基于串口的高速信号传输

2015-03-15袁家栋殷兴辉

微型电脑应用 2015年12期

关键词：串口

袁家栋，殷兴辉

基于串口的高速信号传输

袁家栋，殷兴辉

摘要：随着现代通信的高速发展，太阳活动对于地球通信系统的影响也受到了广泛的关注。太阳活动爆发信号有着频率高，持续时间短等特点，不易被观察到。因此，提出了一种基于串口的高速传输方式，并实际测试了这种方式的实现可能性。

关键词：太阳射电；串口；MSP430

殷兴辉（1962-），男，河海大学，计算机与信息学院，教授，研究方向：射频与通信系统，电子与通信工程，南京，210098

0　引言

太阳射电研究基本上有三种不同性质的成分：宁静太阳射电、太阳缓变射电和太阳射电爆发。它们分别起源于宁静太阳大气、其局部亮区（局部源）以及像太阳耀斑之类的瞬变扰动[1]。其中太阳射电爆发是当太阳有强烈的扰动时（如耀斑爆发）产生的一种强度很高的太阳射电。这种剧烈的太阳活动不仅会影响地球的气候和天气，也会影响地球的辐射带，引起磁暴和磁亚暴，对各种技术系统包括雷达、通信、导航系统带来严重的威胁。因此对太阳活动以及太阳规律的监测是有必要的，它与人类生产生活的各个方面息息相关。但是太阳活动爆发信号频率高，持续时间短，需要一定的传输速度才能捕捉到太阳爆发的信号。因此，本文提出了用串口传输高速的太阳活动信号的方法，并做了一些测试。

1　太阳射电爆发

太阳射电爆发通常发生在太阳耀斑期间，它携带着爆发源区的物理环境以及辐射机制等诸多重要信息，尤其是微波爆发的精细结构，持续时间短、变化快、结构复杂，可以反映重联过程复杂的磁场结构、高能粒子运动等许多特征。它发生在与活动区有关的日面局部区域﹐与宁静太阳整个表面辐射相比﹐爆发时的辐射流量可以从百分之几到几十万倍以上﹐辐射增强的特徵时间从1秒（如微波脉冲爆发和米波Ⅲ型爆发）到数日之久（如米波噪暴）。

按爆发的频段分为微波爆发﹑分米波爆发﹑米波爆发（包括十米波爆发）。根据射电辐射在太阳大气中的传播特性﹐可以确定各频段射电爆发来自太阳大气的不同高度﹕微波爆发来自色球－日冕过渡层﹐与耀斑发生区域相衔接﹔米波爆发则来自日冕层。太阳射电爆发频谱非常宽，从几十KHz到几十GHz都包含在内。本文主要传输低频段信号，其脉冲信号前沿为10µs，脉宽2ms。如果串口的传输速率大于100kbps，就可以满足信号传输的要求。

2　硬件及串口选择

2.1单片机选择

本文采用了美国德州仪器公司（TI）推出的MSP430F149微处理器，其集成了16位RISC结构CPU，外设和灵活的时钟系统，通过将多种外设模块集成至MSP430内部并与高性能的CPU合作，可为混合信号处理应用提供完善的解决方案[2]。同时本文设计考虑了低功耗要求，系统整体对CPU的要求并不高，而具有低电压工作模式的MSP430单片机在1MHz频率驱动的主动工作模式下的工作电流仅为330µA。

2.2串口及电平转换芯片选择

单片机需要与天文射电望远镜和PC上位机进行双向通信，因此要选用匹配的通信接口进行通信，本文选用的是RS-232通讯接口。

RS-232是标准化的采取单端通信方式进行传输的串行接口[3]。本文采用RS-232-C标准，C代表了RS-232的最新一次修改。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制[4]。例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。具体通讯距离还与通信速率有关。例如，在9600pbs时，普通双绞屏蔽线时，距离可达30-35米。

RS-232-C并未定义连接器的物理特性，因此出现了各种类型的连接器。常用的连接器接口图如图1所示：

图1　DB9引脚图

图1中CD引脚为载波检出，用于确认是否收到载波；TXD为数据输出线；RXD为数据输入线；DTR引脚可以告知数据终端处于待命状态；SG为信号的接地线；DSR可以告知本机在待命状态；RTS引脚可以要求发送信号；CTS引脚可以回应RTS，告诉可以发送。

完成RS-232通信必须要通过接口转换芯片，将TTL电平转换为与上位机串口匹配的电平。这里我们采用MAX3232芯片来进行RS-232电平进行转换，以此来完成单片机与计算机之间的通信。MAX3232与串口连接电路如图2所示：

图2　MAX3232与RS232连接电路图

MAX3232采用专有低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性能，器件仅需四个0.1uF的外部小尺寸电荷泵电容[5]。MAX3232确保在120kbps数据速率，同时保持RS-232输出电平。

MAX3232具有二路接收器和二路驱动器，提供1µA关断模式，有效降低功效并延迟便携式产品的电池使用寿命。关断模式下，接收器保持有效状态，对外部设备进行监测，仅消耗1µA电源电流，MAX3232的引脚、封装和功能分别与工业标准MAX242和MAX232兼容。

MAX3232在最差工作条件下能够保证120kbps的数据速率。通常情况下，能够工作于235kbps数据速率，发送器可并联驱动多个接收器和鼠标。

整个系统硬件结构使用的是主从式串行总线型，PC 机采用的是自返回方式接收

数据，中断方式发送数据。在设置过程中应将 PC 机与单片机的波特率设置成相同的。自返回的过程为：等待—数据发送，等到下次数据传送时则重复此过程。通信方式采用异步串行通信方式。使用 RS-232 异步串行口用一根电缆将 PC 机与单片机的串口进行相连，转换过程应遵循协议内容进行转换，从而完成单片机与 PC 机的串行通信。

3　实际测试

3.1最大传输速率

为了确定该方法是否能够满足实际需求，首先需要对串口的最大传输速率做一个测试。

理论上，在以PC机作为参考的前提下，若用RS-232接口编程做RS-485通讯，自行编程的最大传输速率是230400bps。但是由于PC机软件和硬件的限制，是达不到这个速率的。

为了确定实际的最大传输速率，本文做了大量的实验。具体是使单片机重复将11、bb通过串口发送给上位机，在上位机通过串口软件接收。通过设置单片机的UART寄存器调节发送的波特率，从2400bps开始按标准波特率开始逐次增加，直到出现乱码。发现最大传输速率在115200bps至230400bps之间，采用二分法迅速确定了最大传输速率在160800bps左右。这个速率使能够满足太阳活动信号对于高速传输的需求。但是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此传输距离对传输速度会有影响。实验时使用的是1米长的普通双绞线，在这个传输距离，最大传输速度为160800bps。保持160kbps速率，增加传输距离到15米时，开始出现乱码。此时要保证传输的稳定性，就必须降低传输的波特率。在30米时，最大传输速率降为115kbps。因此要到达160kbps，传输距离要小于15米。本方法中各器件之间的距离不超过10米，所以最高波特率可以达到160kbps。

3.2误码率测试

误码率的测试具体为：设置单片机UART波特率为160800，单片机向串口循环发送字符11、bb五万次，在上位机用串口工具接收。若单片机发送字节数n1，串口工具显示的接收字节数n2，则误码率W=（n1-n2）/n1。其中一次测试结果如图3所示：