基于單片機的天線(xiàn)測試參數數據采集與處理系統研究

對于通信、雷達、導航、廣播等無(wú)線(xiàn)電發(fā)射和接收系統而言，天線(xiàn)是不可或缺的重要裝置，而天線(xiàn)測試的任務(wù)就是用實(shí)驗的方法獲得表征天線(xiàn)性能的實(shí)際參數指標。本文采用了旋轉測試天線(xiàn)方向圖的規則，在此基礎上引入了電子技術(shù)、微控制技術(shù)，硬件上采用單片機作為整個(gè)系統的控制核心;設計了信號采集與數字化處理電路用來(lái)記錄天線(xiàn)幅度信號;經(jīng)驅動(dòng)電路控制天線(xiàn)轉臺并配合定時(shí)器以產(chǎn)生可變的、精確的轉動(dòng)角度;經(jīng)過(guò)串口準確無(wú)誤的將測量數據傳送給上位機。最后，通過(guò)調整采樣頻率，分析在不同精度的情況下天線(xiàn)方向圖的變化。

1 天線(xiàn)參數測試理論與方法

1.1 天線(xiàn)參數測試原理

根據天線(xiàn)互易定理，即發(fā)信天線(xiàn)可以用作收信天線(xiàn)，收信天線(xiàn)也可以用作發(fā)信天線(xiàn)，并且用作發(fā)信天線(xiàn)時(shí)的參數與用作收信天線(xiàn)時(shí)的參數保持不變。把固定的輻射天線(xiàn)作為發(fā)射天線(xiàn)，被測天線(xiàn)作為接收天線(xiàn)，由固定的發(fā)射天線(xiàn)輻射電磁波，轉臺帶動(dòng)接收天線(xiàn)進(jìn)行接收，測出不同角度的信號強弱，便可得到被測天線(xiàn)的方向圖。

1.2 天線(xiàn)參數測試方法

早期人們通過(guò)手工的方式進(jìn)行天線(xiàn)的測試，需要依靠人工讀取天線(xiàn)幅度信號與角度并進(jìn)行手工的繪制，測試平臺難以構建、測試過(guò)程極為繁瑣、工作量大，并且測量得到的數據精度較低、誤差大。隨著(zhù)微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，通信設備也正朝著(zhù)小型化方向發(fā)展。目前實(shí)驗室在用的天線(xiàn)中，小型天線(xiàn)占領(lǐng)很大的比例，因此最大程度地利用實(shí)驗室現有設備，構建小型化的天線(xiàn)方向圖自動(dòng)測試系統，該系統為小型天線(xiàn)的實(shí)驗室測試提供了有效的手段，具有較高的實(shí)用價(jià)值。該系統實(shí)驗室配置原理框圖如圖1所示。

2 天線(xiàn)參數自動(dòng)測試硬件實(shí)現

基于圖1所示天線(xiàn)參數自動(dòng)測試系統原理框圖，針對小型天線(xiàn)工程實(shí)驗室測試的實(shí)際需求和實(shí)驗室現有設備，對系統各模塊進(jìn)行合適的選型，整個(gè)系統的工作流程如下：

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

2)控制電路控制負載被測天線(xiàn)的轉臺連續轉動(dòng)，并接收信號源通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射的電磁波。

3)接收信號送天線(xiàn)幅度采集電路，經(jīng)變換放大及A/D轉換后送給數據處理電路。

4)得到測試范圍內每一位置的幅度信號電平，根據這組數據，經(jīng)處理單元處理，由輸出裝置發(fā)送給PC做進(jìn)一步的數據處理。

2.1 單片機控制的自動(dòng)測試電路

本設計采用美國德州儀器公司(TI)推出的MSP4301F149微處理器，其集成了16位RISC結構CPU，外設和靈活的時(shí)鐘系統，通過(guò)將許多外設集成至MSP430內部并與高性能的CPU通力合作，MSP430可為混合信號處理應用提供完善的解決方案。與其他單片機相比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能工作模式。系統硬件結構如圖2所示。

在本系統中單片機的主要作用是：

1)單片機P1口控制轉臺按要求轉動(dòng)(正轉，反轉，停止);

2)單片機P2口作為轉臺中斷信號的輸入;

3)單片機P3口用作和PC機進(jìn)行通訊;

4)單片機P6口對天線(xiàn)信號進(jìn)行采集。

2.2 信號定時(shí)采集及數字化處理電路

信號采集電路主要由檢波器、電流/電壓轉換器、直流放大器組成?？紤]到測試信號的幅度較小，采用二極管進(jìn)行小信號檢波，從檢波器輸出的反映輔助天線(xiàn)輻射功率密度直流信號，通常在微安數量級，很難直接采集，必須經(jīng)電流/電壓轉換后再經(jīng)過(guò)直流放大器進(jìn)行放大，以滿(mǎn)足A/D轉換的需要。本測試系統選用了具有低失調電壓、低失調電流和低溫漂的運放0P—07構成兩級直流放大器，以滿(mǎn)足A/D轉換量程的需要。在天線(xiàn)測試過(guò)程中，同軸電纜線(xiàn)作為信號輸入通道，其受到擠壓或教育轉換器之間的接口的松動(dòng)都會(huì )影響到測試結果的準確性，因此系統中要盡量選擇性能好的電纜線(xiàn)。信號采集電路如圖3所示。

MSP430F149內置有高速的12位模數轉換模塊ADC12，因此不必再外接AD轉換芯片即可實(shí)現對模擬量的數字化處理。由于A(yíng)D模塊和微控制器都集中在一塊芯片上，所以大大減輕了設計負擔，降低了產(chǎn)品成本，靈活方便，使結構更加緊湊，系統更加穩定，提高儀器的可靠性。

3 天線(xiàn)測試軟件實(shí)現

結合硬件電路設計的各個(gè)模塊，通過(guò)相應的軟件設計對各外圍模塊進(jìn)行有效的管理以降低其及CPU的功耗，并利用軟件代替測試設備中的某些硬件功能，以提高其精度，完成整個(gè)測試功能。系統軟件測試流程圖如圖4所示。

3.1 定時(shí)系統設計

測試天線(xiàn)參數之前，必須首先測量天線(xiàn)的實(shí)際轉速，即使用公式：V=S/T，計算轉臺的實(shí)際轉速，其中S為天線(xiàn)轉臺轉動(dòng)的角度，T為轉動(dòng)角度所用的時(shí)間。因為本次試驗采用的裝置在天線(xiàn)轉臺上加載了限位開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測量，水平面內轉臺限位之間轉動(dòng)的角度為355度。

測試過(guò)程通過(guò)裝載不同的負載，利用MSP430單片機內置的定時(shí)器模塊設置一定的時(shí)間，以零點(diǎn)位置為轉動(dòng)的起始點(diǎn)，并在轉動(dòng)過(guò)程中由軟件進(jìn)行計數，以計數值和定時(shí)時(shí)間得到轉動(dòng)的時(shí)間。具體測試如表1所示。

經(jīng)測試可知，在額定的負載范圍內，轉速不因負載不同，或者相同負載而受力均勻有所影響，具體速度計算如下：

V=S/T=355°/(60±1)≈5.9°/s (1)

當定時(shí)時(shí)間為1 s時(shí)，定時(shí)器設置如下：

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; //增計數

3.2 串行通信設計

串行通訊是計算機與其他裝置進(jìn)行數據通訊是最常使用的方法，它具有實(shí)現簡(jiǎn)單，使用方便，數據傳輸穩定可靠的優(yōu)點(diǎn)，因而在數據采集，遠程遙控，實(shí)時(shí)監測等方面有廣泛的應用。在本系統中，采集的天線(xiàn)測試參數與上位機的通訊也是通過(guò)串口來(lái)實(shí)現的。MSP430F149單片機內置了USART模塊，與傳統的串行通信相比，它可以用低時(shí)鐘頻率實(shí)現高速通信。內部含有兩個(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)字節的同時(shí)都可以觸發(fā)中斷，從而是單片機退出低功耗模式，發(fā)送和接收是由兩個(gè)獨立的中斷寄存器來(lái)控制的。

該串口的比特率設置頁(yè)非常方便，可以通過(guò)比特率寄存器UBR0和UBR1粗略地調整波特率，再通過(guò)波特率調整寄存器UMCTL0進(jìn)一步地細調波特率。通過(guò)串口控制寄存器UCTL0設置串行通信模式，通過(guò)串口發(fā)送控制寄存器UTCTLD設置產(chǎn)生波特率所需的時(shí)鐘。串口通訊初始化程序如下：

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

UCTL0 |=CHAR; //8位數據位

UTCTL0 |=SSEL1; //UCLK=SMCLK

UBR00=0x41; //32k/9600—3.41

UBR10=0x03;

UMCTL0=0x00;

4 實(shí)驗測試及結果分析

為了保證測試的準確性，需選擇合適的測試環(huán)境和最小測試距離。選用實(shí)驗室設備小型喇叭天線(xiàn)，選取水平面作為測試對象。對于小型喇叭天線(xiàn)而言，可以選擇室內封閉場(chǎng)作為測試的場(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。根據天線(xiàn)的結構形式確定收、發(fā)天線(xiàn)之間的最小間距以及其具有相同的極化方式。調整轉臺，使得收、發(fā)天線(xiàn)處于同一水平位置并對準其最大輻射方向。另使轉臺限位背對輔助天線(xiàn)口面，即自動(dòng)測試時(shí)以限位位置為測試起點(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(guān)。

采樣完畢后，單片機把數據發(fā)送給PC機，將數據作歸一化處理，轉化成天線(xiàn)的功率方向圖，用Matlab繪圖后得到圖5。系統測試過(guò)程中，需要對采樣個(gè)數進(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)數越多，方向圖越不平滑，這是因為當采樣點(diǎn)個(gè)數達到36 0時(shí)且作32位平均時(shí)，單片機每秒鐘需要采集1 920個(gè)數據，這時(shí)會(huì )造成相當大的干擾。本系統中天線(xiàn)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(xiàn)方向圖。此外，方向圖曲線(xiàn)高度的重復性也反映了天線(xiàn)轉臺的精度較高，系統的綜合性完全能達到預期的目標。

5 結論

根據天線(xiàn)參數測試的相關(guān)理論研究方法，本文構建了以MSP430F149單片機為核心的天線(xiàn)測試參數的數據采集與處理系統，該系統通過(guò)驅動(dòng)負載待測天線(xiàn)的轉臺轉動(dòng)，實(shí)現不同角度的參數信號的采集、轉換和錄取，將采集的數據發(fā)送給上位機進(jìn)行保存或者進(jìn)一步的處理，通過(guò)大量的實(shí)驗數據分析出最接近理論值的天線(xiàn)方向圖，整個(gè)系統不僅達到了預期的測試目標，同時(shí)兼顧了體積、成本與功耗，符合實(shí)驗室測試的要求。