时间：2022-07-23 22:04:38
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关键词：蓝牙基带数据传输设备连接
蓝牙（Bluetooth）是一种新型、开放、低成本、短距离的无线连接接技术，可取代短距离的电缆，实现话音和数据的无线传输。这种有效、廉价的无线连接技术可以方便地将计算机及外设、移动电话、掌上电脑、信息家电等设备连接起来，在它可达到的范围内使各种信息化移动便携设备都能实现无缝资源共享，还可通过无线局域网（WirelessLAN）与Internet连接，实现多媒体信息的无线传输。
蓝牙系统采用分散式（Scatter）结构，设备间以及从方式构成微微网（Piconet），支持点对点和点对多点通信。它采用GFSK调制，抗干扰性能好，通过快速跳频和短包技术来减少同频干扰，保证传输的可靠性。使用的频段为无需申请许可的2.4GHz的ISM频段。
蓝牙协议从协议来源大致分为四部分：核心协议、电缆替代协议（RECOMM）、电路控制协议和选用协议。其中核心协议是蓝牙专利协议，完全由蓝牙SIG开发，包括基带协议（BB）、连接管理协议（LMP）、逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）以及服务发现协议（SDP）。蓝牙协议从体系结构又可分为底层硬件模块、中间协议层和高端应用层三大部分，其中链路管理层（LM）、基带(BB)和射频层（RF）构成蓝牙的底层模块。由此可见，基带层是蓝牙协议的重要组成部分。本文主要对蓝牙技术中最重要的基带数据传输机理进行分析。
1基带协议概述
图1给出蓝牙系统结构示意图。在蓝牙系统中，使用蓝牙技术将设备连接起来的网络称作微微网（Piconet），它由一个主节点（MasterUnit）和多个从节点(SlaveUnit)构成。主节点是微微网中用来同步其他节点的蓝牙设备，是连接过程的发起者，最多可与7个从节点同时维持连接。从节点是微微网中除主节点外的设备。两个或多个微微网可以连接组成散射网（Scatternet）。
图2给出蓝牙协议结构示意图。基带层位于蓝牙协议栈的蓝牙射频之上，并与射频层一起构成蓝牙的物理层。从本质上说，它作为一个链接控制器，描述了基带链路控制器的数字信号处理规范，并与链路管理器协同工作，负责执行象连接建立和功率控制等链路层的，如图3所示。基带收发器在跳频（频分）的同时将时间划分（时分），采用时分双工（TDD）工作方式（交替发送和接收），基带负责把数字信号写入并从收发器中读入数据。主要管理物理信道和链接，负责跳频选择和蓝牙数据及信息帧的传输、象误码纠错、数据白化、蓝牙安全等。基带也管理同步和异步链接，处理分组包，执行寻呼、查询来访及获取蓝牙设备等。
在蓝牙基带协议中规定，蓝牙设备可以使用4种类型的地址用于同场合和状态。其中，48位的蓝牙设备地址BD_ADDR（IEEE802标准），是蓝牙设备连接过程的唯一标准；3位的微微网激活节点地址AM_ADDR，用以标识微微网中激活成员，该地址3位全用作广播信息；8位的微微网休眠节点地址PM_ADDR，用以标识微微网中休眠的从节点。微微网接入地址AR_ADDR，分配给微微网中要启动唤醒过程的从节点。
当微微网主从节点通信时，彼此必须保持同步。同步所采用的时钟包括自身不调整也不关闭的本地设备时钟CLKN，微微网中主节点的系统时钟CLK以及为主节点时钟对从节点本地设备时钟进行周期更新以保持主从同步的补偿时钟CLKE。
与其它无线技术一样，蓝牙技术中微微网通过使用各种信道来实现数据的无线传输。其中，物理信道表示在79个或者23个射频信道上跳变的伪随机跳频序列，每个微微网的跳频序列是唯一的，并且由主节点的蓝牙设备地址决定；此外，蓝牙有5种传送不同类型信息的逻辑信道，它们分别为：
(1)LC信道：控制信道，用来传送链路层控制信息；
(2)LMC信道：链接管理信道，用在链路层传送链接管理信息；
(3)UA信道：用户信道，用来传送异步的用户信息；
(4)UI信道：用户信道，用来传送等时的用户信息；
(5)US信道：用户信道，用来传送同步的用户信息。
在蓝牙系统中，主从节点以时分双工（TDD）机制轮流进行数据传输。因此，在信道上又可划分为长度为625μs的时隙（TimeSlot），并以微微网主节点时钟进行编号(0-227-1)，主从节点分别在奇、偶时隙进行数据发送。
2蓝牙数据传输
蓝牙支持电路和分组交换，数据以分组形式在信道中传输，并使用流控制来避免分组丢失和拥塞。为确保分组包数据正确传输，还进行数据的白化和纠错，下面分别对这些传输机制进行分析。
2.1蓝牙分组
分组包数据可以包含话音、数据或两者兼有。分组包可以占用多个时隙（多时隙分组）并且可以在下一个时隙继续发送，净荷(Payload)也带有16位的错误校验识别和校验（CRC）。有5种普通的分组类型，4个SCO分组包和7个ACL分组包。一般分组包格式如图4。
图3基带层抽象
其中，接入码(Accesscode)用来定时同步、偏移补偿、寻呼和查询。蓝牙中有三种不同类型的接入码：
(1)信道接入码（CAC）：用来标识一个微微网；
(2)设备接入码（DAC）：用作设备寻呼和它的响应；
(3)查询接入码（IAC）：用作设备查询目的。
分组头（Header）包含6个字段，用于链路控制。其中AM_ADDR是激活成员地址，TYPE指明分组类型，FLOW用于ACL流量控制位，ARQN是分组包确认标识，SEQN用于分组重排的分组编号，HEC对分组头进行验。蓝牙使用快速、不编号的分组包确认方式，通过设置合适的ARQN值来区别确定是否接收到数据分组包。如果超时，则忽略这个分组包，继续发送下一个。
2.2链接及流控制
蓝牙定义了两种链路类型，即面向连接的同步链路（SCO）和面向无连接的异步链路（ACL）。SCO链接是一个对称的主从节点之间点对点的同步链接，在预留的时间里发送SCO分组，属于电路交换，主要携带话音信息。主节点可同时支持3个SCO链接，从节点可同时支持2～3个链接SCO，SCO分组包不支持重传。SCO链路通过主节点LMP发送一个SCO建立消息来建立，该消息包含定时参数（Tsco和Dsco）。
ACL链接是为匹克网主节点在没有为SCO链接保留的时隙中，提供可以与任何从节点进行异步或同步数据交换的机制。一对主从节点只可以维持一个ACL链接。使用多个ACL分组时，蓝牙采用分组包重发机制来保证数据的完整性。ACL分组不指定确定从节点时，被认为是广播分组，每个从节点都接收这个分组。
蓝牙建议使用FIFO（先进先出）队列来实现ACL和SCO链接的发送和接收，链接管理器负责填充这些队列，而链接控制器负责自动清空队列。接收FIFO队列已满时则使用流控制来避免分组丢失和拥塞。如果不能接收到数据，接收者的链接控制器发送一个STOP指令，并插入到返回的分组头（Header）中，并且FLOW位置1。当发送者接收到STOP指示，就冻结它的FIFO队列停止发送。如果接收器已准备好，发送一个GO分组给发送方重新恢复数据传输，FLOW位置0。
2.3数据同步、扰码和纠错
由于蓝牙设备发送器采用时分双工（TDD）工作机制，它必须以一种同步的方式来交替发送和接收数据。微微网通过主节点的系统时钟来实现同步，并决定其跳频序列中的相位。在微微网建立时，主节点的时钟传送给从节点，每个从点节给自己的本地时钟加上一个偏移量，实现与主节点的同步。在微微同生存期内，主节点不会调整自己的系统时钟。为了与主节点的时钟匹配，从节点会偏移量进行周期的更新。蓝牙时钟应该至少具有312μs的分首辨率。主节点分组发送的平均定时与理想的625ms时隙相比，偏移不不能超过20ppm，抖动（Jitter）应该少于1ms。
在分组数据送出去并且在FEC编码之前，分组头和净荷要进行扰码，使分组包随机化。接收数据分组包时，使用盯同的白化字进行去扰处理。
为了提高数据传输可靠性及系统抗干扰性，蓝牙数据传输机制采用三种纠错方式：1/3率FEC编码方式（即每一数据位重复3次）、冗余2/3率FEC编码方式（即用一个多项式发生器把10位码编码成15位码）以及数据自动请求重发方式（即发送方在收到接收方确认消息之前一直重发数据包，直到超时）。
图4蓝牙分组包格式
3蓝牙设备连接
蓝牙链接控制器工作在两种主要状态：待令（Standby）和连接（Connection）。在蓝牙设备中，Standby是缺省的低功率状态，只运行本地时钟且不与任何其他设备交互。在连接状态，主节点和从节点能交换分组包进行通信，所以要实现蓝牙设备之间的互相，彼此必须先建立连接。由于蓝牙使用的ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，会遇到各种各样的干扰源，所以蓝牙采用分组包快速确认技术和跳频方案来确保链路和信道的稳定。在建立连接和通信过程中使用跳频序列作为物理信道，跳频选择就是选择通信的信道。
3.1跳频选择
跳频技术把频带分成若干个跳频信道（HopChannel）。无线电收发器按一定的码序列（以产生随机数的方式）不断地从一个信道跳到另一个信道，并且收发双方都按这个规律才能通信并同步。跳频的瞬时带宽很窄，通过扩频技术展成宽频带，使干扰的影响最小。当一个设备被激活时，该设备被分配32个跳频频点，以后该设备就在这些跳频点上接收和发送信息。通用跳频选择方案由两部分组成，即选择一个序列并在跳频频点上映射该序列。对于每一情况，都需要从-主和主-从两种跳频序列。蓝牙系统中使用的跳频序列有如下几种：
(1)呼叫跳频序列：在呼叫（Page）状态使用；
(2)呼叫应答序列：在呼叫应答（PageResponse）状态使用；
(3)查询序列：在查询（Inquiry）状态使用；
(4)查询应答序列：在查询应答（InquiryResponse）状态使用；
(5)信道跳频序列：在连接（Connection）状态使用。
3.2蓝牙连接建立
从待令状态到连接状态的过程就是连接建立过程。通常来讲，两个设备的连接建立过程如下：
首先，主节点使用GIAC和DIAC来查询范围内的蓝牙设备（查询状态）。如果任何附近的蓝牙设备正在监听这些查询（查询扫描状态），就发送它的地址和时钟信息后，从节点可以开始监听来自主节点的寻呼消息（寻呼扫描），主节点在发现附近的设备之间可以寻呼这些设备（寻呼状态），建立链接。在寻呼扫描的从设备被这个主节点寻呼后，就会以DAC（设备访问码）来响应（Slaveresponsesubstate）。主节点在接收到从节点的响应后，便可以以送主节点的实时时钟、BD_ADDR、BCH奇偶位和设备类（FHS分组包），最后在从节点已经接收到这个FHS分组之后，进入连接状态。具体过程如图5。
由图5可见，在蓝牙连接建立的呼个不同阶段，主节点和从节点分别处于不同的状态，这些状态包括：
查询（Inquiry）：查询是主节点用来查找可监视区域中的蓝牙设备，以便通过收集来自从节点响应查询消息中得到该节点的设备地址和时钟，查询过程使用IAC；
查询扫描（InquiryScan）：蓝牙设备周期地监听来自其他设备的查询消息，以便自己能被发现。扫描过程中，设备可以监听普通查询接入码（GIAC）和特定查询接入码（DIAC）；
查询响应（Inquiryresponse）：从节点以FHS分组响应查询消息，它携带从节点的DAC、本地时钟等信息；
寻呼（Page）：主节点通过在不同的跳频序列发送消息，来激活一个从节点并建立连接，寻呼过程使用DAC；
寻呼扫描（PageScan）：从节点周期性地在扫描窗间隔时间内唤醒自己，并监听自己的DAC，从节点每隔1.28s在这个扫描窗上根据寻呼跳频序列选择一个扫描频率；
从节点响应（SlaveResponse）：从节点在寻呼扫描状态收到主节点对自己的寻呼消息即进入响应状态，响应主设备的寻呼消息；
主节点响应（MasterResponse）：主节点在接收到从节点对它的寻呼消息的响应后，主节点发送一个FHS分组给从节点，如果从节点响应回答，主节点就进入连接状态。
3.3连接状态
连接（connection）状态以主节点发送一个POLL分组开始，表示连接已经建立，此时分组包可以在主从节点之间来回发送。连接两端即主从节点都使用主节点的接入码和时钟，并且使用的跳频为信道跳频序列。即在连接建立后，主节点的蓝牙设备地址（BD_ADDR）决定跳频序列和信道接入码。在连接状态的蓝牙设备，可以有以下几个子状态：
Active:在这个模式下，主从节点都分别在信道通过监听，发送和接收分组包，并彼此保持同步；
Sniff:在这个模式下，从节点可以暂时不支持ACL分组，也就是ACL链路进入低能源sleep模式，空出资源，使得象寻呼、扫描等活动、信道仍可用；
Park：当从节点不必介入微微网信道，但仍想与信道维持同步，它能进入park（休眠）模式，此时具有很少的活动而处于低耗模式，从节点放弃AM_ADDR，而使用PM_ADDR。
4蓝牙完全机制
关键词:蓝光盘密集波分复用
随着蓝光盘摄像机和录像机的出现，电视传媒行业从传统磁带记录走向了光盘记录。虽然这是光技术在广电领域应用的一小步，却是广电科技与时俱进的一大步。
大约40年前，人类已经拥有第一根海底光缆。光通讯，在电信高端领域，方兴未艾。时至今日，在实验室，日本NEC和法国阿尔卡特公司分别实现了总容量为10.9Tb/s(273x40Gb/s)和总容量为10.2Tb/s(256x40Gb/s)的传输容量最新世界记录。而单模光纤的无中继传输已经达到4000KM。从技术上看，再有5年左右的时间，实用化的最大传输链路容量有可能达到5-10Tb/s。简言之，网络容量将不会受限于传输链路。
以下我们分别对光存储和光传输方面做以详细阐述。
一光存储
资讯对储存容量需求日增，光存储技术在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技术上有着巨大的发展潜力。业界一直在积极开发更高容量的各种储存技术。蓝紫色激光存储技术（Blue-VioletLaser）、磁光盘存储技术、做为硬盘（HDD）技术和磁光盘技术的结合的近场光盘技术超解析度储存技术（SuperRENS）、3D立体储存技术（MultiLayers；MultiLevel）以及荧光多层光盘技术FDM（FluorescentMultilayerDisc）等相继问世。
传统CD和DVD上有一层薄薄的反射层，和许多肉眼看不见的凹凸，它包含二进制信息。为了从这些盘片上读出数据，由一个半导体激光发生器产生特定波长的激光束，射向旋转中的光盘片，然后反射光通过棱镜和透镜构成的组镜机构再射向接收数据的光电装置，而这个光电装置连接的电路能够辩识出激光所反射回来的数据。在光盘上，数据是凹槽(pits)及平面(lands)的型式来加以编码，而光电装置的电路能辩识出激光射中的平面及射中凹槽的所走距离差这就称为相位提升(PhaseShift)，而这个技术就是在光盘中资料储存与读取的基础。经由光电读取装置，反射回到的凹槽与平面的变化将会转换成1与0的数位讯号，从而构成数据流特征。DVD之所以容量比CD大，无非是在同样面积的盘片上凹凸更多罢了。若要有效地缩小记录点大小以提升记录密度，必须使用短波长的光源；或者使用高折射系数的介质；或者提升透镜的NA（数值孔径）值。显然在一个存储容量巨大的盘片上，红色激光根本无法辨识那么多更密集的凹凸了。因此索尼及其它公司纷纷转向蓝色激光的研究。蓝色激光的波长较短，因此驱动器可以辨识出更小半径的凹凸，盘片的容量就可以做的更大。现在的蓝光盘技术不管是日欧韩9家AV产品制造商联合制定的新一代光盘规格"蓝光光盘"，还是东芝和NEC向DVD论坛提出的"AOD（高级光盘，暂定名）"规格，只不过是商家为自己谋求更高的商业利润而制定的不同的标准罢了。就核心技术上而言，没有太大的区别。让我们再深入了解一下蓝光盘和高密度光存储技术的发展趋势。
1、蓝光盘技术
蓝光盘技术属于相变光盘（PhaseChangeDisk)技术，它与传统光盘记录不同，传统光盘的记录和读出原理是利用磁技术和光技术相结合来记录和读出信息，而相变光盘的记录和读出原理只是用光技术来记录和读出信息。相变光盘利用激光使记录介质在结晶态和非结晶态之间的可逆相变结构来实现信息的记录和擦除。在写操作时，聚焦激光束加热记录介质的目的是改变相变记录介质晶体状态，用结晶状态和非结晶状态来区分0和1；读操作时，利用结晶状态和非结晶状态具有不同反射率这个特性来检测0和1信号。
实际的蓝光盘应用蓝紫色激光技术，能在直径12公分的盘片上，储存两小时的高清晰度视音频信号，在2002年2月的初期版本中，透过使用405nm的蓝紫色电射半导体，NA（数值孔径）值为0.85的读取头、以及0.1mm的光学透射保护层架构，蓝光盘可以将12公分的单面光盘片资料储存容量提升到27GB。它可以记录两小时的高清晰度视音频信号，以及超过13小时的标准电视信号。
在资料转换率方面，蓝光盘可以将高清晰度的电视节目，以36Mbps的速度从摄像机转换到播放媒体上，并能维持节目品质。另外，它还具有任意影像捕捉，以及重覆播放等功能。
在兼容性方面，由于蓝光盘采用MPEG2码流压缩技术，因此它同时适用于数字广播系统，可执行电视台多种视频记录与播放。
另外，在资料安全性部分，蓝光盘也采用了一种独特的ID写入模式，可确保资料安全，并为盗版问题提出一套保护版权的解决方案。
2、高密度光存储技术的发展趋势
（1）采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统，使数值孔径超过1.0，相当于探测器进入介质的辐射场，从而能够得到超精细结构信息，突破衍射极限，获得更高的分辨率，可使经典光学显微镜的分辨率提高两个数量级，面密度提高4个数量级。
（2）以光量子效应代替目前的光热效应实现数据的写入与读出，从原理上将存储密度提高到分子量级甚至原子量级，而且由于量子效应没有热学过程，其反应速度可达到皮秒量级（1O-12秒），另外，由于记录介质的反应与其吸收的光子数有关，可以使记录方式从目前的二存储变成多值存储，使存储容量提高许多倍。
（3）三维多重体全息存储，利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像，包括二值的或有灰阶的图像信息，由于全息图像对空间位置的敏感性，这种方法可以得到极高的存储容量，并基于光栅空间相位的变化，三维多重体全息存储器还有可能进行选择性擦除及重写。
（4）利用当代物理学的其它成就，包括光子回波时域相干光子存储原理、光子俘获存储原理、共振荧光、超荧光和光学双稳态效应、光子诱发光致变色的光化学效应、双光子三维体相光致变色效应，以及借助许多新的工具和技术，诸如扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、光学集成技术及微光纤阵列技术等，提高存储密度和构成多层、多重、多灰阶、高速、并行读写海量存储系统。
3、新型光盘技术的应用
大量的信息要求有大容量的存储设备，光存储驱动器和几种光储存媒体均将呈现出足够快的增长趋向。光存储市场的发展，将改变声音图象及其它数据的存储方式及传播方式。光存储产品可以利用自动换盘系统，组成光盘库、光盘塔、光盘阵列，实现提高整个系统的容量、数据传输率及多数据存储的可靠性。如果将光盘库、光盘塔及光盘阵列与自动换盘系统有机结合，可以大大提高系统容量、数据传输率和显著改善存储数据的可靠性。
在技术上，磁带已经基本上没有潜力了，而且与非线性的编辑系统存在明显的矛盾；专业光盘虽然不会在很短的时间内取代磁带，但其非线性、高密度、低成本、高传输速度的优势已经带来了良好的开端。Sony公司不失时机的推出光盘专业摄录像器材，这些设备使用基于蓝紫色激光技术的光盘作为存储介质，充分发挥非线性记录方式带来的灵活性。例如：PDW-3000专业蓝光盘编辑录像机(演播室机型)，它可记录和重放IMX/DVCAM格式，具有完善丰富的输入输出接口，包括传统视音频和网络接口。它的双光头设计可实现高速文件读出。它具有快速图像搜索，图像索引功能和光盘的随机访问功能，可以快速定位到所需图像。它具有场景选择随机存取能力，使得任意定位素材段成为可能，跳过不必要的素材。特别值得提出的是这种录像机可以将高低分辨率素材同时记录在光盘上，高分辨率素材用于高质量节目的制作和输出，低分辨率素材可用于编辑，浏览等等，低分辨率素材还可以为互联网播出等用途提供数据。二光传输
让我们再来看看光传输，现在各省市有线电视台网络中在主干线多使用光缆传输信号，在电视台内部的新闻网或制作网也使用光纤代替电缆传送素材文件。众所周知，光纤传输比传统电缆传输有频带宽、容量大、损耗低、保真度高、抗干扰等优点。而随着光电子器件的持续发展，光纤工艺的提高，以及光纤技术和IT技术的相互渗透和融合，光传输技术有了相当大的发展，这对电视台通信架构的改变起到了巨大的推动作用。以下是对满足电视台需求的光传输技术的具体阐述。
1、光纤技术的介绍
（1）单波长技术
对于业务量和距离长度要求不大时，普通的单波长技术就已能满足需求。几年前单波光纤的数据传输就已能达到10Gbps。目前在单波长上进行数据传输已经能够做到40G的带宽，虽然这已经是单波长所能够传输的极限，并且实用的传输容量也没有这么大，但相对电视台内部网近距离的视音频传输要求已经够用。
单波技术基于电时分复用（ETDM）技术，但由于微电子技术和光纤色散的限制，微电子技术难以支持电时分复用有新的突破。光纤上的色散是10Gbps及其以上速率系统传输距离的主要制约因素，且随着比特率越高而影响越大。
（2）密集波分复用
对于传输量更大，传输距离更远的要求，仅靠提高单信道系统的速率已没有空间，另一种途径就是使用复用技术。光复用的方式有很多种，目前比较成熟并已进入大规模商用阶段的是光波分复用，尤其是DWDM--密集波分复用。（DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing）
DWDM技术简单地说是在一根光纤上接入不同波长的光信号，使传输容量比单波长传输容量增加几倍甚至上百倍。提到DWDM，不能不提掺铒光纤放大器（EDFA）。EDFA的出现使得DWDM得以实用。EDFA是一种全光放大器，它的使用取代了原来光-电-光的中继再生方式，突破了光电、电光转换的速度瓶颈，使长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能，是DWDM系统及未来高速系统、全光网络不可缺少的重要器件。EDFA工作窗口在1530-1565nm，对波分复用中的每个波长补充功率，并经过若干个EDFA再用再生器来消除色散的影响。
使用DWDM，可以大大提高光缆传输容量，节省光纤，降低传输成本。DWDM目前可商用的水平，我国的传输容量为80Gbps，国外如朗讯公司的传输容量为400Gbps，实验室的水平则已超过Tbps。
（3）新型G.655光纤
（4）全波光纤
使用全波光纤，增加传输频带。在未来的电视台光纤网中，除了传输多路的视音频数据以外，还会传输大量的管理数据。充分地拓展可用频带已成为关键。而在光纤的另一个低损窗口1.31um，虽然石英光纤在此波段时的色度色散为零，但由于1385nm附近存在着一个OH-离子吸收峰，对光纤传输能产生较大的衰减。而由此诞生的全波光纤采用了一种全新的生产工艺，几乎可以完全消除由OH-峰引起的负面影响，并且使用与普通的G.652匹配包层光纤一样的标准。
由于开放了这一低损窗口，全波光纤的可用波长范围增加了100nm，使光纤的全部可用波长范围由大约200nm增加到300nm，可复用的波长数大大增加，而且在上述波长范围内，光纤的色散仅为1550nm波长区的一半，因而，容易实现高比特率长距离传输。同时，由于波长范围大大扩展，一方面可以将不同的波长分配不同的数据流，从而改进网络管理；另一方面，允许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其它元件，使元器件的成本大幅度下降，从而降低整个系统的成本。
此外掺镨光纤放大器（PDFA）的研制成功也解决了1310nm波长光的中继问题。掺镨光纤放大器工作在1300nm波长窗口，以掺镨光纤作为增益介质。在实用过程中，可分别使用PDFA和EDFA对1310nm和1550nm波长的光信号进行功率放大和补偿衰耗。
无论是工作在1550nm的G.655光纤，还是使用1310nm的全波光纤，最新的光纤技术带来的是更高的传输速度和更大的传输容量，这为电视台使用光纤传输多种数据打下了坚实的基础。由于突破了传输瓶颈，在传输视音频信号的同时还可传输大量的管理信息，包括文件的元数据以及其他SNMP数据流。这也为建立基于IP的视频管理网络铺平了道路。
2、因特网技术和光纤技术的结合
随着因特网技术的快速发展，ATM、SDH、IP等技术不断融入到光成域网的建设中。目前代表发展方向的是IPoverWDM技术，其中比较成熟的解决方案是GEOverDWDM（GE：千兆以太网）。GEOverDWDM对于有线电视网络最大的好处就是可以实现在原有光纤网络基础上平滑、连续性的网络升级，同时可以和原有的10Mb/s、100Mb/s以太网无缝连接，能降低系统的成本和复杂性，保护广电系统的投资。
IPoverDWDM通俗的说法就是让IP数据包直接在光路上传送，减少网络层之间的冗余部分，能够省去网络运营商的成本，同时也降低用户使用通信业务的费用。GEoverDWDM是IPoverDWDM的一种廉价方式，适用于广电系统城域IP骨干网的建设。
千兆以太网（GE）技术是目前技术成熟的最快速以太网技术，它可以提供1Gbps的带宽，由于采用和传统10Mb/s、100Mb/s以太网同样的帧格式和帧长，因此GE可以在原有低速以太网基础上实现平滑过渡。目前GEOverDWDM使用光放大器后的传输距离已可达到640公里。在现有的有线电视网络基础上，使用千兆以太网技术，具有一定的现实经济意义。可以预见，GEOverDWDM技术将成为广电网络中城域网的理想方案。
随着各种光传输技术不断地投入使用，整个电视台的网络架构将会发生巨大改变，而全光网和光接入网的建设和发展，使这种趋势越来越明显。
三光应用
由以上光记录和光传输的介绍，我们可以了解到光技术已经逐渐渗透至专业视频领域。以下为笔者设想的以光技术为基础构建的新型电视台IT制作网。相对于传统电视台制作网它将具备以下特性：
1.首先是高效的资源共享能力。可以实现快速的数据存取、迁徙及交换。
2.由于光盘录像机的出现，文件化的素材交换方式得以实现，解决了传统电视台制作网素材上下载消耗时间的瓶颈。
3.具有智能化的网络监控管理功能。
4.整个网络具备可扩展性，强容错性，高兼容性以及与其他网络的互换性。
我们可以设想以下的以光技术为基础的全光业务网，当然这里的全光目前不会是完全的光技术，也包含节点转换上使用的一些光电和电光设备。前期节目素材由光盘摄像机采集，光盘摄像机可以是高端的SONY的PDW蓝光盘摄像机，它的记录文件格式是MPEG24：2：2P@MLIMX或者是DVCAM格式；也可以是低端的东芝的家用DVD光盘录像机，它的记录格式是MPEG2TS流。以上文件格式的素材在摄像机内部被刻录到蓝光盘或普通的DVD碟片上。通过相应的光盘录像机或专用的光盘驱动器由光纤实时传输并存储到后期编辑制作单元。制作单元为现有的电视台制作工作站，由后期编辑制作单元来进行原始素材的编辑及后期处理工作，各种特效、字幕、配音、片头等在此处完成。制作完的节目由光纤无损地送入中央存储部分的光盘库中，一方面用于播出。另一方面，可以实现节目的存储和归档或者利用光盘录像机下载，便于以后的索引和节目调用。基于SNMP（简单网络管理协议）技术的系统监控单元通过与各单元交换信息，实时监测系统在节点光交换设备和传输通路上的光纤状况。采用光纤作为工作站点连通的物理方式，用于数据的迁徙，设备和业务运营管理等控制信息的传递。采用光盘库作为中央存储单元，其管理软件可以区分短期存储的播出节目和长期存储以供后用的节目。短期存储的节目存储在一级光盘库，节目播出后定时删除。长期存储节目编目后放至二级光盘库，作为媒体资源有原则的开放，不同级别的用户通过光纤有偿或免费获取媒体资源。一级光盘库为在线存储体，容量以电视台内部人员充分使用即可，它是提供给电视台内部用户使用的高速媒体资源共享体，满足包括播出，节目制作，节目下载的宿求。二级光盘库为近线存储体，为海量存储，它的媒体资源存储主要为节目的再利用和再加工服务，另外为电视台以外的用户提供VOD或者媒体资源再利用和交换的宿求。
以上设想的网络比较现今的网络，由于光技术的使用，可以突显出高速共享的精神，达到用户所见所得的需求。真正实现网络化、数字化的实时的信息交换。
虽然我国在船舶技术管理上有了长足的进展，但是由于设备落后，技术人员匮乏等方面的原因也存在一些问题，大致分一下几种情况。
1．高素质船舶技术管理人员缺乏
船舶技术管理水平高低的最关键因素是人，尤其是高素质船舶技术管理人员他们将决定着整个技术水平的高低，但是由于我国航运事业发展较快，高等院校培养的技术人员数量有限，同时这些理论人员只有和实践相结合才能磨练出高水平高素质的高素质船舶技术管理人员。另一方面随着新型船舶的应用及各种新技术、新手段船舶管理中的应用这些都对船舶技术管理人员提出更高的要求，显然目前的船舶技术管理人员还达不到这种要求。第三，同时船上生活比较单调、枯燥乏味，条件比较艰苦，易造成高素质船舶技术管理人员大量流失。
2．船舶管理制度不完善
在对船舶进行技术管理的过程中，涉及到多系统复杂的技术操作和技术要求，建立制度化是保障技术人员按照规范操作的必备条件之一，通过制度化规范操作，防止因不当操作导致的船舶事故发生。但是目前由于从事航运的技术人员文化水平不高，公司规模大小不一，企业制度建设不健全不完善，这些都影响到船舶管理技术水平的高低。
3．船舶技术管理提升资金投入少
船舶的设备正在不断更新，船舶相应的技术也在不断进步，给船舶技术的管理带来了困难和挑战，船舶管理技术的提升必须让技术管理人员进行进修和培训，这些培训都需要相应的资金，但是现在船舶公司并不太重视员工培训，对船舶技术管理提升资金投入少也影响技术的提升。
二、提高船舶技术管理水平的建议及对策
船舶技术管理涉及到船舶企业从企业组织结构到管理模式，从制度到个体等各个方面，提高船舶技术管理水平，可以通过改变传统船舶技术管理模式，创建管理新模式、加强船舶技术管理制度化建设、加大船舶技术提升的资金支持和培训机制建设、提高船舶技术管理的信息化水平、建立完善的提升船舶技术管理的激励机制等方面进行。
1．改变传统船舶技术管理模式，创建管理新模式
传统的船舶技术管理模式往往缺乏统一性，经常管理混乱，经常出现问题分析不明、计划控制不力、人才缺乏、组织内部冲突等各种矛盾，使得船舶组织管理失去应有的活力。因此应打破各自为政的封闭式管理，构建开发新的技术管理模式。多项目船舶技术管理模式就是一种新的技术管理模式。多项目管理模式简单地说就是一个项目部门同时管理多个项目，采取组织、协调、调配等管理手段，协调现行船舶技术管理组织中所有的项目的筛选、评估、计划、执行与控制等各项工作，并将多个项目有机的组合起来，进行综合统计、分析、比较、协调和均衡统筹的项目管理方式。这既是一种思想，也是一种方法。通过创建新型的船舶技术管理模式能够实现让船舶技术管理的决策层，管理层，和基层之间建立双向互动的联系。实现船舶技术管理的计划性和资源平衡和共享，最终追求整个船舶技术管理水平的提升。
2．加强船舶技术管理制度化建设
制度能使工作规范化，保证船舶技术管理的正常进行避免杂乱无章和乱无头绪的状态。船舶技术管理制度建设应制定总指挥负责管理工作的总体协调与安排，审批船舶重点检修项目安全控制措施，指定专人对船舶的运行维修负责。贯彻执行国家安全环保法规和条例，以及公司的各项安全环保规章制度。比如对船舶维修过程的技术管理应该制定详细、具体的方案，对每一步骤都要有明确的要求和安全环保注意事项，所有控制措施落实专人负责。同时要对检修项目进行危害辨识和风险评价，依照辨识和评价结果，根据安全环保法律法规、技术标准、规范、管理规定，参照以往事故案例、经验教训，制定科学合理的检修方案。
3．建立完善的提升船舶技术管理的激励机制
船员对提升船舶技术管理水平有一定的认知误区，也缺乏一定的能动性，只凭借自觉自愿有时很难达到应有的提升船舶技术水平的要求。应建立一套完善的提升船舶技术管理的激励机制，通过对船员者的激励，让他们自觉自愿的进行自身技术和能力的提升。具体可以从以下几个方面考虑。
（1）给船员提供提升船舶技术的经费和补助。通过资金扶植和奖励，能够让船舶从业者享受企业提供的进修机会和培训机会，用于自身能力的提高。这种方式要比简单的命令和硬性规定更能调动进修培训的积极性。
（2）建立相应的竞争机制。如果自由培训没有考核可能也会使培训流于形式，船舶公司可以通过举办各种形式的活动和技能比赛，一方面给参与进修的船舶从业者一个展示的平台，给没参加技术培养的人员以榜样的作用。另一方面通过竞争性比赛对参与船舶进修和培训的人员来说也是一种宽松的考核方式，达到监督培训效果和提升业务能力的作用。
（3）激励机制要把精神奖励纳入激励范围。人的需求即有物质的，又有精神的。在建立激励机制的时候可以考虑建立必要的精神激励机制，通过各种表彰和技术能手称号等精神激励能让船舶技术能力强的船舶从业者获得精神上的满足和成就感，让员工认为自己的工作很有价值或很有创造性时往往会有很大的工作热情，同时对其它员工也有很好的引领作用。
4．加大船舶技术提升的资金支持和培训机制建设
船舶技术作为一个前沿领域从理论到技术上发展和变化很快，技术水平日新月异，因此要想提升船舶技术的管理水平必须要进行进修和培训，及时掌握先进的理论和技术，这些需要一定的财力支持和资金投入。在培训机制的建设时应建立健全人才培训机制，通过制度化的定期培训和不定期的业务培训，然后在结合船舶营运的周期性变化合理安全培训日程和内容。在培训时还要做到岗位培训与实践相结合，结合岗位的特点和所需要的知识和技术开展相应的培训后要融入日常工作中进行锻炼、磨合达到技术的提升。对职工定岗定责，建立责任追究制度，同时结合岗位技能进行培训和锻炼，进行规范化操作，达到的防止事故发生目的。
5．提高船舶技术管理的信息化水平
提高船舶技术管理的信息化水平是提高船舶航运企业效率的重要途径。现代企业只有提升企业的效率才能获得良好的效益。通过船舶技术管理的信息化建设能轻松的构建立体的综合的组织结构网络，让船舶航运企业内部的管理更顺畅也更便捷，也更有利于船舶技术管理水平的提升。在进行船舶技术管理的信息化建设过程中应着力构建技术培训信息化，让培训技术和实际工作的结合，这样既不耽误工作又不耽误学习达到工作学习的双收益。提高船舶技术管理的信息化水平的过程中还应该着力构建船舶航运企业内部各部门及各岗位的信息化建设。通过信息化建设能及时让管理者了解各个部门的工作状况并及时提出相应的决策，对于执行者也能及时了解高层的决策部署，调整工作部署和工作安排。
三、结语
关键词：AT89C51串行口无线数字电台串行通信
一般的数字采集系统，是通过传感器将捕捉的现场信号转换为电信号，经模/数转换器ADC采样、量化、编码后，为成数字信号，存入数据存储器，或送给微处理器，或通过无线方式将数据发送给接收端进行处理。无线数据传输系统就是样一套利用无线手段，将采集的数据由测量站发送到主控站的设备。
1系统组成
系统组成如图1、图2所示。
系统由测量站和主控站两部分组成。测量站主要完成对现场信号的采集、存储，接收遥控指令并发送数据。主控站的主要工作是发送遥控指令、接收数据信息、进行数据处理和数据管理、随机显示打印等。
2AT89C51与数字电台的串行通信
Atmel公司的AT89C51单片机，是一种低功耗、高性能的、片内含有4KBFlashROM的8位CMOS单片机，工作电压范围为2.7～6V（实际使用+5V供电），8位数据总线。它有一个可编程的全双工串行通信接口，能同时进行串行发送和执着收。通过RXD引脚（串行数据接收端）和TXD引脚（串行数据发送端）与外界进行通信。
2.1通信协议与波特率
数字电台与单片机、终端主控机的通信协议为：
通信接口——标准串行RS232接口，9线制半双工方式；
通信帧格式——1位起始位，8位数据位，1位可编程数据位，1位停止位；
波特率——1200baud。
数字电台选用Motorola公司的GM系列车载电台，工作于VHF/UHF频段，可进行无线数传（9线制标准串行RS232接口），也可进行话音通信；采用二进制移频键控（2FSK）调制解调方式，符合国际电报电话咨询委员会CCITT.23标准。在话带内进行数字传输时，推荐在不高于1200b/s数据率时使用。实际使用时，电台工作于220～240MHz频率范围，采用半双工方式（执行收、发操作，但不能同时进行）即可满足系统要求。
2.2AT89C51串行口工作方式
AT89C51串行口可设置四种工作方式，可有8位、10位和11位帧格式。本系统中，AT89C51串行口工作于方式3，即鳘帧11位的异步通信格式：1位起始位，8位数据位（低位在前），1位可编程数据位，1位停止位。
发送前，由软件设置第9位数据（TB8）作奇偶校验位，将要发送的数据写入SBUF，启动发送过程。串行口能自动把TB8取出，装入到第9位数据的位置，再逐一发送出去。发送完毕，使TI=1。
接收时，置SCON中的REN为1，允许接收。当检测到RXD（P3.0端有“1”到“0”的跳变（起始位）时，开始接收9位数据，送入移位寄存器（9位）。当满足RI=0且SM2=0或接收到的9位数据为1时，前8位数据送入SBUF，第9位数据送入SCON中的RB8，置RI为1；否则，这次接收无效，不置位RI。
串口方式3的波特率由定时器T1的溢出率与SMOD值同时决定：
方式3波特率=T1溢出率/n
当SMOD=0时，n=32；SMOD=1时，n=16。T1溢出率取决于T1的计数速率（计数速率=fosc/12）和TI预置的初值。
定时器T1用作波特率发生器，工作于模式2（自动重装初值）。设TH1和TL1定时计数初值为X，则每过“28-X”个机器周期，T1就会发生一次溢出。初值X确定如下：
X=256-fosc×(SMOD+1)/384×BTL
本系统中，SMOD=0，波行率BTL=1200，晶振fosc=6MHz，所以初值X=F3H。
2.3AT89C51与数字电台的硬件连接
AT89C51与数字电台的硬件连接如图3所示。
系统采用异步串行通信方式传输测量数据。利用单片机串口与数字电台RS232数据口相连。电台常态为收状态（PPT=0，收状态；PPT=1，发状态），单片机P3.5脚输出高电平。单片机使用TTL电平，电台使用RS232电平，由MAX232完成TTL电平与RS232电平之间的转换。3片光电耦合器6N137实现单片机与电台之间的电源隔离，增强系统抗干扰性能。
单片机通过带控制端的三态缓冲门74HC125、非门74HC14控制电台的收发转换，以及指令的接收和数据发送。接收时，P3.5=1,c2=1，74HC125B截止；P3.5经74HC14反相、光电隔离，使电台PPT脚为低电平，将其置为接收状态；同时c1=0，74HC125A导通，接收的指令由电台的RXD端输入，经MAX232电平变换、光电隔离、74HC125A缓冲门，送入单片机RXD脚。发射时，P3.5=0，经74HC14反相、光电隔离，使电台PPT脚为高电平，将其置为发射状态；同时c1=1，74HC125A截止，c2=0，74HC125B导通，数据由单片机TXD脚输出，经74HC125B缓冲门、光电隔离、MAX232电平变换，通过电台TXD端口将数据发送出去。
3通信软件设计
通信软件至关重要，一旦出现问题，整个系统就会瘫痪。采取差错控制与容错技术是非常重要的。
*主控站发送的指令中包含一定数量的同步符55H和3字节的密码。测量站在连续收到5个同步符后进行密码验证，验证通过后正式接收指令字节；如未通过，则测量站发一信号让主控站重发，三次验证不过则停发该命令。测量站发/主控站收时，验证方式与此相同。验证通过后，测量站开始发送数据。
*一个指令由3字节构成，第二字节等于第一字节加上35H，第3字节等于第二字节加上36H。如果收到的指令不符合此规则，则重发该命令，连续三次错误时停发。
*主控站每发一个指令，测量站都回送一个应答信号。该应答信号中包含原指令样本。
下面给出单片机串行口与电台的基本通信程序。
初始化程序：
BTLEQU2FH；波特率放在内部RAM的2FH单元
MOVTMOD，#21H；T0方式1，16位计数器，T1方式2，串口用
SETBTR0；启动T0
MOVBTL，#0F3H；波特率设定为1200
MOVSCON，#0C0H；串口方式3，9位数据，禁止接收
接收及验证程序：
NUMEQU2BH；同步符个数值存放在内部RAM的2BH单元
TEMPEQU2CH
ROM-CH：DB55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H
DB55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H，55H；20字节同步符
MIMDB''''WSC''''：3字节密码“WSC”
SETBP3.5；置电台收状态
SETBREN；允许串口接收
A1：MOVNUM，#0；记录连续到同步符55H的个数
A2：JBRI，A2；串口有数据转A3
A3：CLRRI；清接收中断标志
MOVA，SBUF；读串口数据
CJNEA，#55H，A1；不是同步符转A1
INCNUM；收到的同步符个数加1
MOVA，NUM；取收到的同步符个数
CJNEA，#5，A2；未收够连续5个55H转A2
A4:MOVNUM,#0;密码验证，记录收到密码字节数
A5：MOVDPTR，#MIM；密码字符首址
MOVA，NUM
MOVCA，@A+DPTR；查表取密码
MOVTEMP，A；保存密码
JBRI，A6；串口收完一个字节转A6
…
A6：CLRRI；清接收中断标志
MOVA，SBUF；读串口数据
CJNEA，TEMP，A4；与密码不符转A4
INCNUM；收到的密码个数加1
MOVA，NUM；取已收到的密码字节数
CJNEA，#3，A5；密码未收完转A5
发送程序：
CLRP3.5；置电台发状态
MOVB，#23
MOVDPTR，#ROM-CH
B1：CLRA
MOVCA，@A+DPTR；查表发送同步符和密码共24字节
INCDPTR
LCALLSEND-CH；调发送单字节子程序
DJNZB，B1
…
CLRA
MOVDPTR，#7000H；外部RAM数据首址，发送外部RAM中的数据到电台
B2：CJNER4，#0，B3
CJNER3，#0，B3；R4R3=发送字节数
B3：MOVXA，@DPTR；取数据
INCDPTR
LCALLSEND-CH
CJNER3，#0，B4
CJNER4，#0，B5
B4：DECR3
LJMPB2
DECR3
DECR4
LJMPB2
…
SEND-CH：SETBTB8
MOVSBUF，A
DB0，0，0，0，0，0，0，0
JNBTI，$；延时4μs
CLRTI
RET
关键词：无线通信低功耗移频键控PIC16F73单片机芯片CC1000调制解调芯片
在工业、科学研究以及医疗设备中，目前出现了大量需要进行通信的设备，这些设备通信距离较近、数据量较小、不适合布线。比如自动抄表系统、酒店点菜系统以及现场数据采集系统等，其中有很多设备是可移动的，而且要求何种小便于携带。因此，要求其通过设备具有体积小、功耗低、成本低、使用方便等特点。基于这些需求，本文给出了一款超低功耗的无线数字传输模块的设备及实现方法。
该模块采用Chipcon公司的超低功耗FSK调制解调芯片CC1000和Microchip公司的低功耗单片机PIC16F73，从而保证了系统的超低功耗。同时，为了适应电池供电系统的应用，该模块支持查询方式的无线通信，可以使系统的平均工作电流低至10μA。该模块具有8组信道，可以实现点对点、点对多点的半双工通信，并且提供标准串行数据接口，支持TTL、RS232和RS485通信接口，可以方便地与其它控制器或计算机连接。
图1
1模块硬件设计
模块结构框图如图1所示。
作为工作在物理层和数据链路层的底层通信设备，该系统完成数据的调制解调、假数据过滤、数据组合、解码数据帧、数据校验等功能。在接收过程中完成数据由电信号向位流、由位流数据向字节，由字节向数据帧的变换，而在发送过程中则完成接收到的逆向过程。数据发送过程中数据流的变化如图2所示。
调制解调由CC1000完成。系统采用频移键控调制（FSK），载波频率为434MHz，带宽为64kHz，数据采用差分曼彻斯特编码发送，空中发送数据速率可以根据需要设置，最高FSK数据速率为76.8kpbs。CC1000采用三线命令接口和两线数据接口，可编程配置载波频率和数据速率等内容。有关CC1000的详细内容见参考文献。
模块控制器在发送时从用户接口接数据和命令，并将用户数据转换成数据帧传送给CC1000，控制CC1000进行数据发送。在接收时，控制器接收从CC1000传送过来的数据，分析数据，过滤噪声，将数据由位流转换为字节，进行校验并将用户数据通过串行口传送给用户，使用户可以实现所发即所收。
模块是为低功耗系统而设计的，除了具有SLP引脚可以直接休眠模块外，还有一些专门设计的命令来支持使用查询方式的通信。PCMD、RX、TX三线组成模块的三线接口，配置命令时PCMD必须为高电平。配置命令工作时序如图3所示。
发送数据时PCMD应置为低电平，通过串行口发送数据即可。模块使用时间间隔区分数据帧，如果有传输半个字节的时间没有接收到数据，则认为此前接收到的为一帧数据，系统将编码该帧数据并通过CC1000进行调制和发送。因此，如果用户数据是以数据帧的格式发送的，用户应当连续发送数据，以避免模块将一帧数据分割为两帧数据发送，从而降低发送效率。模块只能进行半双工通信，没有数据发送时模块处于接收状态；有休眠信号时模块进入体眠状态，此时模块无法接收和发送数据，只有将模块唤醒后，才能发送和接收数据。READY信号是模块工作状态指示信号。当READY长时间处于低电平状态时，可以使用RST将模块复位，重新设置模块的工作状态，以避免模块处于错误工作状态。
2软件设计
系统软件采用专门为PIC单片机进行了优化，能够为PIC系列单片机产生优质高效的代码，具体内容参考文献。系统控制器软件设计是本系统的核心内容，由于控制器要完成与用户和CC1000双方的通信及数据封装，因此系统软件借用Windows系统的消息循环机制设计，采用消息循环的体系结构。这种结构使得程序结构清晰、可扩展性强、可移植性强。经过长时间的初中，证明这种结构非常适合单片机系统软件的开发。
图4为程序初始化和主函数部分的结构框图。系统程序总线结构采用消息驱动机制。在系统内部寄存器和变量初始化完成后便可以进入消息循环程序查询系统消息。系统消息一般是CPU外部或内部的事件通过CPU中断系统激励CPU运行的。为了能够使系统产生和响应消息，必须启动CPU的中断系统，因而在进入消息循环前启动CPU定时中断、串行通信中断、外部触发中断。程序初始化部分在CPU上电或复位后只执行一次，CPU在正常工作时即将终都在消息循环中反复检测消息是否存在，并根据消息的种类做不同的操作，最后清除相应的消息标志，再进行循环检测消息。本系统中消息共有三种，分别是程序节拍控制信号、与CC1000通信的信号以及与用户通信的信号。程序节拍控制信号控制程序的运行过程，包括时间信号、外部中断信号（休眠、唤醒）以及其它定时动作信号；与CC1000通信的信号包括CC1000状态转换信号、接收完成信号、发送开始信号以及发送完毕信号等，负责管理与CC1000的通信和控制工作；与用户通信的信号包括接收用户数据完毕信号、用户数据发送完毕信号以及向用户发送数据开始信号等，负责与用户的通信管理。程序的消息循环结构如图5所示。
3模块性能
3．1模块功能
作为一款专门为低功耗系统而设计的无线数字传输模块，该模块具有低电平供电、低功耗的特点。供电电压范围为3V～12V。当供电电压为3V时，在接收状态下，模块电流为9.6mA；在发送状态下，模块电流为25.6mA；在休眠状态下，模块电流为2μA。通信系统使用查询方式工作时，处于接收的工作电流计算公式如下，即若休眠时间为dsl，检测信号时间为tdt，那么平均工作电流为（单位为μA
）：
Ip=(tsl×2+tdt×9600)/(tsl+tdt)
因此，如果一个系统的休眠时间为8s,检测时间为13μA。这样，5400mAh的锂电流可以使用47年！当然，实际使用中应该计算模块处于接收状态时的电流，此时模块的功耗就取决于模块工作的情况和传输数据量的大小，但是其极低的待机功耗对于移动设备来说是十分重要的。
3．2通信可靠性
通信误码率可以使用如下近似公式计算：
Pe≈Ne/N
式中，N为传输的二进制码元总线；Ne为被传输错的码元数，理论上应有N∞。
在实际使用中，N足够大时，才能够把Pe近似为误码率。经过对模块的测试，在数据速率为2400bps、通信距离为100m(平原条件)时，通信误码率为10-3～10-5。在数据速率提高时，通信误码率会增加，但是通信模块可采用多项技术来提高通信可靠性。在物理层，模块采用差分曼彻斯特编码技术发送数据，从而保证通信中的同步问题；而在数据链路层，使用CRC（循环冗余编码）进行数据帧校验，用以保证数据到达用户应用层以后的可靠性。当然，用户在应用层还可以采取多种通信协议来进一步提高通信的可靠性。
3.3通信距离
在无线通信中，通信距离与发射机发送信号的强度和接收机接收灵敏度有着直接关系。本模块的发送功率为10dBm，而在数据速率为2400bps、带宽为64kHz、通信二进制误码率为10-3条件下，模块的接收灵敏度为-110dBm。在天线高于地面3m的可视条件下，可告通信距离（误码率小于10-3）大于300m。在市区环境中，可靠通信距离在10m左右。
图5
4模块应用
无线智能IC卡水表由负责显示和读写IC卡的上位机和负责阀门控制的下位机组成，上位机和下位机之间的通信使用无线数字传输模块完成，系统结构如图6所示。上位机负责人机接口，包括显示下位机状态、显示剩余水量、读取IC卡以及与下位机通信等功能，下位机完成水脉冲计数并接收上位机的指令控制阀门开关状态。由于本系统采用电池供电，所以要求系统的功耗必须非常低。水表的上位机和下位机均采用Microchip公司的低功耗单片机PIC16F73，下位机工作在查询状态。
论文摘要:本文从现有存储式电子压力计的技术现状出发，分析了在井下高温、高压、远距离条件下，实现压力、温度数据实时可靠采集、传输、分析的压力计——直读式电子压力计的数据传输方案和实施，并从技术需求分析、通讯方案选择、单芯远距离传输、曼彻斯特码编解码的软硬件设计等方面，对直读式电子压力计数据传输方案进行了深入研究。试验数据分析结果表明，本文研究结果解决了直读式电子压力计的关键技术，增强了电子压力计在油田测井领域的市场竞争力。
一、引言
目前存储式电子压力计已广泛应用于国内各大油田高温井下压力和温度的测量。存储式电子压力计在工作过程中，仪器内的单片机系统和各种传感器共同完成井下压力和温度的采集，并以数字量形式存储于电可改写型存储器中，待测试过程完成后，再将压力计返回地面，用专门配套研制的数据回放仪与压力计连接，通过软件和硬件接口通讯进行数据的接收、回放和处理，使用很不方便，影响生产。
因此，为克服存储式电子压力计的上述缺点，提高油田生产效率，提升电子压力计在油田测井领域的市场竞争力，必须研制在井下高温、高压、远距离条件下，实现压力、温度数据实时可靠采集、传输、分析的压力计——直读式电子压力计。
二、直读式电子压力计技术需求分析
（一）功能及主要技术指标要求
直读式电子压力计实现井下压力和温度参数的测量，并将测量结果通过单芯铠装电缆实时传送至地面解码控制仪，主要技术指标要求如下所示。
a)压力测量范围：（0～30、45、60、80）MPa；压力测量误差：0.04%F.S；
b)温度测量范围：（-20～+150）℃,测量误差：±1℃；
c)传输距离不小于6000m；通讯误码率1.0×10-7。
（二）基本方案及工作原理
直读式电子压力计由井下电子压力计和地面解码控制仪两部分组成，其中井下电子压力计由压力传感器、温度传感器、信号放大电路、模数转换电路、单片机系统、编码电路、数字通讯接口电路和装载于单片机系统中的相关工作软件组成，解码控制仪由解码电路、通讯接口电路、通用计算机(油田配置)和相关工作软件组成。
工作过程中，井下电子压力计由地面解码控制仪通过单芯铠装电缆提供能源，温度和压力传感器分别将环境压力和温度转换为电信号输出，该电信号经放大和模数转换后由单片机系统进行数据实时采集和处理，然后按一定周期经数字通讯口输出。井下电子压力计和井上解码控制仪之间通过单芯铠装电缆连接，解码控制仪中通讯接口电路接收井下电子压力计输出的压力和温度数据，并经解码后输入计算机中进行实时分析和处理。
三、数据传输方案选择
设备之间数据通讯通常有并行通讯和串行通讯两种方案，并行通讯的缺点是传输距离短，通讯信道所占点号多，而串行通讯与之相反。根据井下电子压力计与井上解码控制仪的数据传输特点，需选择串行数据传输方式。
在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分逻辑1和逻辑0，即用正的电压跳变表示逻辑0，用负的电压跳变表示逻辑1。
在油田测井中，井下电子压力计在井下采集大量信息，并传送给地面解码控制仪；但井下电子压力计到地面解码控制仪这段信道的传输距离较长且环境恶劣，常用的NRZ码不适合在这样的信道里传输，而且NRZ码含有丰富的直流分量，容易引起滚筒的磁化。曼彻斯特编码方式使得信号以串行脉冲码的调制方式在数据线上传输，和最常用的NRZ码相比，消除了NRZ码的直流成分，具有时钟恢复和更好的抗干扰性能，这使它更适合于从井下到井上的信道传输，因而在井下电子压力计和地面解码控制仪之间选用曼彻斯特编码使数据传输可靠性更高、传输距离更远。
四、曼彻斯特码编码软硬件设计
每一周期井下电子压力计需将采集到的压力和温度两个参数分别进行曼彻斯特编码方式输出，井下电子压力计与地面解码控制仪之间按如下通讯协议进行。
a)压力与温度均以字为单位进行传送，先发送压力字，后发送温度字，一个压力字和一个温度字的组合称为一个消息；
b)每一个字由20位组成，第1～3位为3个起始位，第4～19位为16个数据位，第20位为奇偶校验位；
c)压力字3个起始位电平为先高后低，温度字起始位为先低后高，高低电平均各占一位半，压力字与温度字校验位均采用奇校验；
d)传输的波特率：5.7292kbps（175μs/位），传输一个消息共耗时3.5ms。为保证数据传输可靠性，井下电子压力计同一消息在一个采样周期内重复发送两次，地面解码控制仪根据校验位判断每个字的正确性。
由单片机编程输出两路I/O控制信号，经过滤波电路、运放电路、整型电路后，产生曼彻斯特编码双相电平信号，并经单芯铠装电缆送至地面解码控制仪。为满足曼彻斯特编码格式及井下电子压力计与地面解码控制仪之间的通讯协议，井下电子压力计软件采用如下的编程方式输出波形。
a）压力字同步头为262.5μs高电平后跟随262.5μs低电平，温度字同步头为262.5μs低电平后跟随262.5μs高电平；
b）若数据位为逻辑0，则在87.5μs低电平后跟随87.5μs高电平；
c）若数据位为逻辑1，则在87.5μs高电平后跟随87.5μs低电平；
d）校验位的波形产生方式与数据位相同。
五、曼彻斯特码解码软硬件设计
地面解码控制仪需将井下电子压力计输出的曼彻斯特码进行解码，并按通讯协议用软件将接收到的曼彻斯特码数据转换为井下电子压力计测得的压力和温度数据，即地面解码控制仪中的解码过程为井下电子压力计编码过程的逆过程。曼彻斯特码解码过程可分为如下三部分：
a)同步字头检测，并辨别其为温度数据还是压力数据。
b)对曼码形式的数据进行解码，从曼彻斯特码波形中分离出同步时钟，并将时钟和数据进行处理使曼码数据转化为非归零二进制数据。
c)将串行数据转化为并行数据，并进行奇偶校验，以检验数据传输的正确性。
经过几千米铠装电缆传输上来的数据，幅度衰减到毫伏级，因此井上需要精密的解码电路，才能保证数据传输无误码率。井下传输上来的数据经过滤波电路、精密运算放大器、双D触发器输出曼码波形给单片机，经过单片机的程序转化为井下的压力与温度数字量。
六、试验结果
直读式电子压力计首台产品完成厂内试验后，到油田用8000m的铠装电缆连接井下电子压力计和地面解码控制仪，将电子压力计下放到井下6500m的深度，在温度高达150℃、压力为30～60MPa的油井中测试压力和温度。在三次连续5个小时的测试过程中，数据传输准确可靠，没有出现丢点现象，误码率为零。
七、结束语
试验数据统计分析结果表明，本文研究结果解决了直读式电子压力计通讯方案、通讯协议、单芯远距离传输、曼彻斯特码编解码软硬件设计等关键技术，增强了电子压力计在油田测井领域的市场竞争力。
参考文献：
关键词：线阵CCD光积分时间外总线自适应控制
线阵CCD在图像传感和测量技术领域的应用中发欣极为迅速。为满足自适应测量的工程化需要，设计出了基于线阵CCD的单同轴电缆双向时分复用传输外总线。
在数据采集测量系统中，CCD视频信号的最大幅度需要调理到ADC的满量程。CCD信号的最大幅值的决定因素有三个：CCD器件的光电灵敏度、光积分时间和屯照度。在选定CCD器件后，该值只取决于光积分时间和光照度。
在不同工作现场和工作现场的不同时段，光强是经常变化的，如果CCD器件的光积分时间固定，则光照度的变化将导致CCD视频输出信号幅值的变化。而实际上所希望的是，在光照度变化的情形下，应保持视频输出信号最大幅值稳定，这可通过光积分时间的自适应控制来实现。在CCD信号采用二值化数据处理和像元细分处理过程中，一帧数据中被检测对象的量测信息往往在边界特征和像元信号的幅度最值位置，故光积分时间的改变不影响静态被测量。
1CCD器件驱动简介
现以TOSHIBA的TCDl501C为例进行介绍，其驱动脉冲波形如图1所示。
当SH信号为低电平时，Φ1(包括Φ1O和Φ1E)电极下的势阱和存储栅势阱隔离，CCD处于光积分状态；当SH为高电平时，SH电极下形成的深势阱沟通了存储栅势阱和Φ1电极下的势阱，信号电荷包全部转到移位寄存器，而后在Φ1E，O，B和Φ1E，O，B脉冲的作用下依次移位，最后经输出电路由OS端输出。
SH的脉冲周期即为光积分时间。以像元信号的幅值为被控制量，通过改变SH的脉冲周期使视频输出的幅度最值保持在ADC的满量程，从而实现光积分时间的自适应控制。
2系统组成
该采集系统包括三大部分：CCD传感头、信号采集板和微型机。传感头和采集板之间采用单同轴电缆作为双向复用传输总线，其原理框图如图2所示。
CCD的各驱动信号由CPLD产生，视频输出经过驱动器进入同轴电缆。信号采集板通过ISA口和微机接口，板上采用FPGA作为电路的逻辑控制器，光积分脉冲由FPGA产生，其周期的调节由FPGA的VHDL软件或微机采集软件控制。在接口协议的调控下，将CCD视频信号和光积分脉冲信号双向时分复用单同轴电缆作为信号和控制的传输总线。
3总线的电气接口原理
CCD传感头中晶振选定后，Φ1和Φ2的信号频率也随之确定，CCD像元视频信号移位输出时间也就固定了。例如：TCDl501C共5076个像元(除5000个曝光像元外，还有前64个和后12个哑元)，晶振频率为20MHz，CPLD输出的Φ1和Φ2频率为2．5MHz，视频输出速率为5MHz，所以一帧CCD信号输出时间为5076／5MHz=1．0152ms。如果光积分时间为2ms，则在剩余近lms的时间内，CCD输出的是空操作，视频信号幅值接近箝位高电平。总线原理和控制信号定时关系图如图3所示。
系统在上电初始状态设置同轴电缆两端开关电平，使光积分通道开通。从定时关系中可见，光积分脉冲的下降沿启动ISA板和CCD传感头内部逻辑计数器，同时使电缆两端开关控制信号由光积分通道切换到CCD信号通道。因为CCD器件首先输出的是一定数量的哑元信号，所选择的SPDT(单刀双掷)开关的开关切换时间远远小于前面哑元信号的总输出时间，故开关切换到CCD信号通道的时间对于曝光像元信号的输出没有任何影响。当计数到5076或5064(不计后12个哑元)时，电缆两端两开关控制信号再次变换极性，使电缆切换到光积分脉冲信号通道。其实，只要在下一个光积分脉冲到来前的空操作的任何时刻完成通道切换即可。
原本最显然且直接的设计方案是采用另一条规范的总线(比如422总线)来专门传输由ISA板输出的光积分控制信号，而由CCD视频信号独占同轴电缆，这样也可满足工程化的要求；而且422总线的双绞线在恶劣环境下的传输距离和抗干扰性能也令人可以接受。
不过比较来说，单同轴电缆双向复用总线更有优越性。
第一，原理更加简洁实用，其接口协议比422接口协议还简单；
