CN107046472A - 基于广播信道的异步数据传输系统及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于广播信道的异步数据传输系统，包括：广播数据信息发送单元，其包括发送管理模块以及与其通信连接的发送模块；广播数据信息发射单元，其包括通信连接至发送模块的广播发射台；广播数据信息接收单元，其包括通过广播信道通信连接至广播发射台的数据接收模块。本发明提供一种基于广播信道的异步数据传输系统，其通过广播数据信息发送单元、发射单元、接收单元三者的配合，通过无线广播网实现数字信息的异步传输，提供一种紧急情况下的新型数字信息的传输通道，解决了现在互联网环境下信息发布过程的网络共享冲突和服务拥塞的问题。本发明还提供一种基于广播信道的异步数据传输系统的数据处理方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种在网络信息通信情况下使用的数据传输系统。更具体地说，本发明涉及一种用在广播网络通信情况下的基于广播信道的异步数据传输系统及其数据处理方法。
背景技术
网络通信是通过网络将各个孤立的设备进行连接，通过信息交换实现人与人，人与计算机，计算机与计算机之间的通信。而现有通信方式主要包括：电信网络，广播通信以及互联网。
而在网络信息技术领域，传统的互联网服务模式在目前网络通信中占有主流作用，但却存在诸多瓶颈，如：
1.互联网用户大多以独占方式使用网络服务的带宽和资源，随着用户数目增多，由于网络资源共享冲突而带来的服务拥塞；
2.互联网服务主要依赖其网络基础设施，网络基础设施匮乏的偏远地区缺乏快速有效的信息发布方式；
3.灾难、战争中基础设施损毁会导致大规模普通用户的通讯故障，缺少数字信息传输和发布方式等问题，无法及时接收数字信息。
而电信网络因为使用人群多，其网络基础设施分布也较广，但其同样存在互联网通信中的问题，无法在紧急状况中提供数字信息传输和发布方式等问题，无法及时实现数据通信。
当前无线广播网虽然覆盖范围广，在很多区域可不依赖于互联网基础网络设施，但作为单向网络，无法与用户进行信息交互。同时，广播网其本身通常的信息的传递方式只能是声音信号，不能以数字信息的方式为用户提供服务，导致服务资源较为匮乏，难以吸引用户。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于广播信道的异步数据传输系统，其通过广播数据信息发送单元、发射单元、接收单元三者的配合，通过无线广播网实现数字信息的异步传输，提供一种紧急情况下的新型数字信息的传输通道，同时使得其具有不依赖互联网基础网络设施、覆盖范围广及无线传输可靠性高等特点，解决了现在互联网环境下信息发布过程的网络共享冲突和服务拥塞的问题。
本发明还有一个目的是提供一种基于广播信道的异步数据传输系统的数据处理方法，其能够利用无线广播网实现数字信息的异步传输，在无反馈信息条件下，通过定量重发机制和编码纠错机制，实现数字信息的快速广泛发布。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于广播信道的异步数据传输系统，包括：
广播数据信息发送单元，其包括发送管理模块以及与其通信连接的发送模块；
广播数据信息发射单元，其包括通信连接至发送模块的广播发射台；
广播数据信息接收单元，其包括通过广播信道通信连接至广播发射台的数据接收模块。
优选的是，其中，所述发送管理模块被配置为上位机PC端；
所述发送模块包括第一微处理器以及与其通信连接的HART调制器，所述第一微处理器通过电平转换电路通信连接至上位机PC端，所述HART调制器通过幅值放大电路通信连接至广播发射台，以将广播数据信息进行调制后通过广播发射台输出。
优选的是，其中，所述数据接收模块包括一用于接收广播发射台数据信息的FM解调电路，以及与其通信连接的AGC电路，所述AGC电路通过HART解调器与第二微处理器通信连接，以对接收到的广播信息的进行解调。
优选的是，其中，还包括与数据接收单元通信连接的数据显示模块和存储模块，所述数据显示模块被配置为一智能终端，所述智能终端通过其上的蓝牙通信模块与数据接收模块通信连接。
为了实现本发明的目的，还提供一种异步数据传输系统的数据处理方法，包括：
步骤一，发送管理模块将待发送信息输出至信息发送模块；
步骤二，信息发送模块将接收到的数据信息进行提取，调制，编码，组帧至广播信道能输出的数据格式，并通过广播发射台输出；
步骤三，数据接收模块通过发射塔接收广播发射台输出的数据信息，进行解码，纠错，解析，在判断信息正确后进行存储。
优选的是，其中，所述步骤一中，发送管理模块的功能包括对待发送信息内容的编辑，信息发射状态管理以及参数配置；
其中，所述信息发射状态管理包括对数据信息的发送、暂停、停止控制，所述参数配置包括广播发射速率以及发送次数的控制。
优选的是，其中，在步骤二中，所述信息发送模块将接收到的数据信息进行提取，调制，编码，组帧的过程包括：
所述电平转换电路将从上位机PC端接收到数据信息，实现RS232电平信号与第一TTL电平信号的转换发送至第一微处理器；
所述第一微处理器根据发送管理模块的相关参数配置，将接收到的第一TTL电平信号进行编码和组帧处理成第二TTL电平信号发送至HART调制器；
所述HART调制器将接收到的第二TTL电平信号转换成相位连续的FSK信号发送至幅值放大电路；
所述FSK信号经过幅值放大电路放大后，通过音频接口直接送入广播发射台进行调制发送。
优选的是，其中，所述数据信息的编码包括添加冗余校验和纠错编码，所述数据信息的组帧是将数据信息按预定的帧格式进行格式处理；
其中，所述编码被配置为采用G(x)＝x3+x+1的(7，4)循环码，该循环码包含4个信息位和3个校验位，其将待发送信息字节分别拆开成高、低4位的第一二进制信息码，然后将各第一二进制信息码和相应的CRC校验位相配合分别组成一个字节，且在每字节的最后一位添加一个偶校验位，以在4位有效二进制数据中能纠错1位的编码，即能纠正一个字节中两个错误位；
所述帧格式被配置为：
起始字符+帧长度+信息类型+信息+校验位+结束字符；
所述微处理器基于起始字符和结束字符完成对待发送信息与控制信息的接收，控制信息包含信息发送次数和发送速率，信息类型指明当前信息为文本还是图片，并通过一个字节表示。
优选的是，其中，在步骤三中，所述FM解调电路基于从发射塔处接收到的FSK信号，进行消噪后输出至AGC电路；
所述AGC电路接收经消噪后的FSK信号，滤除其中的低频直流分量以及高频分量，只留下1.2KHz到2.2KHz的有效HART信号，放大并控制输出幅度至HART解调器，
所述HART解调器接收经滤波放大后的FSK信号，并将其转换成对应的第三TTL电平信号发送至第二微处理器；
所述第二微处理器基于接收到的第三TTL电平信号，进行解码、纠错、解析及判断处理。
优选的是，其中，所述第二微处理器对第三TTL电平信号的解码和数据编码互为逆过程，其将接收到的信息字段中的字节数据拆分为高、低四位，对高四位的即信息位编码进行临时保存，对低四位基于G1(x)＝x13+x1+1的(7，4)循环码对数据进行CRC校验，若余数为0，则再判断偶校验是否正确，进而判断数据是否出错；
所述第二微处理器对第三TTL电平信号的纠错，是在CRC校验后根据其校验所得的余数，对出错位的具体位置进行判断，再根据判断结构对出错位进行出错处理；
所述第二微处理器对第三TTL电平信号的解析及判断，是对经校验纠错后的第三TTL电平信号的帧头、帧尾、数据长度、校验信息进行提取和判断，只有所有信息均正确后对信息进行存储，否则予以丢弃。
本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明基于广播信道的异步数据传输系统，其通过广播数据信息发送单元、发射单元、接收单元三者的配合，通过无线广播网实现数字信息的异步传输，提供一种紧急情况下的新型数字信息的传输通道，同时使得其具有不依赖互联网基础网络设施、覆盖范围广及无线传输可靠性高等特点，解决了现在互联网环境下信息发布过程的网络共享冲突和服务拥塞的问题，实现了在广播信道中文字和图片的传输。
其二，本发明基于广播信道的异步数据传输系统的数据处理方法，其能够利用无线广播网实现数字信息的异步传输，在无反馈信息条件下，通过定量重发机制和编码纠错机制，实现数字信息的快速广泛发布。
其三，本发明的数据处理方法，在广播信道存在误码的情况下，通过冗余校验、前向纠错及轮播机制，保证数据传输过程的完整性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明的基于广播信道的异步数据传输与交互式查询系统结构框图；
图2是本发明的广播数据信息发送单元的总体结构框图；
图3是本发明的广播数据信息接收单元的总体结构框图；
图4是本发明的电平转换电路中RS232串口通信电路图；
图5是本发明的HART调制波形图；
图6是本发明的电源电压中的5.0V稳压电路图；
图7是本发明的电源电压中的3.3V稳压电路图；
图8是本发明的电源电压中的-5.0V稳压电路图；
图9是本发明的电源电压中的MP2359电路原理图；
图10是本发明的FM接收解调电路图；
图11是本发明的AGC电路图；
图12是本发明的发送端软件功能框图；
图13是本发明的发送端下位机程序流程图；
图14是本发明CRC校验位编码中的许用码组表；
图15是本发明的接收端软件框图；
图16是本发明的接收端下位机程序流程图；
图17是本发明的解码纠错程序流程图；
图18是本发明的解码中出错位与校验结果关系；
图19是本发明的广播发射模块工作流程图；
图20是本发明的广播接收模块工作流程图；
图21是本发明的广播数据交互式查询与显示模块工作流程图；
图22是本发明系统测试中的误码率测试结果图表；
图23是本发明系统测试中的传输速率统计图表；
图24是本发明的上位机数据处理流程图；
图25是本发明的编码的组帧结构示意图；
图26是本发明的具体应用中发送信息的组帧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。本发明可用但不局限于数字信息发布方面。例如，文字图片推送、紧急信息发布等。在硬件方面可用于个人计算机、服务器、移动终端、多处理器系统以及包含上述任何系统的计算环境等。
图1示出了根据本发明的一种基于广播信道的异步数据传输系统的实现形式，其中包括：
广播数据信息发送单元，其包括发送管理模块101以及与其通信连接的发送模块102，发送管理模块主要实现对待发送数据进行管理，包括信息内容编辑、信息发射管理、基本配置三部分，其中，信息内容可以由用户手动输入，也可以通过读取本地文件的方式完成编辑，信息发射管理包括对信息的发送、暂停、停止等功能，基本配置主要包括对广播发射速率以及发送次数的控制，发送模块主要完成信息内容接收及广播数据发送，包括对数字信息进行数模转换、调制、编码等。发射设备在进行数据发送时，根据上位机发送的控制信息，实现对发送速率、次数等的控制；
广播数据信息发射单元，其包括通信连接至发送模块的广播发射台103，其利用广播发射设施将数字信息经过数模转换后，将数字信号转换为模拟信号，通过无线广播通道进行调制发射；
广播数据信息接收单元，其包括通过广播信道通信连接至广播发射台的数据接收模块104，其主要完成广播信号接收、解调以及发送端信息的恢复，主要包括对信息的模数转换、解码、存储和转发。接收设备实时接收广播信号，对有用信息进行保存，以便显示终端随时查看。这种方案系统主要包括广播发射管理模块、广播发射模块、广播发射台模块、广播接收模块四个主要模块，分别完成信息内容的编辑与管理、数字信息发送、数字信息接收和重组及便于信息查询等功能，其相对于现有广播网络信道输声音信号来说，其实现了在广播网络信道中传递数字信号，实现了通过无线广播网实现数字信息的异步传输，提供一种紧急情况下的新型数字信息的传输通道及方式，同时使得其具有不依赖互联网基础网络设施、覆盖范围广及无线传输可靠性高等特点，可运用在平时的网络通信中，解决了现在互联网环境下信息发布过程的网络共享冲突和服务拥塞的问题，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图2所示，在另一种实例中，所述发送管理模块被配置为上位机PC端6；
所述发送模块包括第一微处理器1以及与其通信连接的HART调制器2，所述第一微处理器通过电平转换电路3通信连接至上位机PC端，所述HART调制器通过幅值放大电路4通信连接至广播发射台(调频发射机)5，以将广播数据信息进行调制后通过广播发射台输出。采用这种方案中的上位机软件通过串口将数据及控制信息发送给发射设备，由于PC机串口输出为RS232电平，无法直接连接至第一微处理器进行处理，故电平转换电路中的MAX232电平转换芯片将RS232电平转换为TTL电平，再送入第一微处理器，其中，如图4所示，MAX232电平转换芯片的UART1TX和UART1RX引脚分别与微处理器的串口连接，RS232接口(J1)通过串口线与PC机相连，再配合上位机和下位机的程序，便可实现PC机与发射设备(第一微处理器)之间的通信；
而考虑到串口接收到广播信息后需要缓存，该第一微处理器选择带RAM及FLASH的处理器，以完成信息的处理，如采用Cortex-M4结构，具有32位的RISC内核，最高工作频率为168MHz；内部集成1024KB闪存和196KBSRAM，具有很强的数字信号处理和并行计算功能；内部自带开门狗，可有效减小系统因外部干扰产生的不稳定性；包含标准和先进的接口：3个IIC和SPI接口、6个USART接口、2个CAN接口和1个SDIO接口，方便与外设直接通信；
经过第一微处理器的数据仍为数字信号，若直接将该数字信号送至调频发射机进行调制发送，由于数字信号中具有很多高频分量，则会造成信道的带宽浪费，所以必须先进行数模转换，将数字信号转换为模拟信号再进行调制发送，故在本系统中，采用HART调制解调协议实现模拟信号与数字信号之间的转换，HART调制器将TTL电平信号转换成相位连续的FSK信号，该FSK信号经过幅值放大后，通过音频接口直接送入广播发射台进行调制发送，本系统中，HART调制器采用内部自带带通滤波器，数据传输率为1.2kbit/s，可直接通过标准的UART接口与STM32F405通信，以在调制时，一方面通过UART2接口与STM32F405进行串行通信，一方面将输入的数字信号调制成频率分别为1.2KHz和2.2KHz的FSK频移键控信号，并由HART_OUT引脚输出，其波形图如图5所示，该FSK信号便输入到下级幅值放大电路，而由于HART调制器输出的FSK信号的峰值大约在200mV，所以必须对其进行幅值放大，以更好地满足调频发射机对调制信号的要求，故幅值放大电路应选择具有很低的内部噪声和很高的压摆率，可以对信号进行有效的线性放大的放大器，同时，采用同相比例放大电路，利用其高输入阻抗特性，起到了阻抗匹配的作用，减小了调频发射机对调制信号的影响；
发送端还包括稳压稳压电源模块7，其所使用到的电源电压包括±5.0V(如图6所示)和3.3V(如图7所示)，其中±5.0V主要给幅值放大电路供电，3.3V电源主要给微处理器及其他数字IC供电，系统外部通过适配器输入6～9V直流电压(如图8所示)，通过线性稳压电源LT1086-5稳压至5.0V，5.0V电压通过TPS6735反向转换至-5.0V，并且经过AMS1117-3.3稳压至3.3V，如图为了防止电路电流过大烧毁硬件电路板，在电路中加入自恢复保险丝(F1)，在电流过大时，自动断开电源，保护硬件电路。同时，为了防止电路中意外出现的浪涌电流，本系统采用TVS瞬变抑制二极管SMBJ5.0A和SMBJ3.3A进一步保护电路。并且采用LC组成π型滤波电路，滤除电源纹波，提高系统稳定性，具有可实施效果好，系统稳定性好，适应性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
在另一种实例中，所述数据接收模块包括一用于接收广播发射台数据信息的FM解调电路8，以及与其通信连接的AGC电路9，所述AGC电路通过HART解调器10与第二微处理器11通信连接，以对接收到的广播信息的进行解调。采用这种方案的接收端也包括相应的稳压稳压电源模块，其电源电压包括±5.0V和3.3V，其中±5.0V主要给AGC电路供电，3.3V电源主要给微处理器及其他数字IC供电。系统外部通过适配器输入6～9V直流电压，通过开关稳压电源MP2359(如图9所示)稳压至5.0V，5.0V电压通过TPS6735反向转换至-5.0V，并且经过AMS1117-3.3稳压至3.3V；
其广播接收天线实时接收空间特定频率段的FM信号，然后通过FM解调电路恢复调制信号，考虑到利用分立元件搭建的FM解调电路易收到空间信号干扰缺陷，本系统采用集成调频接收芯片RDA5820作为FM信号解调IC，能有效实现本系统特定频率信号的接收解调；
由于接收到的FM信号幅度随接收端与广播发射站的距离不同而变化，所以为了保证调制信号能有效的被HART解调器识别，FM调频接收芯片可采用RDA5820(电路布局如图10所示)，在RDA5820解调出的调制信号后加如自动增益控制(AGC电路布局如图11所示)电路，使得解调后的信号的幅值基本保持恒定；
同发射端类似，经过AGC电路后的FSK模拟信号不能直接送入第二微处理器进行处理，需要经过模数转换后再能被识别，本系统采用HART调制解调协议完成对模拟信号数字化，即将FSK信号转换为TTL电平信号，该信号直接送入第二微处理器，其采用与第一微处理器相同的处理芯片，第二微处理器根据接收到的数据进行解码以及纠错处理等，恢复发送端发送的数据，接收端第二微处理器系统与发送端相比，多出了一个晶振电路(Y2)，该晶振电路主要产生32.768KHz的时钟信号，用于记录系统时间，供数据存储时使用，具有可实施效果好，传输稳定，适应性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
在另一种实例中，还包括与数据接收单元通信连接的数据显示模块105和存储模块12，其主要完成对接收到的广播信息进行显示，以移动设备应用程序的形式，通过蓝牙协议读取存储在广播接收设备的数据，并对数据进行分类显示，其被配置为一智能终端13，所述智能终端通过其上的蓝牙通信模块14与数据接收模块通信连接。采用这种方案的数据显示模块可通过交互式信息查询的方式从数据接收模块获取其本地保存的数据，并以文字和图片的形式进行显示，以便于对接收数据的查询，本系统的第二微处理器STM32F405的UART2、UART6、UART1分别与串口触摸屏、HART解调器和蓝牙模块进行通信，并通过其自带的SDIO接口与SD卡通信，实现数据存储与读取；
蓝牙模块采用HC-05蓝牙2.0模块实现数据显示终端与接收端下位机之间的通信，HC-05蓝牙模块采用串口方式(UART1TX、UART1RX)与STM32F405进行通信，并通过按键S2和相应的上位机配置软件可实现对模块的配置，比如串口波特率、主从模式以及设备名称，为有效保存接收到的数据，本系统采用Micro SD卡作为存储设备，SD卡与微处理器之间通过SDIO接口相连，并在每条数据线上加上拉电阻，以提高灌电流，防止SD卡与STM32F405之间通信不正常。同时，该设备还可以通过蓝牙通信方式与外部中断进行通信，具有交互性强，可实施效果好，可操作性强，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
以上方案还可以通过一种异步数据传输系统的数据处理方法来实现，包括：
步骤一，发送管理模块将待发送信息输出至信息发送模块；
步骤二，信息发送模块将接收到的数据信息进行提取，调制，编码，组帧至广播信道能输出的数据格式，并通过广播发射台输出，本步骤主要包括信息的编码和组帧处理，编码部分主要采用前向纠错机制实现数据的可靠传输，组帧的目的是为了实现发送端和接收端的通信协议，故发送端下位机的软件设计主要包括以下几个模块：数据接收模块、数据处理模块和数据发送模块，其关系如图12所示，其中，数据接收模块实时接收发送端上位机PC端软件发送的有效数据和控制信息等，数据处理模块完成对信息的编码和组帧，数据发送模块完成信息的发送功能，其与上位机配合的程序流程图如图13所示；
步骤三，数据接收模块通过发射塔接收广播发射台输出的数据信息，进行解码，纠错，解析，在判断信息正确后进行存储。采用这种方案其能够利用无线广播网实现数字信息的异步传输，在无反馈信息条件下，通过定量重发机制和编码纠错机制，实现数字信息的快速广泛发布具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
在另一种实例中，所述步骤一中，发送管理模块的功能包括对待发送信息内容的编辑，信息发射状态管理以及参数配置；
其中，所述信息发射状态管理包括对数据信息的发送、暂停、停止控制，所述参数配置包括广播发射速率以及发送次数的控制，其具体数据处理流程如图24所示。采用这种方案其能够通过上位机实现对发送端下位机的管理及参数配置，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
在另一种实例中，在步骤二中，所述信息发送模块将接收到的数据信息进行提取，调制，编码，组帧的过程包括：
所述电平转换电路将从上位机PC端接收到数据信息，实现RS232电平信号与第一TTL电平信号的转换发送至第一微处理器；
所述第一微处理器根据发送管理模块的相关参数配置，将接收到的第一TTL电平信号进行编码和组帧处理成第二TTL电平信号发送至HART调制器；
所述HART调制器将接收到的第二TTL电平信号转换成相位连续的FSK信号发送至幅值放大电路；
所述FSK信号经过幅值放大电路放大后，通过音频接口直接送入广播发射台进行调制发送。采用这种方案中的发射设备上电后，首先由第一微处理器处理化相关内部寄存器以及外设，然后一直监听串口上是否有数据到来，当接收到上位机发送的信息时，完成信息的提取，其中，上位机软件与发射设备之间的串口通信也遵循一定的帧格式，微处理器根据起始字符和结束字符完成对待发送信息与控制信息的接收，其中控制信息包含信息发送次数和发送速率，信息类型指明当前信息为文本还是图片，并通过一个字节表示；
当发送端下位机正确提取完信息以后，对待发送数据进行纠错编码，以降低系统传输误码率，纠错编码实际上就是对信息添加冗余位，以保证数据传输的准确性，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
在另一种实例中，所述数据信息的编码包括添加冗余校验和纠错编码，所述数据信息的组帧是将数据信息按预定的帧格式进行格式处理；
其中，所述编码被配置为采用G(x)＝x3+x+1的(7，4)循环码，该循环码包含4个信息位和3个校验位，其将待发送信息字节分别拆开成高、低4位的第一二进制信息码，然后将各第一二进制信息码和相应的CRC校验位相配合分别组成一个字节，且在每字节的最后一位添加一个偶校验位，以在4位有效二进制数据中能纠错1位的编码，即能纠正一个字节中两个错误位；
所述帧格式被配置为如附图25所示：
起始字符+帧长度+信息类型+信息+校验位+结束字符；
所述微处理器基于起始字符和结束字符完成对待发送信息与控制信息的接收，控制信息包含信息发送次数和发送速率，信息类型指明当前信息为文本还是图片，并通过一个字节表示，其中，起始字符和结束字符分别由5个特定的字节数据构成，表示一帧数据的开始和结束；帧头信息包含一个完整帧的字节长度，由4字节构成；信息类型表明该信息帧属于哪类信息(如：科技类、财经类、体育类等)以及当前发送的文件类型(文本文档或图片)，由1个字节组成；信息字段包含上位机发送的数据和信息校验位，通过该校验位可完成数据的纠错功能。采用这种方案的本系统通过设计了在4位有效二进制数据中能纠错1位的编码，即能纠正一个字节中两个错误位；
其编码流程如下：
采用G(x)＝x3+x+1的(7，4)循环码，该循环码包含4个信息位和3个校验位。首先，将待发送信息字节拆开成高、低4位(4位二进制)，然后将高、低4位信息和校验位组成一个字节分别发送，在每字节的最后一位添加偶校验位，以避免偶数位同时出错情况下的纠错，所有信息位的许用码组如图14表格所示，具体来说，以待发送数字“1”为例，“1”的ASCII码为0x31(待发送字节)，则将0x31拆成0011(高4位-信息位)和0001(低4位-信息位)两部分。根据需用码组表(表5-1)可知，当信息位为0011时，CRC校验位为101，偶校验位为0，所以该8位组成新的字节为00111010(许用码字，0x3A)；当信息位为0001时，CRC校验位为011，偶校验位为1，所以该8位组成新的字节为00010111(许用码字，0x17)。所以，当发送0x32字节时，经过编码后实际发送的是两个字节：0x3A和0x17。在接收端再进行解码恢复出0x31，具有可实施效果好，可操作性强，数据传输的正确率有保证的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
在另一种实例中，在步骤三中，所述FM解调电路基于从发射塔处接收到的FSK信号，进行消噪后输出至AGC电路；
所述AGC电路接收经消噪后的FSK信号，滤除其中的低频直流分量以及高频分量，只留下1.2KHz到2.2KHz的有效HART信号，放大并控制输出幅度至HART解调器，
所述HART解调器接收经滤波放大后的FSK信号，并将其转换成对应的第三TTL电平信号发送至第二微处理器；
所述第二微处理器基于接收到的第三TTL电平信号，进行解码、纠错、解析及判断处理。而接收端下位机设计主要包括以下几项模块：数据接收模块、数据处理模块、蓝牙通信模块、数据显示模块、数据存储模块，其接收端关系如图15所示，软件处理的数据流程图如图16所示，采用这种方案具有可实施效果好，可操作性强，传输效果稳定的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
在另一种实例中，所述第二微处理器对第三TTL电平信号的解码和数据编码互为逆过程，其将接收到的信息字段中的字节数据拆分为高、低四位，对高四位的即信息位编码进行临时保存，对低四位基于G1(x)＝x13+x1+1的(7，4)循环码对数据进行CRC校验，若余数为0，则再判断偶校验是否正确，进而判断数据是否出错；
所述第二微处理器对第三TTL电平信号的纠错，是在CRC校验后根据其校验所得的余数，对出错位的具体位置进行判断，再根据判断结构对出错位进行出错处理；
所述第二微处理器对第三TTL电平信号的解析及判断，是对经校验纠错后的第三TTL电平信号的帧头、帧尾、数据长度、校验信息进行提取和判断，只有所有信息均正确后对信息进行存储，否则予以丢弃。采用这种方案微处理通过IIC总线与RDA5820通信，实时接收数据。当没有数据到来时，一直处于接收状态；当判断有数据到来时，首先由微处理器对帧头、帧尾、数据长度、校验信息进行判断，当所有信息均正确后，视为该帧数据有效，若其中有一个校验信息不正确，则丢弃该帧数据。当确定该帧数据有效时，便对数据进行解码和纠错处理。
对于数据解码纠错，和数据编码互为逆过程。首先将接收到的字节数据拆分为高低四位、对高四位(即信息位)进行临时保存，然后对数据进行CRC校验(校验码为G(x)＝x3+x+1的(7，4)循环码，与发送端一致)。若余数为0，则再判断偶校验是否正确，进而判断数据是否出错，若出错，则进行出错处理。其软件流程图如17所示，对于纠错部分，对接收到的信息进行CRC校验，根据其校验所得的余数可检测出错位的具体位置，其对应关系如图18中的表格所示，具体来说，还是以发送端发送的0x31为例，若接收端连续接收到0x3A和0x17两个字节，则分别对这两个字节进行CRC校验，可得出校验结果都为000，表示传输过程中没有发生错误，然后提取两个字节的高4位，得到接收数据0x31。若接收到的数据为0x1A和0x37，则0x1A进行CRC校验，余数为110，表示该字节第5位出现错误，对第5位的“0”改为“1”，即将接收到的0x1A纠正为0x3A；同理，0x37也出现错误，采样同样的方法对其进行纠正，最后恢复数据0x31，故根据校验余数结果，则可判断一个字节出错位的位置，实现纠错功能；
本系统对文本信息以txt文本形式存储，其后缀为.txt；对图片信息以JPEG图片形式存储，其后缀为.jpeg。同时，利用微处理器STM32F405自带的实时时钟功能，对文件进行命名。文件夹以“年-月-日”命名，当天接收到的信息保存在文件夹中，并以“时-分-秒+后缀名”命名，以便于后期查询，具有可实施效果好，可操作性强，数据传输正确率有保证的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
图19是本发明的的数据发送模块工作流程图，从图中可以得出其具体操作步骤为：
步骤201、读取配置信息。从本地配置文件中读取配置信息，包括通讯端口类型、频率参数等信息。
步骤202、参数初始化。选择通信端口并对通信参数进行初始化。
步骤203、端口选择。步骤202中如果选择正确的端口，则执行步骤204；如果选择端口错误，则重新执行步骤202。
步骤204、打开端口。步骤203执行正确后，打开端口，状态设置为“OPEN”。
步骤205和206、分别对数据传输次数及编码参数进行设置，其中传输次数是数据重发的次数，编码参数是用于数据编码，在接收端解码，确保数据的准确性。
步骤207、设置如果成功，则分别执行步骤208和209；如果不成功，则执行步骤204。
步骤208、输入文本。步骤207执行成功后，在发送文字内容区输入文本信息，点击发送操作按钮后，执行步骤210。
步骤209、选择图片。步骤207执行成功后，在发送图片内容区通过操作按钮选择图片文件，点击发送操作按钮后，执行步骤210。
步骤210、发送数字信息。将选定的数字信息通过选定端口发送到发射装置。
步骤211、由发送装置判断是否收到上位机发送的数字信息，如收到数据，则执行步骤212。如未收到数据，则等待接收数据。
步骤212、信息提取。当接收到上位机发送的信息时，完成信息的提取。执行步骤213。
步骤213、纠错编码。步骤212后，对待发送数据进行纠错编码，纠错编码采用G(x)＝x3+x+1的(7，4)循环码，其包含4个信息位和3个校验位。
步骤214、组帧。对发送信息进行组帧，其帧格式符合如图26所示条件：
步骤215、数据发送。将数字信息以模拟信号的方式进行发送。
图20是本发明数据接收模块工作流程图，从图中可以得出其具体操作步骤如下：
步骤301、系统初始化。完成相关寄存器、外设及参数的初始化。
步骤302、接收信息。当没有接收到数据时，一直处于接收状态；当接收到数据时，执行步骤303。
步骤303、如接收到信息，则执行步骤304；如未接收到信息，则执行步骤302。
步骤304、解码、纠错。数据解码纠错，和数据编码互为逆过程。首先将接收到的字节数据拆分为高低四位、对高四位(即信息位)进行临时保存，然后对数据进行CRC校验。
步骤305、信息解析。解析帧头、帧尾、数据长度、校验信息等。
步骤306、对帧头、帧尾、数据长度、校验信息进行判断，如果所有信息均正确后，则执行步骤307；如解析后信息无效，则执行步骤308。
步骤307、信息存储。对文字信息以txt文本形式存储；对图片信息以JPEG图片形式存储。
步骤308、信息丢弃。步骤306解析数据信息无效，则将信息丢弃处理。
图21是本发明终端交互式查询和显示模块工作流程图，从图中可以看出：
步骤401、系统初始化。完成设备句柄及相关通信参数的初始化。
步骤402、打开蓝牙。步骤401完成后，通过软件自动打开蓝牙设备。
步骤403、连接蓝牙设备。通过设备选择列表选择要连接的设备，点击连接后，建立蓝牙通讯。
步骤404、如果连接蓝牙设备成功，则执行步骤405；否则执行步骤403。
步骤405、读取下位机SD卡内容。将SD卡中所有文件夹和文件名返回给显示终端，显示终端将数据存入数据库并提取文件夹和文件信息。
步骤406、发送通信命令。
步骤407、读取输入流。程序开启线程循环读取蓝牙输入流的数据。当接收到数据，首先获取前四个字节的长度信息，若接收的内容长度一致则结束本次接收。
步骤408、解析数据。对接收到的输入数据流进行解析，执行步骤409。
步骤409、存数据库。提取文本或图片内容分别存入SQLite数据库。根据文本和图片的属性建不同的数据表。同时实现对数据库内容的管理。
步骤410、交互式查询和数据显示。通过查询控件实现对数字信息的实时查询和显示。
需要说明的是，对于前述的各实施例，为了便于理解，将其表述为一系列动作的组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不完全受到所描述动作顺序的限制，某些步骤可以同时进行。
为验证系统性能，分别对其进行误码率测试和传输速率的测试：
其中，误码率测试选用广州汉婷生物技术开发有限公司的CZE-15B型调频发射机和CZH车载天线(天线增益为3dBi)作为发射系统，设定发送功率和频率分别为0.3W和88MHz。实验时，固定发射机位置，改变接收端与发射机的距离，以接收端信号强度指示(RSSI)为参考，观察接收到的数据误码率情况。测试时，单次发送字节数据为1.250000×106(即1×107个bit)，并在同一接收位置进行5次实验(每次实验的持续时间约15个小时)，每天测试一组数据，信息传输速率为最大(115byte/s)，观察数据接收情况，统计传输误码率。通过5次实验得到的平均误码率与信号强度(指示值)关系如图22所示，并得出相应结果，当信号指示强度(RSSI)小于40时，系统信号质量变差，接收到的数据难以正确纠错，使得无法恢复原始信息，误码率为100％；当信号强度为50时，接收到的信号偶尔会出现错误，这是由于环境变化导致信号不稳定，从而使得数据出现不同错误，实测时，当信号强度大于等于55时，基本没有错误；当信号强度大于60时，信息能实时恢复出来，误码率为0，满足设计要求；
同时，为了定性比较该系统的接收性能，采用深圳市凯达利电子科技有限公司的P-305调频收音机与本系统进行对比测试。当人耳明显感觉到收音机存在严重干扰时，此时本系统指示RSSI值约为35，当收音机输出完全为噪声时，此时系统指示RSSI值约为30。在这两种情况下，RSSI值已经低于系统所需的最低RSSI值，此时该系统收不到任何数据，误码率为1。当收音机声音比较清晰时，此时系统RSSI值大约在40左右，系统误码率依然很高，难以通信。当收音机音质非常好时，系统RSSI值也随之增加，其误码特性符合图22表中的测试结果。
传输速率的测试，其通过逐渐改变在发送端的发送速率，接收端统计接收到的字节个数和所用时间，从而得到信息传输速率。测试时，接收端与发送端位于同一实验室内，距离约为5米，发送端发送一帧有效数据，有效字节长度为1000(其中包含13个校验字节，所以实际数据长度为1013byte)，并进行5次实验，统计数据传输速率情况，经5次实验得到的理论传输速率与实际平均传输速率关系如附图23中表格所示，其中，理论值为发送端上位机管理软件设置的发送速率值，实际值为接收端统计的接收速率，其计算公式为：实际值＝数据长度/接收时间。由附图23可以看出，数据传输速率实际值与理论值非常接近，且该系统数据实际最大传输速率为115byte/s，满足设计要求。
故本明达的效果在于充分利用现有广播资源，利用模拟广播信道实现数字信息的传输(包括文字和图片)，其达到的技术效果如下：
一是在无障碍物情况下，下位机发送系统和终端接收系统数据传输速率的最大速率应不小于80Byte/s，且系统传输数据的误码率应小于10-6达到设计要求。
二是广播发射管理上位机和发射设备间通过串口完成对带发送数据以及控制信息的传输，下位机通过标准音频接口与现有广播发射装置连接。广播接收设备与广播数据显示终端(Android设备)之间通过蓝牙通信，各接口通信符合要求，实现了在广播信道中文字和图片的传输。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的基于广播信道的异步数据传输系统及其数据处理方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种基于广播信道的异步数据传输系统，其特征在于，包括：
广播数据信息发送单元，其包括发送管理模块以及与其通信连接的发送模块；
广播数据信息发射单元，其包括通信连接至发送模块的广播发射台；
广播数据信息接收单元，其包括通过广播信道通信连接至广播发射台的数据接收模块。
2.如权利要求1所述的基于广播信道的异步数据传输系统，其特征在于，所述发送管理模块被配置为上位机PC端；
所述发送模块包括第一微处理器以及与其通信连接的HART调制器，所述第一微处理器通过电平转换电路通信连接至上位机PC端，所述HART调制器通过幅值放大电路通信连接至广播发射台，以将广播数据信息进行调制后通过广播发射台输出。
3.如权利要求1所述的基于广播信道的异步数据传输系统，其特征在于，所述数据接收模块包括一用于接收广播发射台数据信息的FM解调电路，以及与其通信连接的AGC电路，所述AGC电路通过HART解调器与第二微处理器通信连接，以对接收到的广播信息的进行解调。
4.如权利要求1所述的基于广播信道的异步数据传输系统，其特征在于，还包括与数据接收单元通信连接的数据显示模块和存储模块，所述数据显示模块被配置为一智能终端，所述智能终端通过其上的蓝牙通信模块与数据接收模块通信连接。
5.一种如权利要求1-4任一项所述异步数据传输系统的数据处理方法，其特征在于，包括：
步骤一，发送管理模块将待发送信息输出至信息发送模块；
步骤二，信息发送模块将接收到的数据信息进行提取，调制，编码，组帧至广播信道能输出的数据格式，并通过广播发射台输出；
步骤三，数据接收模块通过发射塔接收广播发射台输出的数据信息，进行解码，纠错，解析，在判断信息正确后进行存储。
6.如权利要求5所述的数据处理方法，其特征在于，所述步骤一中，发送管理模块的功能包括对待发送信息内容的编辑，信息发射状态管理以及参数配置；
其中，所述信息发射状态管理包括对数据信息的发送、暂停、停止控制，所述参数配置包括广播发射速率以及发送次数的控制。
7.如权利要求5所述的数据处理方法，其特征在于，在步骤二中，所述信息发送模块将接收到的数据信息进行提取，调制，编码，组帧的过程包括：
电平转换电路将从上位机PC端接收到数据信息，实现RS232电平信号与第一TTL电平信号的转换发送至第一微处理器；
所述第一微处理器根据发送管理模块的相关参数配置，将接收到的第一TTL电平信号进行编码和组帧处理成第二TTL电平信号发送至HART调制器；
所述HART调制器将接收到的第二TTL电平信号转换成相位连续的FSK信号发送至幅值放大电路；
所述FSK信号经过幅值放大电路放大后，通过音频接口直接送入广播发射台进行调制发送。
8.如权利要求7所述的数据处理方法，其特征在于所述数据信息的编码包括添加冗余校验和纠错编码，所述数据信息的组帧是将数据信息按预定的帧格式进行格式处理；
其中，所述编码被配置为采用G(x)＝x3+x+1的(7，4)循环码，该循环码包含4个信息位和3个校验位，其将待发送信息字节分别拆开成高、低4位的第一二进制信息码，然后将各第一二进制信息码和相应的CRC校验位相配合分别组成一个字节，且在每字节的最后一位添加一个偶校验位，以在4位有效二进制数据中能纠错1位的编码，即能纠正一个字节中两个错误位；
所述帧格式被配置为：
起始字符+帧长度+信息类型+信息+校验位+结束字符；
所述微处理器基于起始字符和结束字符完成对待发送信息与控制信息的接收，控制信息包含信息发送次数和发送速率，信息类型指明当前信息为文本还是图片，并通过一个字节表示。
9.如权利要求5所述的数据处理方法，其特征在于，在步骤三中，FM解调电路基于从发射塔处接收到的FSK信号，进行消噪后输出至AGC电路；
所述AGC电路接收经消噪后的FSK信号，滤除其中的低频直流分量以及高频分量，只留下1.2KHz到2.2KHz的有效HART信号，放大并控制输出幅度至HART解调器，
所述HART解调器接收经滤波放大后的FSK信号，并将其转换成对应的第三TTL电平信号发送至第二微处理器；
所述第二微处理器基于接收到的第三TTL电平信号，进行解码、纠错、解析及判断处理。
10.如权利要求9所述的数据处理方法，其特征在于，所述第二微处理器对第三TTL电平信号的解码和数据编码互为逆过程，其将接收到的信息字段中的字节数据拆分为高、低四位，对高四位的即信息位编码进行临时保存，对低四位基于G1(x)＝x13+x1+1的(7，4)循环码对数据进行CRC校验，若余数为0，则再判断偶校验是否正确，进而判断数据是否出错；
所述第二微处理器对第三TTL电平信号的纠错，是在CRC校验后根据其校验所得的余数，对出错位的具体位置进行判断，再根据判断结构对出错位进行出错处理；
所述第二微处理器对第三TTL电平信号的解析及判断，是对经校验纠错后的第三TTL电平信号的帧头、帧尾、数据长度、校验信息进行提取和判断，只有所有信息均正确后对信息进行存储，否则予以丢弃。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201710129245.8A CN107046472A (zh) | 2017-03-06 | 2017-03-06 | 基于广播信道的异步数据传输系统及其数据处理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201710129245.8A CN107046472A (zh) | 2017-03-06 | 2017-03-06 | 基于广播信道的异步数据传输系统及其数据处理方法 |
Publications (1)
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| CN107046472A true CN107046472A (zh) | 2017-08-15 |
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