船用無線電標校信標機程控頻點切換的設計

摘" 要： 船用無線電標校信標機是指能夠為船載統一測控設備提供穩定跟蹤信號的射頻信號發生器。一般安裝于探空氣球內部或懸掛于無人機底部，經過飛行至一定高度和距離后，船載統一測控設備對該信標信號進行跟蹤試驗。當前船用無線電標校信標機在空中僅能工作在一個頻點，若需要對多個工作頻點進行標校則需要重復釋放多個無線電信標機。為解決此問題，設計一種標校信標機外圍變頻控制電路，將該電路連接至標校信標機即可完成釋放一個信標機開展多頻點標校的難題。該變頻電路以低功耗單片機STC89C52RC作為基本控制單元，結合DC?DC降壓模塊和電平轉換模塊，實現將多個預置工作頻點信息按預定幀格式定時發送至信標機的功能。經過十余次海上航天測量試驗的檢驗，結果表明程控變頻控制電路運行穩定、控制精度高，節省了標校時間和經費預算。

關鍵詞： 航天測量船； 標校； 信標機； 程控； 變頻電路； 頻點切換； STC89C52RC

中圖分類號： TN92?34" """"""""""""""""""""""""""文獻標識碼： A"""""""""""""""""""""""" 文章編號： 1004?373X（2024）09?0029?06

0" 引" 言

航天測量船使用的無線電信標機是指能夠為船載統一測控設備提供穩定跟蹤信號的射頻信號發生器。通常將無線電信標機安裝于探空氣球內部或懸掛于無人機底部，經過釋放后飛行至一定高度和距離后，無線電跟蹤系統對該信標發出的單載波信號進行跟蹤并進行相關技術驗證[1?2]。它是船載統一測控設備在海上自主獲取精確的標校數據的一條有效途徑，可以檢測雷達的光電偏差和設備動態跟蹤性能、空間定向靈敏度和交叉耦合等[3?5]。但是當前無線電信標機存在的缺陷是標校信標機在釋放前需要利用配套軟件對其進行工作信息的修改，且只能固定在一個頻點，若需要對多個工作頻點進行標校參數的錄取，就必須釋放多個攜帶信標機的探空氣球或控制無人機從遠距離返回，對信標機工作頻點修改完畢后再復飛，造成信標機、探空氣球和氦氣的浪費，增加了無人機多次海上起飛和回收的風險，對實際工作需要帶來了較大的困難。

為了解決上述問題，本文設計了一種無線電標校信標機外圍變頻控制電路，該變頻電路以低功耗單片機為核心，能夠將預置工作頻點信息按預定幀格式定時發送至標校信標機工作電路，達到釋放一個信標機完成多頻點標校的目的。

1" 標校信標機

標校信標機通常需要搭載浮空器具進行工作，在進行信標機設計時則需要考慮重量及體積等限制因素。標校信標機的設計原理框圖如圖1所示。一般標校信標機僅需工作2 h左右，為保證信標機短期頻率穩定度，通常采用有源晶振作為系統工作的參考源。單片機選用PIC16F648A?1/SO，利用其串口功能特點，方便實現上位機的控制。其工作原理為單片機通過接收RS 232通道的控制信息或讀取片內寄存器對應地址的存儲內容，然后對電路后端的鎖相環路器件進行參數調整，經過與晶振輸出的參考信號進行比對并輸出誤差信號，利用誤差信號逐步調整晶振環路輸出的射頻信號，使射頻信號逐步達到精度要求。射頻信號經過濾波放大后通過天線輻射輸出，同時耦合出一路信號反饋至鎖相環內部，形成控制閉環。

標校信標機可以根據任務實際提前配置工作頻點。其數據接口采用RS 232串行接口，因僅接收上位機發送的數據，因此只需一根數據連線和一根地線即可完成數字信號的單工接收，僅依靠檢測起始位來實現發送與接收方的時鐘自同步。上位機配套軟件的功能是對用戶輸入的頻點進行轉換并通過RS 232口發出，信標機釋放后頻點無法更改。

2" 系統設計

本次設計是在標校信標機工作電路的基礎上增加變頻控制電路，使其脫離上位機的頻點控制，具備程控變頻功能。基本思路是將需要設置的工作頻點按順序預存在單片機程序存儲器中，啟動定時器后，按照設置的時間間隔以規定的波特率逐位地發送至信標機工作電路，完成信標機工作頻點切換。信息傳輸期間需要進行串行數據格式和電平轉換，確保信標機能夠準確收到數據。總體結構如圖2所示。

變頻控制電路主要由單片機最小系統、電平轉換模塊及DC?DC轉換模塊組成。單片機最小系統負責對工作頻點、波特率的數據存儲和串口數據進行設置，并按照一定的命令幀格式發送至電平轉換模塊，MAX232電平轉換模塊進行單片機TTL電平與信標機RS 232電平的轉換，然后發送至信標機工作電路。DC?DC降壓模塊負責將信標機工作的+9 V電壓變換為單片機及電平轉換模塊工作所需的+5 V電壓，使外圍控制電路與信標機工作電路供電同源，同時減小外圍控制電路體積和重量。

2.1" 硬件設計

2.1.1" 單片機最小系統

單片機最小系統是整個控制電路的核心部件，包含電源電路、復位電路和時鐘電路，所有的命令存儲在程序存儲器中，考慮程序的容量及國產芯片自主可控，系統采用宏晶科技公司STC89C52RC單片機。該單片機是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統可編程FLASH存儲器，能夠滿足程控頻點切換的設計[6]。

2.1.2" DC?DC降壓模塊

DC?DC降壓模塊是一種進行輸入輸出電壓轉換的能量交換電路，它將直流電池組的輸入電壓轉化為輸出端的另一個直流電壓，轉換過程無交流諧波分量，能夠實現降噪穩壓和電壓變換，具有輸出阻抗低、轉換效率高、安裝尺寸小等優點。降壓模塊表面由集成電路與微型電子元器件組裝而成，便于系統集成開發。信標機連續工作需要配備9 V干電池作為直流電源，而單片機最小系統和MAX232電平轉換模塊采用5 V供電，由于各個器件的工作電壓不同，所以需要進行DC?DC電壓轉換才能使各個器件正常工作。

2.1.3" 電平轉換電路

信標機數據傳輸串口與單片機最小系統的驅動電壓采用不同的邏輯電平，在使用時必須按規定進行電平轉換，否則單片機與標校機就無法進行正常通信，甚至有可能因為電壓過高而損壞單片機[7]。MAX232芯片是一種單電源電平轉換芯片，借助外接0.1 μF的電容實現TTL電平與信標機RS 232電平的轉化，芯片內部含有一個電容性電壓發生器，在+5 V電源供電時，相當于集成一個電荷泵提供EIA/TIA?232電平。因此，選擇MAX232電平轉換模塊作為變頻控制電路和信標機工作電路的半雙工通信橋梁[8]，其硬件接口電路設計如圖3所示。圖中所示+5 V電壓由DC?DC降壓模塊提供，可以保證信標機電源的一致性。

2.2" 軟件設計

2.2.1" 數據幀格式

單片機最小系統與標校信標機進行通信時以一個字節為傳輸單位，最低有效位LSB先傳，最高有效位MSB后發。傳輸串口命令字節時優先發送高位字節，然后發送低位字節。當把串口波特率設置為9 600 b/s時，可計算出RS 232串口傳輸一個bit的時間間隔大約為104 μs，借助示波器可觀察到每個bit的傳輸周期。

程序編制時需要在Keil C51軟件開發系統的.c程序中編幀為雙方約定好的標校信標機能識別的幀格式，然后將編譯調試后生成的HEX文件下載存儲在單片機ROM程序中[9?12]。頻率[F0]值為各數位的十六進制數，由8 B組成，以A5H為幀頭，AAH為幀尾。例如頻率設置為xx34.56 MHz，串口數據位（8 B）應為：A5H 0xH 0xH 03H 04H 05H 06H AAH。數據幀格式共9 B，其中末位字節為程序中判斷結束標志字節。數據幀格式如表1所示。

2.2.2" 串口及定時器初值的設置

STC89C52RC單片機異步串行通信只使用方式1、方式2、方式3。當為方式1工作時，串口控制寄存器中的SM0、SM1兩位分別為0、1，串口被控制為波特率可變的8位異步串行通信接口。該接口是異步全雙工串行通信協議，由接收和發送兩根數據線組成，由于缺少參考時鐘信號，信息傳送的收發端必須約定串口波特率、數據位寬等配置參數，確保雙方以相同的速率和數據寬度進行通信，避免數據丟包。串口收發一幀信息為10位，分別為1位起始位、8位數據位和1位停止位。這與標校信標機工作電路的傳輸協議相同，為使單片機能夠與標校信標機正常通信，選用單片機串行口方式1，波特率設置為9 600 b/s。另外，為了保證單片機工作性能的穩定，設計中采用11.059 2 MHz的晶振頻率[fosc]為單片機定時、計數提供基準。

為了保證外圍變頻控制電路能夠定時精準發送控制信息，在單片機中采用計數器對時鐘脈沖進行計數，然后再通過累計方式進行計時。單片機中的T/C0和T/C1計數器由兩個8位的RAM單元組成，最大計數量達到216。

T/C0工作在方式1，作為16位定時器，其定時時間[T]和所裝入的初值[X]之間的關系為：

[T=216-X×12fosc]""" （1）

式中[fosc]為晶振頻率。若將T/C0定時為60 ms，則T/C0的初值為：

[X=216-0.06×11.059 2×10612=65 536-55 296]" （2）

當定時器發生數據溢出，則需要重新裝載常數并啟動操作，否則無法循環計數。

T/C1工作在方式2，其中兩個8位的RAM單元作為高字節TH1常數寄存器和低字節TL1常數寄存器，此時16位計數器形成一個可以自動重新裝載常數的8位計數器，當低字節TL1常數寄存器加滿溢出時，能把高字節TH1寄存器中的數值自動重新裝載到低字節寄存器中，無需單片機干預即可不斷循環往復，可以省去指令中重新裝載常數的語句。其定時時間[T]和所裝入的常數[X]之間的關系為：

[T=28-X×12fosc]""" （3）

單片機程序初始化時給高字節TH1和低字節TL1常數寄存器裝入相同的數值。每秒鐘溢出的次數作為串行通信中的波特率發生器。單片機串口采用方式1，當波特率選擇位SMOD=0時，根據已知的波特率BR和晶振頻率[fosc]，計算T/C1定時器初值如下：

[X=28-2SMOD×fosc32×12×BR=FDH" ] （4）

2.2.3" 軟件程序設計流程

軟件程序由主函數、定時中斷函數、串口發送函數等部分組成。軟件程序設計流程如圖4所示。

主函數是對STC89C52RC單片機串口及高字節TH1和低字節TL1常數寄存器等進行初始化預置，保證單片機各引腳能夠以正常工作時序進行電壓脈變。另一個重要功能就是對相關中斷函數和串口發送函數的調用，單片機啟動后開始計時并檢測到有中斷后，調用串口發送函數從而實現相應的功能。

定時計數是采用單片機最小系統板上的集成晶振和定時器作為設計中的振蕩器和定時器，其中定時器1產生所需的波特率，定時器0作為定時器。利用T/C0的預裝初值產生數據溢出進行循環計數。數據溢出間隔為60 ms，即每60 ms向CPU發送一次中斷請求，CPU響應請求后開始執行中斷函數，將預先定義的時間變量[t]進行數值自減。當預定義時間變量[t]設置為1 000時，則表示計時1 min。為了使變頻控制電路按預定時間間隔發出信標機工作所需的頻點，則需要給時間變量[t]賦予不同數值。圖4中，信標機外圍變頻控制電路在加電開始給信標機發送[f0]頻點，將時間變量[t]設置為[t0]時長。在[f0]頻點工作[t0]時長后再切換為[f1]頻點工作，工作[t1]時長后再切換為[f2]頻點工作，依次類推，可以設置[fn]個頻點進行工作，若全部頻點工作完畢后，則重新進行循環工作。

當預定時間到達后單片機產生定時中斷，定時器停止計數，標志變量flag1設置為1，然后主函數開始調用串口發送函數依次發送預定頻點。預定工作頻點按照十六進制數據幀格式存入字符數組中。串口發送函數執行循環操作，每次發送一個數據字節，CPU執行一條數據寫入發送數據緩沖器（SBUF）的指令，該字節寫入SBUF后，單片機立即啟動串口發送器，將該字節進行處理后從串行數據發送端P3.1引腳發送出去，同時SCON寄存器的中斷標志位TI置1。利用命令清除該中斷標志位，使TI置0，然后串口發送函數繼續執行循環操作。重復上述步驟，直到把該頻點所有數據字節發送完畢。數據字節發送時序如圖5所示。

3" 測試應用

3.1" 數據波形測試

單片機軟件開發時首先在Keil C51集成開發環境中按照結構化編程模式編寫好“*.c”程序文件，然后進行編譯、調試，系統無告警信息并通過后就會生成“*.hex”的格式文件，最后連接燒寫硬件，運行STC?ISP軟件、加載“*.hex”文件，將其燒寫到單片機中。

根據信標機數據幀格式，在單片機“*.c”文件中設置串口發送的十六進制數據為“A5 0x 0x 0x 05 06 06 AA AB”，設置波特率為9 600 b/s，從單片機的P3.1引腳（TXD）發出的數據，通過示波器進行數據采集，測得波形為TTL電平，即高電平是+4.97 V，低電平是10 mV，[ΔY]為4.96 V，這種是以高低電平表示邏輯狀態。TTL電平在不傳輸數據時電平為高，電壓近似為+5 V，靠拉低電平判斷起始位。

串口數據經過電平轉換芯片后，從接頭的第2個引腳發出，通過示波器進行數據采集，測得波形為RS 232電平，即高電平是-8.75 V，低電平是+8.93 V，[ΔY]為17.68 V，是以電壓相反定義邏輯狀態。

該電平在不傳輸數據時電平為高，即始終為1，電壓取值范圍為-15～-3 V，靠電壓翻轉判斷起始位。其中圖6為單片機發出的數據波形，圖7為經過電平轉換后的數據通信波形圖。

以上兩者波形之間采用的電平不同，波形數據的電壓幅值不同，經過電平轉換后即滿足標校信標球的數據接收電平格式，但其邏輯狀態未發生改變，保證數據內容不變。對于第一個字節數據“0101001011”，根據UART通信協議，第一個0是起始位，最后一個1是停止位，中間八位數據是A5，以此類推，可以對圖6中的數據波形解析，如圖8所示。

由圖8可知，解析出的數據與實際單片機發出的十六進制數據一致。

3.2" 效果應用

根據需要連接變頻控制電路與標校信標機，將信標機的一端天線輸出口連接至頻譜分析儀，為便于觀察頻譜分析儀頻點切換情況，將頻譜分析儀設置為“MAX HOLD”模式，測試對工作頻點的定時切換控制。程序中預設切換三個工作頻點，頻譜分析儀觀察到按時切換為三個頻點，且不同頻點信號幅度基本相同，程控變頻功能得以實現，其工作頻點精度取決于無線電信標機工作電路。

經過低溫和振動測試，工作正常。其實物連接如圖9所示，其測試頻譜如圖10所示。

4" 結" 論

本文設計了一種基于STC89C52RC單片機的低功耗無線電標校信標機的變頻控制電路，能夠按照標校工作需要實現多個工作頻點的定時切換控制，適應船載無線電雷達系統的多個工作頻段，外掛簡單可靠、工作時間長，可實現標校氣球或無人機作為運載工具，在多次海上航天測量試驗的標校工作中得到了較好的應用。

注：本文通訊作者為何謙。

參考文獻

[1] 鐘東，王慧泉，金仲和.基于雙頻GPS的微小型標校用信標球[J].傳感器與微系統，2015，34（7）：82?84.

[2] 葉君好，周立新，蔣勇，等.基于安卓平臺的遠控S頻段信標機系統設計與實現[J].無線電工程，2020，50（3）：171?175.

[3] 李輝芬，朱偉康，李紅艷，等.基于非規律變化信標球數據的精度檢驗新方法[J].電訊技術，2012，52（8）：1269?1274.

[4] 梁盛，潘高峰，薛軍，等.X頻段信標機的設計與實現[J].電訊技術，2017，57（9）：1088?1091.

[5] 程榮濤，蔡龍飛.基于差分GPS與雷達信標機的艦載雷達校準技術[J].艦船電子工程，2021，41（3）：76?79.

[6] 羅潛，廖文浩，柳暢.基于STC89C52RC單片機的車內溫濕度智能監控系統[J].儀器儀表用戶，2021，28（9）：34?37.

[7] 何謙，吳有杏，李仁龍.擴頻多目標信號動態模擬系統的設計與實現[J].計算機測量與控制，2014，22（6）：1908?1911.

[8] 陸慶志，聶雄.基于ENC28J60的串口服務器設計[J].儀表技術，2021（4）：23?26.

[9] 吳志宏，翟成瑞，王紅亮.基于單片機的信標機系統設計[J].電視技術，2013，37（15）：44?47.

[10] 王嘉鑫.一種適用于水上漂浮目標的北斗信標機[J].艦船科學技術，2014，36（2）：108?111.

[11] 王利斌，杜文略，張會新，等.基于MSP430單片機的無線信標機設計[J].電子器件，2018，41（4）：1061?1065.

[12] 于皓博，單彥虎，任勇峰，等.基于GPS和北斗的高可靠性信標機系統設計[J].電子技術應用，2018，44（7）：94?97.

[13] 周發助，楊杰，高濤.磁浮列車無源信標定位磁極標識技術機理研究[J].現代電子技術，2021，44（3）：130?133.

Design of program controlled frequency point switching for marine

radio calibration beacon

HE Qian， YAN Nan， YAN Shuai

（China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department， Jiangyin 214431， China）

Abstract： The marine radio calibration beacon refers to a radio frequency signal generator that can provide stable tracking signals for shipborne unified measurement and control equipment. It is generally installed inside sounding balloons or suspended at the bottom of drones. After flying to a certain height and distance， the shipborne unified measurement and control equipment conducts tracking tests on the beacon signal. The present marine radio beacons can only operate at one frequency point in the air. If multiple operating frequency points need to be calibrated， the multiple radio beacons need to be released repeatedly. Therefore， a peripheral frequency conversion control circuit for the calibration beacon has been designed. By connecting this circuit to the calibration beacon， releasing one beacon for multi frequency calibration can be fulfilled. In the frequency conversion circuit， a low power SCM STC89C52RC is used as the basic control unit， which achieves the function of sending multiple preset working frequency point information to the beacon in a predetermined frame format at a fixed time by combining a DC?DC voltage reduction module and a level conversion module. After more than ten maritime and aerospace measurement tests， the results show that the program controlled frequency conversion control circuit can operate stably and has high control accuracy， and it can save calibration time and budget.

Keywords： space TTamp;C ship; calibration; beacon; program control; conversion circuit; frequency point switching; STC89C52RC

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.09.006

引用格式：何謙，燕楠，燕帥.船用無線電標校信標機程控頻點切換的設計[J].現代電子技術，2024，47（9）：29?34.

收稿日期：2023?07?19"""""""""" 修回日期：2023?08?21

何" 謙，等：船用無線電標校信標機程控頻點切換的設計

何" 謙，等：船用無線電標校信標機程控頻點切換的設計

作者簡介：何" 謙（1978—），男，陜西合陽人，高級工程師，主要研究方向為海上航天測控技術。