方案设计报告吴云志组.docx

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方案设计报告吴云志组

中国民航大学电子信息工程CDIO高级项目

项目名称：

基于光纤通信的传感器数据传输与处理系统

基于光纤通信的传感器数据传输与处理系统

方案设计报告

总14页

第1页

编号

1、设计概述

设计一套基于光纤通信的传感器数据传输与处理系统，具备离散、数字信息的传输、处理和显示控制能力。

系统主要包括基于ATMEG328P单片机的传感器信息采集模块、光电转换模块、基于DSP的信息处理模块、基于Labview的信息处理和显示模块。

通过这些模块分别实现各种功能：

传感器信息采集模块使用TMEG328P单片机实现多个传感器信息的实时采集；应用光电转换模块对电信号处理，转换成光信号用于光纤传输，接收端对应把光信号转换为电信号，传给基于DSP的信息处理模块；基于DSP的信息处理模块应用数字滤波算法对传感器信息进行处理，排除传输过程中由干扰形成的错误数据获得所需的精确测量值，同时将数据发送给PC机；PC机使用LABVIEW对就收到的数据进行后续处理和显示。

图1系统结构

2、设计方案

2.1传感器的选择

2.1.1采集信息要素的选择

对采集信息要素的选择以机舱环境监测为依据，确定为温度、湿度、气压、光照强度、磁场强度、PM2.5灰尘浓度、一氧化碳浓度共七种，基本涵盖机舱环境的所有要素，具有全面的检测能力。

另外，这样的采集信息的选择方式可以使系统具有很好的适应性，方便应用到汽车车内、火车车厢、轮船船舱甚至是厂房的环境检测。

2.1.2传感器型号的的选择

对传感器型号的选择以精度、工作方式、输出方式和成本为重要考虑要点。

（1）温度、湿度使用数字温湿度传感器AM2321一个传感器来实现采集。

AM2321数字温湿度传感器是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合型传感器。

采用专用的温湿度采集技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度集成测温元件，并与一个高性能微处理器相连接。

该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

通信方式采用单总线、标准I2C两种通信方式。

（2）气压采用BMP085气压模块。

芯片内置AD转换器，读取气压计BPM085的温度和气压并经过校正程序得到真实的气压高度，其特点有：

1.板载BMP085数字式气压传感器，内置AD转换器，支持IIC通信协议；2.模块可以测试大气气温和大气压强,PCB采用沉金工艺。

pcb尺寸18.5mm*18mm；3.支持5V/3.3V电压输入4.常用的引脚已经引出，插针为标准2.54mm。

（3）光照强度采用GY-30数字光照传感器。

采用ROHM原装BH1750FVI芯片1.供电电源：

3-5v;2.光照度范围：

0-65535lx;3.传感器内置16bitAD转换器;4.直接数字输出，省略复杂的计算，省略标定;5.不区分环境光源;6.接近于视觉灵敏度的分光特性;7.可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定。

（4）磁场强度采用GY-273HMC5883L模块（电子指南针罗盘模块、三轴磁场传感器）。

主要芯片为霍尼韦尔HMC5883L，是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。

HMC5883L包括最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°~2°的12位模数转换器.简易的I2C系列总线接口。

HMC5883L是采用无铅表面封装技术，带有16引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。

HMC5883L的所应用领域有手机、笔记本电脑、消费类电子、汽车导航系统和个人导航系统。

（5）PM2.5灰尘浓度采用夏普GP2Y1010AU0F灰尘检测传感器。

夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器采用光学传感装置，由一个红外发光二极管（IRED）和一个光电晶体管对称布局形成测量部分。

性价比高，能检测出室内空气中的灰尘和烟尘含量，是空气质量检测的优良元器件。

（6）一氧化碳浓度采用MQ-9一氧化碳可燃气体传感器。

MQ-9气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。

采用高低温循环检测方式低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0V加热）检测可燃气体甲烷、丙烷并清洗低温时吸附的杂散气体。

使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-9气体传感器对一氧化碳、甲烷、液化气的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳及可燃性的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

2.1.3传感器的安装和使用要求

由于系统的监测因素多，传感器的种类繁多，使用要求也不同。

对于安装，其中，GY-30数字光照传感器需要直接接触阳光，避免这比问题的出现；GY-273HMC5883L模块（电子指南针罗盘模块、三轴磁场传感器）需要避免电路的电磁干扰，同时也要注意不能使用金属外壳，防止屏蔽；夏普GP2Y1010AU0F灰尘检测传感器、BMP085气压模块和MQ-9一氧化碳可燃气体传感器的安装要保证空气流通性，不能密闭。

在使用上，也要考虑到控制方式和数据输出方式，其中夏普GP2Y1010AU0F灰尘检测传感器需要控制信号；数字温湿度传感器AM2321、BMP085气压模块、GY-30数字光照传感器、GY-273HMC5883L模块（电子指南针罗盘模块、三轴磁场传感器）使用IIC通信方式；夏普GP2Y1010AU0F灰尘检测传感器、MQ-9一氧化碳可燃气体传感器输出模拟信号，需要AD转换。

2.2下位机的选择

2.2.1下位机选择要求

下位机的选择要求与传感器使用要求相对应，必须满足6种传感器的控制通信实现采集7种监测要素的功能。

这就要求它具备IIC通信接口，控制端口即I/O口，2个以上A/D端口，拥有较高的运算能力。

同时应考虑到下位机与上位机的通信方式即串口通信功能。

在编译和处理上要保证完整可靠的软件环境，具有丰富的资源库便于学习和使用。

2.2.2下位机的具体选择

拟采用搭载ATMEG328P单片机的DFRduinoUNOR3控制板。

它是一块基与开放原始代码的Simplei/o平台，並且具有使用类似java,C语言的开发环境。

它的主要特点有：

DigitalI/O数字输入/输出：

0~13；AnalogI/O模拟输入/输出端：

0~5；支持USB接口协议及供电（不需外接电源）；支持ISP下载功能、支持单片机TX/RX端子；支持AREF端子；支持六組PWM端子（Pin11,Pin10,Pin9,Pin6,Pin5,Pin3）；输入电压：

接上USB时无须外部供电或外部7V~12VDC输入；输出电压：

5VDC输出和3.3VDC输出和外部电源输入。

这就保证了具备IIC通信接口，控制端口即I/O口，2个以上A/D端口，拥有较高的运算能力。

同时应考虑到下位机与上位机的通信方式即串口通信功能的选择要求。

2.3光电转换电路设计

2.3.1光电转换电路的要求

光电转换电路要实现光信号和电信号的互相转换功能，在这一基本要求的基础上，还要保证有较低的能耗、较高的灵敏度、较远的传输距离和较高的传输速率。

另外，在供电电源的要求和元件大小上要满足标准化和小型化，以此来加强系统的适应性和实用性。

2.3.2光电转换电路的优势

光纤通信具有以下主要优点：

1.容量大。

光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8~9个数量级，故所开发的容量很大。

2.衰减小。

光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里衰减要低一个数量级以上。

3.体积小，重量轻，同时有利于施工和运输。

4.防干扰性能好。

光纤不受强电干扰、电气信号干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。

综合来说，采用光纤通信可以利用其容量大、衰减小、防干扰性能好的优点实现大容量远距离适应复杂环境的通信。

尤其是在飞机和工业环境等强电复杂电磁环境下的数据通信，这也是本系统的主要特点和优势。

2.3.3光电转换电路的重要参数

系统拟采用1X9单模光收发一体模块，其重要参数如下：

1.850nmVCSEL或1310nmFP-LD；

2.1X9封装多模模块,双SC/ST光接口；

3.单电源+3.3V或+5V供电；

4.LVPECL/PECL数据接口,DC耦合；

5.完全符合ITU-TG957/958规范要求；

6.符合Telcordia（Bellcore）GR-468-CORE要求；

7.低成本、低功耗；

8.可供应符合RoHS规范要求的产品。

2.4上位机选择

2.4.1上位机选择的标准

DSP已经广泛应用于工业控制，电机控制，航天宇航控制等诸多复杂控制系统中。

由于本系统中传感器数量和数据较多，且滤波算法复杂，加之比较繁琐的逻辑顺序，所以需要一块运算速率快、性能高的DSP担任上位机执行应用数字滤波算法对传感器信息进行处理，排除传输过程中由干扰形成的错误数据获得所需的精确测量值，同时将数据发送给PC机的重要功能。

2.4.2上位机的具体选择

系统上位机拟采用TMS320F28335型数字信号处理器。

考虑到它的高速处理能力和浮点运算单的算法优越性，故选用。

它是TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。

与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。

TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出（HRPWM），12位16通道ADC。

得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。

2.4.3上下位机PC机间的通讯方式和电平转换

TMS320F28335型数字信号处理器与ATMEG328P单片机下位机通信拟使用串口通信，二者间在光电转换电路的光转电输出端使用电平转换模块实现电平的兼容。

TMS320F28335型数字信号处理器与PC机通信拟使用串口通信，直接使用RS232进行通信。

TMS320F28335型数字信号处理器电源电压的特点是，芯片内部电压（VCORE）采用CMOS电路，有2.5V、1.8V、1.2V等多种，其I/O管脚电平是3.3V的TTL，因此给这类DSP供电要用多种电源（如5V、3.3V和1.8V等，分别给I/O电源管脚和内核电源管脚供电）。

图2TMS320F28335型数字信号处理器与ATMEG328P单片机下位机、PC机的通信连接

图3TMS320F28335型数字信号处理器与ATMEG328P单片机下位机通信软件流程图

2.5通信协议

2.5.1通信数据的结构设计

TMS320F28335型数字信号处理器与ATMEG328P单片机下位机通信拟使用串口通信，TMS320F28335型数字信号处理器与PC机通信拟使用串口通信，直接使用RS232进行通信。

这两种通讯采用统一的通信协议，为此设计通信报文结构如下：

表1通信报文结构

Name

SOH

Address

STX

AppText

Suffix

BCS

BCSuffix

Size

1

7

1

0~100

1

2

1

EXP

MCU0001

...

其中SOH，Address，为报文头，主要用来控制报文的传输，STX（ASCII码值为“0x02”）为正文的开始，Suffix（ASCII码值为“0x03”）为正文的结束，之间为报文正文内容，BCS为报文的CRC校验码，BCSSuffix（ASCII码值为“0x7F”）为报文的结束。

（1）SOH：

StartOfHeader，报文开始的标志，ASCII码值为“0x01”。

（2）Address：

下指明发送报文的设备地址。

通过该字段来识别通信的双方。

2.5.2传输速率的设计分析

传输速率拟采用9600比特率。

系统中对传输速率的影响因素主要是单片机速率和光传输信道容量的限制。

其中，单片机可以支持9600比特率，即9600bite/s（1200字节/秒），而光传输信道最高可支持2Mb/s，即2*1024*1024bit/s（262144字节/秒，1MB/s=1024KB/s=1024*8Kb/s=8192Kb/s=8192*1024bit/s）。

分析看来9600的比特率是合理的、可行的。

2.6基于Labview的数据处理与显示

2.6.1数据显示

虚拟仪器设计的主要工作就是编制相应的软件，完成数据的采集、处理分析、输出显示和存储功能。

软面板程序是虚拟仪器与用户的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，用以显示测量的结果等。

用户通过键盘或鼠标实现对虚拟仪器面板上的开关和按钮进行各种操作。

2.6.2数据存储

数据存储拟采用数据库模式。

数据存储可以有两种模式：

文件夹模式和数据库模式。

与文件夹模式相比，数据库可以为实现系统的监控和建立虚拟实验室提供条件，并可以通过数据共享实现网络化。

2.7供电设计

2.7.1供电要求

系统由于是传感器信息的采集通过光纤传输并做处理，所以需要数据采集发送端和数据接收处理端两部分单独的电源进行供电，而且由于传感器数量较多（6种）且一氧化碳传感器需要加热，加上光电转换电路和上下位机，必须考虑计算数据采集发送端和数据接收处理端两部分每一部分的电源是否能支持设备正常工作。

在电源无法保证设备正常工作时，传感器、光电转换电路和单片机的工作均会出现数据不准确的问题。

2.7.2供电方式的选择

数据采集发送端电路拟采用9V、1A适配器接5V、700mA转换电路进行供电，这样可以保证3.5W的功率输出，将购买两套以保证电源稳定可靠，在实际使用中将对电路进行功率测量合理选择使用数目。

数据接收处理端拟使用DSP开发板上的电源部分。

3、项目指标

1能够同时处理传感器信息不少于5个；

2信息传输速率不低于2Mb/s；

3光纤通信的可靠覆盖范围不小于10米;

4系统工作环境温度：

+5oC~~+70oC。

4、项目初步分工及状态分析

基于本项目成员数量少（2人）的特点，对项目的初步分工做了任务型分工，在指导老师讨论和允许下确定，由项目成员按照自身意愿和兴趣能力合理领取任务，以完成数量和质量来考察成员。

这是一项创新特色。

表2项目成员表

成员1

林强

成员2

马致远

表3项目任务表

任务1

系统总体的设计

任务2

基于ATMEG328P单片机的传感器信息采集的实现

任务3

基于STM32单片机的传感器信息采集的实现（尝试）

任务4

光电转换模块的设计和搭建

任务5

传感器信息采集部分和光电转换模块的PCB制作

任务6

基于DSP的信息处理模块的算法设计

任务7

基于DSP的信息处理模块的通信设计

任务8

基于Labview的信息处理和显示的实现

任务9

系统外壳的设计和制作

5、总计划进度及子系统计划进度安排方案

1第1周——第4周：

查阅相关资料，系统构思及初步方案设计；

2第5周——第8周：

系统设计、详细设计、元件选择测试

3第9周——第12周：

硬件实现，算法编程，上位机实现。

4第13周——第16周：

系统调试

5第17周——第18周：

验收

6、主要元部件加工采购意向

表4主要元部件加工采购意向

设备名称

单价（元）

数量

合计（元）

备注

数字温湿度传感器AM2321

18.45

2

外购

BMP085气压模块

4.43

3

外购

GY-30数字光照传感器

15

3

外购

夏普GP2Y1010AU0F灰尘检测传感器

27.9

2

外购

MQ-9一氧化碳可燃气体传感器

10.09

3

外购

GY-273HMC5883L三轴磁场传感器

3

外购

DFRduinoUNOR3

90

2

外购

1X9单模光收发一体模块

4

外购

光纤

2

外购

TTL/CMOS电平转换模块

2

外购

9V适配器

3.2

2

外购

9V转5V电源模块

6.9

2

外购

DSP开发板

508

1

外购

万能板

1.16

10

外购

面包板

5

2

外购

电容包

5.5

1

外购

电阻包

5.5

1

外购

杜邦线

4

9

外购

PCB加工

50

4

外购

外壳购买加工费

100

2

外购

报告打印费

60

2

外购

邮资

12

20

其他

400

税、邮资补充、临时元件购置

7、其他

项目成员还包括史志波老师,负责DSP滤波算法设计及DSP编程指导;刘岱老师,负责硬件设计指导。

完成人签名

指导老师审查意见

方案设计

共14页

第14页

林强

中国民航大学电子信息工程CDIO高级项目设计图