基于WT-BLE4.0模塊的遠控信標機設計與實現

趙德艷 蔣勇 顧保國 介陽陽

摘? ?要：為達到遠程控制信標機的目的，采用小型化、模塊化設計思想，文章提出了基于WT-BLE4.0模塊的信標機設計方案。系統利用GPRS網絡和藍牙技術，通過終端控制設備遠程控制信標機輸出所需要的信號。

關鍵詞：WT-BLE4.0模塊;MSP430F169;鎖相環;信標機

1? ? WT-BLE4.0模塊介紹

信標機可以發射或轉發用作定向或跟蹤的信號，在航天、航海及航空中應用非常廣泛，在航天測控中常用單頻率信標機的信號作為跟蹤信標，以引導跟蹤系統對目標的跟蹤與捕獲。在航海應用中有指向信標、定向信標等，在航空應用中有航向信標、下滑信標等。測量船上也需要信標，用于角度標校和接收分系統的靜態、動態自檢。

在航天、航海及航空中，不但要求信標機集成化、小型化高可靠性和穩定性，而且要求信標機發射信號的頻率和幅度隨時可變，信標機應用就會更加靈活、方便，該功能通常由電臺實現，但是由于一般的電臺作用距離較近，無法滿足遠控、機動的要求?；赪T-BLE4.0模塊的信標機設計方案解決了信標機在實際應用中遇到的相關問題，利用的WT-BLE4.0模塊是深圳維特智能科技有限公司開發的一款數據透傳類模塊，采用了Nordic公司的藍牙低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE）微控制單元（Micro Control Unit，MCU）集成一體的系統級芯片（System on Chip，SOC）nRF51822-QAFF，內部集成了底層低功耗的藍牙4.0的標準協議，模塊接口為標準的通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口，內置了中斷輸出提示功能，當模塊接收到配對藍牙傳送的數據時，會輸出高電平提示信號，用以通知外部設備，同時，模塊配置了硬件使能腳，在無需數據傳輸時，可以通過將使能腳置高來禁用串口數據傳輸的功能，從而降低系統的功耗。利用WT-BLE4.0模塊研制一個信標機，可以進行遠程控制，實現信標機輸出信號頻率和幅度的改變。

2? ? 方案設計

系統由室內單元和室外單元兩部分組成，室內單元包括一個終端控制設備，室外單元包括一個終端控制設備和信標機。操作人員通過室內終端控制設備發送控制或查詢命令，室外終端控制設備通過通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）網絡收到命令后通過藍牙向外發送相應的信息，信標機收到信息后，輸出對應頻率和幅度的射頻信號，同時，將控制或查詢結果反饋給室內終端控制設備，室內終端控制設備對結果進行顯示，系統組成框架如圖1所示。

3? ? 硬件設計

系統除了兩個終端控制設備外，還必須研制一個可以接收藍牙信息的信標機。信標機采用單環鎖相頻率合成技術，硬件電路主要包括：WT-BLE4.0模塊、單片機MSP430F169控制電路、集成鑒相器ADF4156、濾波器、壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）、數控衰減電路，組成框架如圖2所示。

單片機選擇TI公司的MSP430F169。它的工作電壓為1.8～3.6 V，功耗低，貼片且封裝較小，利于設計電路板，具有聯合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）仿真調試接口，可進行在線編程和仿真，便于軟件調試[1]。

環路鑒相器采用集成的分數分頻鎖相環芯片ADF4156，它的RF輸入頻率范圍為0.5～6.0 GHz;REF輸入頻率范圍為10～250 MHz;鑒相頻率最大為32 MHz;2.7～3.3 V電源電壓。ADF4156包括一個低噪聲數字相位頻率檢測器PFD，一個精密電荷泵和一個可編程的參考除法器。有一個用于可編程的分數N除法器。其INT，確定預約存取控制（Fixed Reservation Access Control，FRAC）和MOD寄存器定義了一個總的N除法器（N =（INT+（FRAC/MOD）））。它有5個32 bit寄存器，分別是FRAC/INT分數和整數分頻控制寄存器、PHASE，MOD/R系數和參考分頻控制寄存器、FUNCTION功能寄存器、CLKDIV時鐘分頻寄存器?？删幊炭刂茀⒖夹盘柗诸l、比較信號的分數分頻。ADF4156還具有減少周期滑移的電路，無需修改環路濾波器，可通過控制其內部寄存器實現加快鎖定時間。所有可編程數據都可通過三線接口（CLK，DATA和LE）寫入芯片內的相應寄存器中，通過改變可編程分頻器的值，就可改變VCO輸出相應信號頻率[2]。

在進行鎖相環路設計時，通過ADI公司的ADIsimPLL Ver 3.0軟件，選擇并調整合適的鎖相環濾波器形式和環路帶寬，環路輸出信號的相位噪聲情況，仿真出合理的、一致較好的環路參數。本系統中，環路濾波器采用由低噪聲運放OP184及其外圍電路組成的二階有源比例積分濾波器。

VCO和數控衰減器可根據信標機工作頻率范圍，選用Hittite公司的壓控振蕩器和數控衰減器。

信標機加電后，單片機MSP430F169先對整個系統初始化。晶振參考信號和VCO反饋的比較信號同時輸入至集成鑒相器ADF4156中，當WT-BLE4.0模塊接收到控制或查詢命令后，單片機控制ADF4156內的可編程參考分頻、分數分頻器進行分頻，兩個信號分頻至鑒相頻率，再通過芯片內集成的相位頻率檢測器PFD進行鑒相，得到誤差電流后，經過內部的電荷泵后輸出。環路濾波器對輸出的誤差信號進行濾波，得到與參考、比較信號的頻率和相位誤差相關的控制信號，此控制電壓控制微波VCO進行頻率和相位調整，直至頻率相同，僅存很小的穩態相位誤差，環路鎖定，信標機輸出對應頻率的信號。VCO另一路輸出信號經衰減后，輸出給信標天線。

4? ? 軟件設計

MSP430F169單片機軟件開發采用IAR公司的集成開發環境：IAR Embedded Workbench[3]，程序用C語言編寫，軟件流程如圖3所示。

系統初始化主要是對MSP430F169單片機輸入/輸出（Input/Output，I/O）管腳、ADF4156寄存器和數控衰減器衰減量進行初始化，信標機輸出默認的頻率和幅度信號。當信標機收到控制命令后，對控制命令進行解析，對信標機輸出信號頻率、幅度對及是否輸出信號進行控制，然后對信標機的狀態進行采集并上報。采集的信息主要包括當前信號頻率、衰減量、鎖定（或失鎖）狀態、輸出允許（或禁止）狀態、電源電壓、電流及溫濕度等。當信標機收到查詢命令后，直接對信標機的狀態進行采集并上報。

圖3? 信標機軟件程序流程

5? ? 結語

自行設計終端控制設備通信控制應用程序，采用單環鎖相頻率合成技術和小型化、模塊化設計思想，對信標機進行優化設計，通過終端控制設備發送控制和查詢命令，可快速遠程控制信標機輸出所需頻率和幅度的信號，同時對標信機工作狀態及工作環境進行掌握。

基于WT-BLE4.0模塊的遠控信標機設計方案已經在多個領域得到了實際應用，如果使用其他頻率范圍的VCO，可輸出對應頻率的信號，應用于其他測控或通信領域，隨著科技的不斷發展，在航天、航海及航空中也有廣泛應用前景。

[參考文獻]

[1]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[2]黃智偉.無線發射與接收電路設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]張晞，王德銀，張晨.MSP430系列單片機實用C語言程序設計[M].北京：人民郵電出版社，2005.

Abstract：This paper is designed a WT-BLE4.0 Module based remote control signal generator? which features miniaturization and modularization. Based on GPRS network and Bluetooth， the signal generator can be remote controlled by cell phone to output the required signal.

Key words：WT-BLE4.0 module; MSP430F169; phase-locked loop; signal generator