基于STM32的多調制方式信號源的設計

作者 韓曉冰 邢磊 西安科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院(陜西 西安 710054)

　　韓曉冰(1965-)，男，陜西西安人，教授，研究方向，無(wú)線(xiàn)通信。

　　邢磊，男，河北承德人，碩士研究生，研究方向，嵌入式、無(wú)線(xiàn)通信。

摘要：基于STM32F407ZGT6設計了一款多種調制方式、寬頻帶的信號源，覆蓋頻率范圍為50 MHz-4 GHz，并且帶有功率放大器，可以將信號放大輸出，輸出電平范圍可達0 dBm-30 dBm。本設計主要可以分成兩大部分，主控板與前操控版，前操控版帶有按鍵，通過(guò)UART將輸入的數據發(fā)送給主控板，主控板將會(huì )根據傳輸的數據協(xié)議解析數據，并控制信號發(fā)生器工作，信號通過(guò)功放放大，最后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。

0 引言

　　現在市場(chǎng)上主要的信號源主要是面向實(shí)驗室測試使用，用于野外部隊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電監測測向訓練的非常少。而且很多信號源沒(méi)有功放，不能發(fā)射大功率信號，這就嚴重限制了信號覆蓋范圍，無(wú)法模擬真實(shí)的電磁環(huán)境。

1 系統整體方案設計

　　本系統主要由前操控板，主控板組成。前操控板主要是進(jìn)行按鍵輸入數據和顯示輸入信息、系統調試信息等，并將數據通過(guò)UART傳送給主控板。主控板根據傳輸協(xié)議將數據解析，根據解析出的數據控制射頻模塊產(chǎn)生相應信號，并通過(guò)功放將信號放大，最后將信號通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去，信號源發(fā)射信號使用兩種天線(xiàn)，50 MHz-1 GHz用的是拉桿天線(xiàn)，發(fā)射1 GHz到4 GHz使用的是雙錐天線(xiàn)。GPS/BD定位系統和RFID在前操控板，當GPS/BD收到信息后并將數據傳送給前操控版，前操控版將信息顯示出來(lái)。系統結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

　　本系統主要由前操作板、主控板、電源模塊三部分組成。每部分上都有其對應的不同的功能，這幾個(gè)部分構成了一個(gè)完整的電磁環(huán)境構建系統。這幾部分之間最主要的就是數據傳遞。

　　2.1 前操作板

　　前操控版選用的型號是STM32F103ZET6，使用的是ARM Cortex-M3內核，512 kB Flash，64KB RAM，LQFP 144腳封裝。完全符合作為前操控版的處理芯片。前操作板主要是由按鍵、GPS/BD模塊、RFID、OLED 顯示屏組成。前面操作板的主要作用就是按鍵輸入和顯示。通過(guò)按鍵輸入頻率、幅度等參數，通過(guò)OLED 屏幕顯示，并通過(guò)UART傳送給主控板。結構如圖2所示。

　　2.2 主控板

　　主控板是信號源的重要部分，選用的芯片是STM32F407ZGT6，帶有FPU 的ARM32 位 Cortex-M4處理器，1 MB的FLASH，192+4KB的SRAM，主頻為168 MHz。主控板主要由射頻模塊、功率放大器、電壓轉換模塊組成。當主控板接收到前操控版發(fā)送的數據時(shí)，將數據按照通信協(xié)議解析，在根據數據控制射頻模塊產(chǎn)生相應的信號，然后通過(guò)功放將信號放大，最后在通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。如圖3所示。

　　射頻模塊使用的是ADI公司生產(chǎn)的ADF4351，本電路為寬帶直接變頻發(fā)射機模擬部分的完整實(shí)現方案(模擬基帶輸入、RF輸出)。通過(guò)使用鎖相環(huán)(PLL)和寬帶集成電壓控制振蕩器(VCO)，本電路支持500 MHz至4.4 GHz范圍內的RF頻率。對來(lái)自PLL本振(LO)進(jìn)行諧波濾波，確保提供出色的正交精度、邊帶抑制和低EVM。

　　此芯片的性能基本完全符合本設計需求。故選用此芯片。

　　功率放大器選用的是ADI的HMC637BPM5E，此放大器工作頻率范圍為直流至6 GHz。提供15 dB的小信號增益，1 dB增益壓縮下的27.5 dBm輸出功率，40 dBm的典型輸出IP3和4 dB噪聲系數，同時(shí)需要來(lái)自12 V電源的335 mA 在VDD上。也是比較符合比設計的需求。故采用此芯片。

　　2.3 電源模塊

　　電源模塊以CN3763為芯片，進(jìn)行電源的充電管理和供電使用。CN3763具有三種充電模式，即涓流、恒流和恒壓充電模式，是專(zhuān)門(mén)為鋰電池充電進(jìn)行充電管理的電源芯片。

　　在恒壓充電模式下，芯片可以控制電池電壓為12.6 V，也可以通過(guò)一個(gè)外部電阻向上調整;在恒流充電模式，充電電流通過(guò)一個(gè)外部電阻設置。對于深度放電的鋰電池，當電池電壓低于恒壓充電電壓的66.5%(典型值)時(shí)，CN3763用所設置的恒流充電電流的17.5%對電池進(jìn)行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當充電電流降低到恒流充電電流的16%時(shí)，充電結束。此芯片的功能基本完全符合本設計使用，故采用此芯片作為充電電源芯片。結構如圖4所示。

3 嵌入式軟件設計

　　本設計中嵌入式程序設計主要是指前操控版的的顯示程序，按鍵數據輸入程序，系統調試信息顯示程序以及給根據數據協(xié)議給主控板發(fā)送數據的程序。主控板的程序比較復雜，首先是與前面板的協(xié)議，協(xié)議主要是與前操作板的數據傳輸協(xié)議，就是把前操控版發(fā)送的數據解析成指令用來(lái)控制信號發(fā)生器和功放，發(fā)出按鍵輸入的信號。

　　3.1 前操作板嵌入式程序開(kāi)發(fā)

　　前操作板主要是與主控板進(jìn)行數據傳輸以及顯示系統調試信息等。系統初始化后，根據主控板通過(guò)UART發(fā)送給前操控板的數據會(huì )顯示相應的信息，如系統固件版本號，PCB版本號，設備別名，IP等信息。

　　定位是通過(guò)GPS/BD定位系統，系統初始化后，GPS/BD天線(xiàn)開(kāi)始接收數據，并通過(guò)UART2將數據發(fā)送到前操控版，將接收到的數據按照協(xié)議解析后，通過(guò)OLED 屏幕顯示出來(lái)。

　　RFID模塊與GPS類(lèi)似，系統初始化后，RFID就會(huì )正常工作，這時(shí)就可以進(jìn)行打卡操作，將標簽卡放到前操控版處就可以實(shí)現打卡功能，并且可以查看打卡記錄的數據。

　　前操控板主要是進(jìn)行按鍵輸入，顯示以及和主控板之間的數據傳輸。首先是按鍵輸入數據，系統初始化后，OLED 屏幕顯示出信號參數設置頻率、幅度、調試方式、射頻開(kāi)啟狀態(tài)。用戶(hù)通過(guò)按鍵輸入這些參數后，MCU會(huì )把數據通過(guò)UART發(fā)送給主控板，主控板根據數據傳輸協(xié)議，將數據解析后，將會(huì )控制產(chǎn)生相應的頻率、幅度、調制方式的信號。

　　3.2 主控板嵌入式程序開(kāi)發(fā)

　　主控板的嵌入式程序主要就是根據數據傳輸協(xié)議，將通過(guò)UART傳過(guò)來(lái)的數據解析，并根據解析出來(lái)的數據控制信號發(fā)生器產(chǎn)生相應信號，通過(guò)功放將信號放大，最后根據頻段將通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。在嵌入式程序中，數據協(xié)議是最關(guān)鍵的部分，只有通信雙方定好協(xié)議，數據才可以傳輸，傳輸完成后才可以按照協(xié)議解析數據。因此，編寫(xiě)數據協(xié)議也是本設計的的難點(diǎn)。

　　傳輸的數據都是定義好的結構體，每一次數據傳輸都是將數據按照定義好的結構體的的結構傳輸的，所以，在解析協(xié)議時(shí)，也要按照定義好的結構體數據類(lèi)型來(lái)解析數據，并且根據結構體的成員變量的數據來(lái)控制相應信號的產(chǎn)生。

4 主測試結果分析

　　整個(gè)系統設計基本完成后，進(jìn)行整體測試，整機系統如圖5所示。

　　通過(guò)按鍵輸入頻率、幅度、調制方式等數據。例如，輸入信號參數，頻率110 MHz，幅度0 dBm，調制方式為CW，如圖6所示。

　　通過(guò)饋線(xiàn)將信號源輸出端與頻譜儀輸入端連接，為了保護頻譜儀，在輸入端加了一個(gè)10 dBm的衰減器。觀(guān)察其波形，如圖7所示。

　　本次測試使用的頻譜儀是Keysight N9918A。根據上圖分析可知頻譜儀接收到的信號是110 MHz，電平是-12 dBm，由于本次使用的饋線(xiàn)3 M長(cháng)，所以損耗可以到達2 dBm，根據上圖可知，本信號源可以正常發(fā)射信號，且信號可以被頻譜儀正常接收。

5 結束語(yǔ)

　　本設計實(shí)現了通過(guò)按鍵輸入數據，經(jīng)UART傳送到主控板，主控板根據傳輸協(xié)議將數據解析，并控制信號發(fā)生器產(chǎn)生相應頻率信號，經(jīng)過(guò)功率放大器放大后，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出來(lái)，經(jīng)驗證，此信號源可以正常產(chǎn)生信號。

　　通過(guò)測試結果可知，本系統可以準確發(fā)射出輸入的按鍵信號，在允許范圍內精確度可能會(huì )有誤差。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第43頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。