基于串口通信的短波气象信号的接收与图像再现

论文摘要

海域的气象状况对于船舶调度管理起到非常积极重要的作用。如何获取气象信息,并把获取的气象信息传输到计算机平台中,对于航行船舶的监控和管理显得十分有意义。短波气象传真通信是利用扫描技术,通过光电设备的作用,把固定的图像、文字等转换成串行的电信号,然后利用短波通信技术,将原图像传送到其他地方。而计算机在数据存储、复制和处理方面具有其它设备难以比拟的优越性,通过采用串口通信技术,将短波信号数字化后传输至计算机,船长就可以随机调用航行区域内协调国所发布的所有传真图片,这对于安全航行意义十分重大。本课题提供一种新型接收短波气象信息的有效方法。利用单边带短波收音机（或短波气象传真机）接收气象信息,经分析确定气象传真信号已被接收并加载在此音频信号上,它是以音频的形式输出。把接收到的音频信号接入所设计的硬件模块中,再通过RS-232串口接入至计算机以便后面进行分析、显示、储存等操作。所设计的硬件模块包括:对音频信号的放大、滤波整形处理与数字化、单片机接收数据处理并发送和串口电平转换四个部分。目前发送的气象传真图像使用了FSK调制方式,将黑白二色基带信号分别为1500Hz和2300Hz的频率调制到短波信号上传送出去。所以在短波信号进入到收音机后通过解调将信号以音频的方式输出,音频信号经过所设计的硬件将数据通过串口接入至计算机后,分析每一次的采样操作并对时间域进行短时傅立叶变换,以找出在单次采样操作中频率与幅值之间的关系,并由此而设计相应的软件处理流程。进行项目的实验手段就是在完成整个项目方案的设计后,在面包板上进行模拟PCB电路印制板并模块化成型,完成硬件模块对短波信号数据的提取并做相应处理的测试;在MATLAB环境下充分分析短波信号数据并仿真相应气象信号所固有的规律;基于VC++6.0编制软件程序,以实现计算机与单片机的串口通信并对信号的读取和完成图像直观、清晰地再现。基于串口通信的短波气象信号的接收系统的成果和结论包括:硬件模块的设计,短波信号的仿真分析,基于串口通信的单片机与计算机的数据接收和发送的传输这三个部分。系统较好地实现了短波气象信号数据的接收和存储,为后续的处理打下了基础。创新之处在于不改变原有短波气象发射设备的前提下,提出使用短波收音机接收短波气象传真信号,而得出相关信号数据中频率与幅值的关系结论,并以此而设计相应的硬件信号处理模块和软件数据处理程序。且存储的图像数据可以供用户直接检索使用,也可以做进一步的图像比较和演化处理,应用于海上船舶的安全运行系统,为短波气象传真通信数据的接收方法开辟了一种新的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.2.1 海上气象报告
• 1.2.2 传统气象传真
• 1.2.3 软件无线电
• 1.3 目前国内外研究所存在的问题
• 1.4 短波气象相关通信的发展趋势
• 1.4.1 船岸短波通信现状及发展趋势
• 1.4.2 短波无线电话发展趋势
• 1.4.3 短波无线数据传输发展趋势
• 1.4.4 短波电台的重要设计趋向
• 1.5 课题说明与论文研究内容
• 第二章 短波信号接收的硬件模块分析及设计
• 2.1 基本通信系统的组成
• 2.1.1 信息源
• 2.1.2 发送设备
• 2.1.3 传输媒介
• 2.1.4 接收设备
• 2.1.5 接受者
• 2.2 短波气象信号的放大
• 2.3 放大后的短波气象传真信号的滤波整形处理与分析
• 2.4 放大后的短波气象传真信号的数字化处理与分析
• 2.4.1 信号采样
• 2.4.2 信号量化与编码
• 2.4.3 实现数字化功能的常用器件ADC0809
• 2.5 单片机对处理后气象信号的接收分析
• 2.6 转换芯片MAX3232 的电压转换功能
• 2.7 经单片机处理后信号的上位计算机的接收分析
• 2.8 本章小结
• 第三章 基于串口通信的数据发送与接收分析
• 3.1 MCS51 单片机的的串口通信
• 3.1.1 串口通信的分类
• 3.1.2 MCS51 单片机的串行口
• 3.1.3 串行口的工作方式
• 3.1.4 串行数据通信的波特率
• 3.2 上位计算机中的串口通信
• 3.2.1 单文档接口（SDI）程序中使用控件
• 3.2.2 在单文档接口（SDI）程序中初始化及打开接口
• 3.2.3 串口事件处理
• 3.3 本章小结
• 第四章 短波信号在MATLAB 中的分析
• 4.1 短波信号中白噪声的时域、频域分析
• 4.1.1 时域的抽样与截断
• 4.1.2 频域的抽样与截断
• 4.1.3 对连续非周期信号进行频域抽样就推出DFT 变换式
• 4.2 短波气象传真信号的起始信号的时域、频域分析
• 4.3 短波气象传真信号在所设定的时间段内的时域、频域分析
• 4.4 短波气象传真信号的结束信号的时域、频域分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 气象传真图像的还原与处理分析
• 5.1 信号图像的还原算法
• 5.2 传真天气图的图像二值化技术
• 5.3 传真天气图的图像细化技术
• 5.4 本章小结
• 第六章 设计方案的提出与分析和实验结果分析
• 6.1 方案一设计与分析说明
• 6.1.1 方案一的总体硬件设计及实验设备选型
• 6.1.2 方案一的硬件电路分析
• 6.1.3 方案一的软件设计流程分析说明
• 6.2 方案二设计与分析说明
• 6.2.1 方案二的总体硬件设计及实验设备选型
• 6.2.2 方案二的硬件电路分析
• 6.2.3 方案二的软件设计流程分析说明
• 6.3 实验结果图示分析说明
• 6.3.1 短波气象传真信号的放大实验
• 6.3.2 短波气象传真信号的滤波整形实验
• 6.3.3 短波气象传真信号的数字化实验表示
• 6.3.4 单片机基于串口通信的数据接收与发送实验
• 6.3.5 上位计算机基于串口通信的数据接收与发送实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢