基于單片機(jī)的天線測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)研究

肖黎君，殷興輝

（河海大學(xué) 計(jì) 算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南 京 2 11100）

對(duì)于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、廣播等無(wú)線電發(fā)射和接收系統(tǒng)而言，天線是不可或缺的重要裝置，而天線測(cè)試的任務(wù)就是用實(shí)驗(yàn)的方法獲得表征天線性能的實(shí)際參數(shù)指標(biāo)[1]。本文采用了旋轉(zhuǎn)測(cè)試天線方向圖的規(guī)則，在此基礎(chǔ)上引入了電子技術(shù)、微控制技術(shù)，硬件上采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心；設(shè)計(jì)了信號(hào)采集與數(shù)字化處理電路用來(lái)記錄天線幅度信號(hào)；經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制天線轉(zhuǎn)臺(tái)并配合定時(shí)器以產(chǎn)生可變的、精確的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；經(jīng)過(guò)串口準(zhǔn)確無(wú)誤的將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。最后，通過(guò)調(diào)整采樣頻率，分析在不同精度的情況下天線方向圖的變化。

1 天線參數(shù)測(cè)試?yán)碚撆c方法

1.1 天線參數(shù)測(cè)試原理

根據(jù)天線互易定理，即發(fā)信天線可以用作收信天線，收信天線也可以用作發(fā)信天線，并且用作發(fā)信天線時(shí)的參數(shù)與用作收信天線時(shí)的參數(shù)保持不變[3]。把固定的輻射天線作為發(fā)射天線，被測(cè)天線作為接收天線，由固定的發(fā)射天線輻射電磁波，轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)接收天線進(jìn)行接收，測(cè)出不同角度的信號(hào)強(qiáng)弱，便可得到被測(cè)天線的方向圖。

1.2 天線參數(shù)測(cè)試方法

早期人們通過(guò)手工的方式進(jìn)行天線的測(cè)試，需要依靠人工讀取天線幅度信號(hào)與角度并進(jìn)行手工的繪制，測(cè)試平臺(tái)難以構(gòu)建、測(cè)試過(guò)程極為繁瑣、工作量大，并且測(cè)量得到的數(shù)據(jù)精度較低、誤差大[4]。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，通信設(shè)備也正朝著小型化方向發(fā)展。目前實(shí)驗(yàn)室在用的天線中，小型天線占領(lǐng)很大的比例，因此最大程度地利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，構(gòu)建小型化的天線方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)為小型天線的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試提供了有效的手段，具有較高的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室配置原理框圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理框圖Fig.1 The diagram of experimental principle

2 天線參數(shù)自動(dòng)測(cè)試硬件實(shí)現(xiàn)

基于圖1所示天線參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖，針對(duì)小型天線工程實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的實(shí)際需求和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)各模塊進(jìn)行合適的選型，整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：

1)匹配信號(hào)源產(chǎn)生連續(xù)微波射頻信號(hào)，并經(jīng)固定不動(dòng)的輔助發(fā)射天線向空間輻射電磁波。

2)控制電路控制負(fù)載被測(cè)天線的轉(zhuǎn)臺(tái)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并接收信號(hào)源通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射的電磁波。

3)接收信號(hào)送天線幅度采集電路，經(jīng)變換放大及A/D轉(zhuǎn)換后送給數(shù)據(jù)處理電路。

4)得到測(cè)試范圍內(nèi)每一位置的幅度信號(hào)電平，根據(jù)這組數(shù)據(jù)，經(jīng)處理單元處理，由輸出裝置發(fā)送給PC做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

2.1 單片機(jī)控制的自動(dòng)測(cè)試電路

本設(shè)計(jì)采用美國(guó)德州儀器公司（TI）推出的MSP430F149微處理器，其集成了16位RISC結(jié)構(gòu)CPU，外設(shè)和靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，通過(guò)將許多外設(shè)集成至MSP430內(nèi)部并與高性能的CPU通力合作，MSP430可為混合信號(hào)處理應(yīng)用提供完善的解決方案[5]。與其他單片機(jī)相比MSP430F149大大縮小了產(chǎn)品的體積與成本，并且采用多種低功耗節(jié)能工作模式。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

在本系統(tǒng)中單片機(jī)的主要作用是：

1)單片機(jī)P1口控制轉(zhuǎn)臺(tái)按要求轉(zhuǎn)動(dòng)（正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停止）；

2)單片機(jī)P2口作為轉(zhuǎn)臺(tái)中斷信號(hào)的輸入；

3)單片機(jī)P3口用作和PC機(jī)進(jìn)行通訊；

4)單片機(jī)P6口對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行采集。

2.2 信號(hào)定時(shí)采集及數(shù)字化處理電路

信號(hào)采集電路主要由檢波器、電流/電壓轉(zhuǎn)換器、直流放大器組成。考慮到測(cè)試信號(hào)的幅度較小，采用二極管進(jìn)行小信號(hào)檢波，從檢波器輸出的反映輔助天線輻射功率密度直流信號(hào)，通常在微安數(shù)量級(jí)，很難直接采集，必須經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過(guò)直流放大器進(jìn)行放大，以滿足A/D轉(zhuǎn)換的需要。本測(cè)試系統(tǒng)選用了具有低失調(diào)電壓、低失調(diào)電流和低溫漂的運(yùn)放0P-07構(gòu)成兩級(jí)直流放大器，以滿足A/D轉(zhuǎn)換量程的需要。在天線測(cè)試過(guò)程中，同軸電纜線作為信號(hào)輸入通道，其受到擠壓或教育轉(zhuǎn)換器之間的接口的松動(dòng)都會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此系統(tǒng)中要盡量選擇性能好的電纜線。信號(hào)采集電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)采集電路Fig.3 Signal extraction circuit

MSP430F149內(nèi)置有高速的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC12，因此不必再外接AD轉(zhuǎn)換芯片即可實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的數(shù)字化處理。由于AD模塊和微控制器都集中在一塊芯片上，所以大大減輕了設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，降低了產(chǎn)品成本，靈活方便，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高儀器的可靠性。

3 天線測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)

結(jié)合硬件電路設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊，通過(guò)相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)對(duì)各外圍模塊進(jìn)行有效的管理以降低其及CPU的功耗，并利用軟件代替測(cè)試設(shè)備中的某些硬件功能，以提高其精度，完成整個(gè)測(cè)試功能。 系統(tǒng)軟件測(cè)試流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic diagram of the software test system

3.1 定時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試天線參數(shù)之前，必須首先測(cè)量天線的實(shí)際轉(zhuǎn)速，即使用公式：V=S/T，計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，其中S為天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，T為轉(zhuǎn)動(dòng)角度所用的時(shí)間。因?yàn)楸敬卧囼?yàn)采用的裝置在天線轉(zhuǎn)臺(tái)上加載了限位開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，水平面內(nèi)轉(zhuǎn)臺(tái)限位之間轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為355度。

測(cè)試過(guò)程通過(guò)裝載不同的負(fù)載，利用MSP430單片機(jī)內(nèi)置的定時(shí)器模塊設(shè)置一定的時(shí)間，以零點(diǎn)位置為轉(zhuǎn)動(dòng)的起始點(diǎn)，并在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由軟件進(jìn)行計(jì)數(shù)，以計(jì)數(shù)值和定時(shí)時(shí)間得到轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間。具體測(cè)試如表1所示。

表1 不同負(fù)載下轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)間表Tab.1 The schedule of one revolution of the turntable under the different load

經(jīng)測(cè)試可知，在額定的負(fù)載范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速不因負(fù)載不同，或者相同負(fù)載而受力均勻有所影響，具體速度計(jì)算如下：

當(dāng)定時(shí)時(shí)間為1 s時(shí)，定時(shí)器設(shè)置如下[6]：

TACTL=TASSEL0+TACLR； //ACLK輔助時(shí)鐘

CCR0=32768； //采樣60個(gè)點(diǎn)，定時(shí)時(shí)間為1 s

CCTL0=CCIE； //允許定時(shí)器中斷

TACTL|=MC0； //增計(jì)數(shù)

3.2 串行通信設(shè)計(jì)

串行通訊是計(jì)算機(jī)與其他裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊是最常使用的方法，它具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，使用方便，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，因而在數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程遙控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，采集的天線測(cè)試參數(shù)與上位機(jī)的通訊也是通過(guò)串口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)置了USART模塊，與傳統(tǒng)的串行通信相比,它可以用低時(shí)鐘頻率實(shí)現(xiàn)高速通信。內(nèi)部含有兩個(gè)串行通信模塊：串口0（USART0）和串口1(USART1),模塊在發(fā)送和接收每一個(gè)字節(jié)的同時(shí)都可以觸發(fā)中斷，從而是單片機(jī)退出低功耗模式，發(fā)送和接收是由兩個(gè)獨(dú)立的中斷寄存器來(lái)控制的[2]。

該串口的比特率設(shè)置頁(yè)非常方便，可以通過(guò)比特率寄存器UBR0和UBR1粗略地調(diào)整波特率，再通過(guò)波特率調(diào)整寄存器UMCTL0進(jìn)一步地細(xì)調(diào)波特率。通過(guò)串口控制寄存器UCTLO設(shè)置串行通信模式，通過(guò)串口發(fā)送控制寄存器UTCTLD設(shè)置產(chǎn)生波特率所需的時(shí)鐘。串口通訊初始化程序如下[6]：

ME1|=URXE0+UTXE0； //使能 USART0的發(fā)送和接收

UCTL0|=CHAR； //8位數(shù)據(jù)位

UTCTL0|=SSEL1;； //UCLK=SMCLK

UBR00=0x41； //32k/9600-3.41

UBR10=0x03；

UMCTL0=0x00；

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，需選擇合適的測(cè)試環(huán)境和最小測(cè)試距離。選用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備小型喇叭天線，選取水平面作為測(cè)試對(duì)象。對(duì)于小型喇叭天線而言，可以選擇室內(nèi)封閉場(chǎng)作為測(cè)試的場(chǎng)地，排除相關(guān)反射體，盡量營(yíng)造一個(gè)純凈的電磁環(huán)境。根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)形式確定收、發(fā)天線之間的最小間距以及其具有相同的極化方式。調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)，使得收、發(fā)天線處于同一水平位置并對(duì)準(zhǔn)其最大輻射方向。另使轉(zhuǎn)臺(tái)限位背對(duì)輔助天線口面，即自動(dòng)測(cè)試時(shí)以限位位置為測(cè)試起點(diǎn)和終點(diǎn)，使得方向圖主瓣位于方向圖的中點(diǎn)位置，圖形顯示更為直觀。

采樣完畢后，單片機(jī)把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，將數(shù)據(jù)作歸一化處理[7]，轉(zhuǎn)化成天線的功率方向圖，用Matlab繪圖后得到圖5。系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，需要對(duì)采樣個(gè)數(shù)進(jìn)行濾波處理，圖5中的四幅圖都是采用32位濾波平均，不同的是采樣點(diǎn)數(shù)分別為60、120、240、360個(gè)。從四幅圖的比較可以看出，采樣點(diǎn)數(shù)越多，方向圖越不平滑，這是因?yàn)楫?dāng)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到360時(shí)且作32位平均時(shí)，單片機(jī)每秒鐘需要采集1 920個(gè)數(shù)據(jù)，這時(shí)會(huì)造成相當(dāng)大的干擾。本系統(tǒng)中天線的口徑為65 mm，理論半功率角為65°，綜合平滑性和半功率角理論分析得知，圖5（b）是最接近理想的天線方向圖。此外，方向圖曲線高度的重復(fù)性也反映了天線轉(zhuǎn)臺(tái)的精度較高，系統(tǒng)的綜合性完全能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The experimental results

5 結(jié)論

根據(jù)天線參數(shù)測(cè)試的相關(guān)理論研究方法，本文構(gòu)建了以MSP430F149單片機(jī)為核心的天線測(cè)試參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)負(fù)載待測(cè)天線的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同角度的參數(shù)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和錄取，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行保存或者進(jìn)一步的處理，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析出最接近理論值的天線方向圖，整個(gè)系統(tǒng)不僅達(dá)到了預(yù)期的測(cè)試目標(biāo)，同時(shí)兼顧了體積、成本與功耗，符合實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的要求。

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