间隔内观察中频MPSK信号时，则MPSK信号可表示为

SMPSK=cos(2Πfct+φk+φ0)

(2)

fc为载波频率；φ0为信号的初始相位；φk取值可取2个值。

从信号处理原理框图可知，进入处理系统的前一时刻的采样信号Sk-1(t)=cos(2Πfct+φ0+φk-1)，通过延迟器后分别与下一时刻进入系统的信号cos(2Πfct+φk+φ0)和完成π/2相移的正交信号sin(2Πfct+φk+φ0)两个支路的信号相乘，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)

经过滤波器后，获得前后相邻时刻的相位差信息，得到：

(5)

(6)

根据DPSK和QPSK信号的调制规则，结合对差分系统处理得到的2路数据I路和Q路的值判断，就可以完成信号识别的整个过程[10]。

本文的测温系统利用DPSK调制方法将数字信号调制在载波信号上，使用FPGA的树型结构进行串并转换，形成了基于DPSK的多载波调制的二总线传输方法。该方法有误码性能较好，抗干扰能力较强等优点，可以高效完成信号的调制，传输以及解调的过程[11]。

3 串行转并行电路实现

现利用不同频率的多条正弦波作为多条子载波，由于正处于理论验证阶段，现采用8条频率不同的子载波，即8条并行通道。

串并转换电路采用多路分配器即DEMUX的树型结构，使电路获得较高转换速度，在时钟的上升和下降沿采样，充分利用了时钟周期。多路分配器的原理如图9所示。

图9 树形结构原理

由图9可知，串行信号输入第一级DEMUX，受时钟上升和下降沿触发，输出2路信号，由于2路信号不同步，所以在第一级后插入1个D触发器作为缓冲电路，由时钟触发。从缓冲电路输出的信号a0和a1实现同步。这2个信号经过第二级DEMUX后又分别被分成2路，即a00和a01，以及a10和a11。这4路信号经过第三级DEMUX后输出8路并行信号，Q0～Q7为8路并行传输通道[12-13]。

4 方法验证

并行数据传输技术向来是提高数据传输率的重要手段，但是，进一步发展却遇到了障碍。首先，由于并行传送方式的前提是用同一时序传播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达，另外，提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰，导致传输错误，因此，并行方式难以实现高速化。本文在控制一定的时钟频率下将原有的串行总线传输方式改为并行，在一定程度上可以提高其传输速率[14-15]。

4.1 实验结果

搭建总线测温系统，设置5个测温节点，对环境温度进行测试，测试结果传输到PC端上位机进行显示存储，结果如表1所示。

由表1实验数据得知，5个点的测量温差由公式测得平均值为

样本平均偏差为

表1 节点温度测试结果

由以上数据得知，系统采集的数据与环境实际温度样本平均差仅为0.04。

系统共进行5次试验，以室内温度27 ℃为真实温度进行测量，计算各次试验的平均数据与平均偏差，统计结果如表2所示

表2 5次试验数据偏差统计

由表2可知，在进行多次多组试验后发现，本测温系统测得数据正确率较高，偏差较小。

4.2 数据仿真

图10为信号调制前的基带信号，经过差分编码，通过DPSK调制在以下的正弦载波中，各并行传输的信号也分别进行调制在频率不同的正弦载波中进行并行传输。

图10 调制前信号图形

数字经过差分编码后转换为相对码来表示二进制信号，并进行绝对调相。如图11所示，信号经过带通滤波器后，允许一定范围内频率的信号通过，起到选频的作用，再通过相乘器，把绝对码转换成相对码来表示二进制信号，随后通过低通滤波器，除去高频信号后输出。

图11 调制图形

图12是将数字信号经过调制后的信号，存在一定的噪音信号，并将其输出。由图12可见，噪声会引起信号的波动变化。

信号经过解调得到差分信号，并进行码变换输出，如图13所示。

由图13可以发现，解调得到的差分信号与输入的调制前的基带信号基本一致，由此可见通过2DPSK调制解调过程，在进行串转并后，能够在总线上不失真地进行传输，可以证明该调制方式在多载波中是可行的。

图12 加噪仿真

图13 解调图形

5 结束语

本文针对电气设备测温时面对多节点、环境复杂、同时性测量的问题，通过引入测温传感器模块，采用了一种基于FPGA的树型并行算法，从而设计出一套基于DPSK的多载波调制的总线测温系统，实现了以下功能：

a.将DPSK调制方式应用在本系统中，完成了信号调制的功能，可减小信号传输中产生的码间干扰，通过系统仿真，该调制方式更为稳定，数据错误率较低。

b.设计了FPGA树形机构设计串并转换电路，良好地应用在总线结构中，有效提高系统的数据传输速率，同时各节点通过地址进行区分，进行模块化应用，系统机构简明，具有良好的工程可实现性。

本文关于多路调制的总线测温的实现思想，也可以更广泛地应用到其他的测试技术领域，进行例如测转速、速度等指标的测量，需要修改节点测试模块的传感器部分，应用领域较为广泛。