王心鵬+門雅彬+顧季源+李永軍

摘 要： 為解決在外場(chǎng)條件下不便于測(cè)試數(shù)傳電臺(tái)通信性能的問(wèn)題，提出了便攜式數(shù)傳電臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)由鋰聚合物電池、電源管理模塊、主控芯片、電臺(tái)通信接口模塊等部分組成，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)主控芯片編程可為數(shù)傳電臺(tái)提供測(cè)試數(shù)據(jù)以滿足要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠在外部無(wú)源的復(fù)雜環(huán)境中完成對(duì)多種性能數(shù)傳電臺(tái)的測(cè)試，具有便攜性、實(shí)用性、工作穩(wěn)定的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 數(shù)傳電臺(tái)測(cè)試； 便攜式系統(tǒng)； 電池充電管理； 串口通信

中圖分類號(hào)： TN924?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）15?0005?03

0 引 言

數(shù)傳電臺(tái)（Radio Modem），又可稱為“無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)”、“無(wú)線數(shù)傳模塊”，是指借助DSP技術(shù)和軟件無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)。數(shù)傳電臺(tái)在無(wú)線通信系統(tǒng)中使用廣泛，因此對(duì)其工作性能的測(cè)試十分重要，通常利用有線測(cè)試的方法獲得電臺(tái)的發(fā)射功率、靈敏度、二次和三次諧波功率等指標(biāo)[1?2]，從測(cè)試結(jié)果對(duì)其性能加以評(píng)價(jià)；然后會(huì)根據(jù)電臺(tái)發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)天線的方向圖、極化匹配因子、電磁波自由空間損耗等因素，估算出電臺(tái)有效的通信距離[3?4]，以此來(lái)評(píng)價(jià)電臺(tái)在無(wú)線通信環(huán)境下的通信性能。

由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境（如地形、建筑、遮擋物、供電不便等）復(fù)雜多變，僅根據(jù)理論計(jì)算評(píng)價(jià)電臺(tái)的通信性能是不夠且不具有說(shuō)服力的，必須通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)選擇合理的位置加以測(cè)試，從而確定電臺(tái)實(shí)際可靠的通信距離。為了滿足不同性能電臺(tái)的測(cè)試要求，需設(shè)計(jì)能與多種電臺(tái)相配合使用的便攜式測(cè)試系統(tǒng)，以滿足在各種復(fù)雜測(cè)試環(huán)境下的需要。

測(cè)試系統(tǒng)以大容量鋰聚合物電池作為系統(tǒng)電源，在電源管理電路的控制下完成電池的充放電管理，并可為多種數(shù)傳電臺(tái)提供穩(wěn)定可調(diào)的工作電壓輸出，系統(tǒng)具有剩余電量指示功能，并可及時(shí)對(duì)電池充電。系統(tǒng)上的主控芯片通過(guò)編程可為電臺(tái)提供多種測(cè)試數(shù)據(jù)，具有標(biāo)準(zhǔn)的RS 232接口，可與多種電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以滿足測(cè)試要求。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

便攜式測(cè)試系統(tǒng)由鋰聚合物電池、電源管理模塊、開(kāi)關(guān)、主控芯片、電臺(tái)通信接口模塊等部分組成。選用鋰聚合物電池是因其具有能量高、小型化、安全性好等特點(diǎn)[5]，其容量為10 000 mA·h，最大輸出電流為2.1 A，可滿足測(cè)試系統(tǒng)及較大功率電臺(tái)的需要；電源管理模塊完成鋰電池充電、測(cè)試系統(tǒng)和電臺(tái)供電等功能；系統(tǒng)通過(guò)主控芯片、開(kāi)關(guān)、電臺(tái)通信接口模塊等部分完成對(duì)待測(cè)電臺(tái)無(wú)線通信有效性和可靠性的測(cè)試，其組成框圖如圖1所示。

圖1 便攜式數(shù)傳電臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

便攜式測(cè)試系統(tǒng)與待測(cè)電臺(tái)連接后，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)運(yùn)行并為電臺(tái)提供適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉碗娏鳎ㄟ^(guò)對(duì)系統(tǒng)上的主控芯片編程產(chǎn)生與待測(cè)電臺(tái)相符合的測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)電臺(tái)通信接口模塊傳給電臺(tái)并由其發(fā)射出去，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)會(huì)伴隨指示燈的閃爍，發(fā)送完畢后系統(tǒng)電源自動(dòng)關(guān)閉。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源管理模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 鋰聚合物電池充電管理電路設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)使用TI公司的BQ24702芯片對(duì)鋰聚合物電池進(jìn)行充電管理，該芯片是一款高集成度電池充電控制器，可通過(guò)動(dòng)態(tài)功率管理功能最小化充電時(shí)間，具有0.4%的充電電壓精度和4%的充電電流精度，適合對(duì)鋰電池進(jìn)行充電控制[6]，其電路連接如圖2所示。其中VREF引腳為芯片的5 V參考電壓輸出，通過(guò)上拉電阻將ENABLE引腳置為高電平使芯片保持在工作狀態(tài)，通過(guò)電阻分壓的方式控制SRSET和BATSET引腳電壓，從而設(shè)置電池的充電電流和電壓，該設(shè)計(jì)中將二者分別設(shè)為2.5 A和5 V。[R9]為25 mΩ精密電阻，通過(guò)SRP和SRN引腳對(duì)其兩端電壓進(jìn)行檢測(cè)從而控制電池充電電流達(dá)到設(shè)定值，通過(guò)BATP引腳檢測(cè)電池的充電電壓，達(dá)到設(shè)定值后電池充電電壓保持不變而充電電流逐漸減小，當(dāng)其減小到芯片內(nèi)部設(shè)定的電流門限后停止充電[7]。電池的剩余電量通過(guò)4個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行顯示。

2.1.2 測(cè)試系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)使用鋰聚合物電池提供的5 V電壓作為系統(tǒng)輸入電壓，由于各種電臺(tái)正常工作時(shí)的供電電壓各不相同，應(yīng)設(shè)計(jì)具備輸出電壓可調(diào)且范圍較寬的調(diào)節(jié)電路，這里使用NS公司的LM2621芯片，該芯片的輸入電壓范圍為1.2～14 V，輸出電壓范圍為1.24～14 V，最大可輸出1 A的負(fù)載電流[8]，效率高達(dá)90%，充分滿足本設(shè)計(jì)要求，其電路連接如圖3所示。其中EN引腳為芯片的使能端，由測(cè)試系統(tǒng)上的單片機(jī)和系統(tǒng)開(kāi)關(guān)共同控制；通過(guò)調(diào)節(jié)與芯片F(xiàn)B引腳相連的可調(diào)電阻，可對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，這里選用阻值為50 kΩ的多圈精密電位器，調(diào)節(jié)電位器[R20]使管腳7的輸出電壓為6 V。為了滿足測(cè)試系統(tǒng)上單片機(jī)和其他數(shù)字芯片的供電要求，選用NS公司的LM2937?3.3芯片，將LM2621芯片的輸出電壓作為其輸入，從而獲得穩(wěn)定、低噪聲的3.3 V電壓輸出。

圖3 電壓調(diào)節(jié)電路

2.2 系統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

為了在測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)通信指示并節(jié)省設(shè)計(jì)空間，使用帶有發(fā)光二極管的非自鎖開(kāi)關(guān)作為系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)對(duì)其自帶的LED進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的閃爍效果，非自鎖的方式允許測(cè)試系統(tǒng)在工作完畢后可自動(dòng)關(guān)斷電源。

測(cè)試系統(tǒng)的啟動(dòng)流程如下：系統(tǒng)電源芯片LM2621的使能端EN由兩個(gè)光電耦合器的輸出引腳共同控制，當(dāng)開(kāi)關(guān)按下后，一個(gè)光耦瞬間導(dǎo)通，LM2621因EN為高電平開(kāi)始工作，系統(tǒng)上的單片機(jī)和數(shù)字芯片獲得工作電壓，單片機(jī)程序運(yùn)行，通過(guò)其I/O口控制另一個(gè)光耦導(dǎo)通，EN因此繼續(xù)保持高電平，當(dāng)程序運(yùn)行結(jié)束后關(guān)斷該光耦從而關(guān)閉LM2621芯片，系統(tǒng)電源關(guān)閉。

2.3 主控芯片選型及設(shè)計(jì)

由于測(cè)試系統(tǒng)主要完成對(duì)外圍芯片的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的生成，對(duì)于計(jì)算要求并不復(fù)雜，因此對(duì)主控芯片的運(yùn)算處理能力要求不高；同時(shí)，由于測(cè)試系統(tǒng)的電池容量為10 000 mA·h，而系統(tǒng)在工作時(shí)所需時(shí)間也較短，因此對(duì)主控芯片的功耗要求也不高，但在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中要求開(kāi)發(fā)難度低，以縮短研發(fā)周期，經(jīng)對(duì)比選型，最終選用Silicon Laboratories公司的高性能微控制器C8051F310作為主控芯片。它具有與8051兼容的CIP?51微控制器內(nèi)核，是完整的混合信號(hào)片上系統(tǒng)SoC芯片。其主要性能為：采用高速流水線結(jié)構(gòu)（25 MIPS），70%的指令執(zhí)行時(shí)間為1～2個(gè)時(shí)鐘周期，具有16 KB可在系統(tǒng)編程FLASH和1 280 B SRAM，最多可達(dá)14個(gè)中斷源等特點(diǎn)，以上性能完全滿足本測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

2.4 電臺(tái)通信接口模塊設(shè)計(jì)

為了給待測(cè)電臺(tái)供電并與其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備電臺(tái)通信接口。使用單片機(jī)的I/O口、光電耦合器和MOSFET組成電臺(tái)供電的控制邏輯。通常各種電臺(tái)都具有RS 232接口，測(cè)試系統(tǒng)上的單片機(jī)使用的是TTL電平，選用MAXIMUM公司生產(chǎn)的MAX3221芯片完成二者間的電平轉(zhuǎn)換，其電路原理框圖如圖4所示。

圖4 電臺(tái)通信接口模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

為了保證測(cè)試系統(tǒng)的可靠運(yùn)行且可維護(hù)性強(qiáng)，采用模塊化編程完成程序設(shè)計(jì)，根據(jù)待測(cè)電臺(tái)數(shù)據(jù)的需求對(duì)系統(tǒng)單片機(jī)程序進(jìn)行編寫(xiě)，以生成測(cè)試數(shù)據(jù)源。采用Keil公司的Keil μVision4作為編程環(huán)境開(kāi)發(fā)，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用C語(yǔ)言為主，匯編語(yǔ)言為輔的設(shè)計(jì)方案，匯編語(yǔ)言僅完成MCU寄存器的初始化，其程序流程圖如圖5所示，其中測(cè)試數(shù)據(jù)格式由待測(cè)電臺(tái)的要求來(lái)確定。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)待測(cè)電臺(tái)使用有線測(cè)試的方法獲得其發(fā)射功率和接收靈敏度，選擇帶寬與電臺(tái)相匹配的天線，根據(jù)電磁波的自由空間損耗公式、收發(fā)天線的方向圖及增益等參數(shù)估算出電臺(tái)的理論有效通信距離。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，根據(jù)場(chǎng)地的要求盡可能將測(cè)試系統(tǒng)和其接收系統(tǒng)拉開(kāi)距離，當(dāng)受場(chǎng)地限制時(shí)，可在待測(cè)電臺(tái)射頻輸出端加一定量的衰減起到拉遠(yuǎn)距離的效果。在進(jìn)行試驗(yàn)前，對(duì)便攜式測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行高低溫試驗(yàn)和8 h不間斷工作試驗(yàn)，以確定其正常工作的環(huán)境溫度范圍和可靠的工作時(shí)間。

圖5 單片機(jī)程序流程圖

現(xiàn)選用三種不同的數(shù)傳電臺(tái)作為待測(cè)電臺(tái)，經(jīng)有線測(cè)量得知，其發(fā)射功率分別為9 dBm，15 dBm，27 dBm，接收靈敏度為-75 dBm，-84 dBm，-82 dBm，工作頻率為160 MHz，433 MHz，915 MHz，工作電壓分別為6 V，9 V，12 V，選擇中心頻率與其相匹配，帶寬為20 MHz，增益為0 dB的單極子全向天線作為發(fā)射和接收天線。使用直流12 V的電源適配器，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行充電直至電量指示燈顯示充電完成，調(diào)節(jié)3套測(cè)試系統(tǒng)的電臺(tái)供電電壓以滿足要求。編寫(xiě)模擬測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀格式由測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)號(hào)、幀標(biāo)號(hào)、模擬數(shù)據(jù)內(nèi)容三部分組成[9?10]，每秒發(fā)送1幀數(shù)據(jù)。

選擇遮擋相對(duì)較少的岸邊作為測(cè)試環(huán)境，將測(cè)試系統(tǒng)放置于船上，將其接收系統(tǒng)放置于岸邊高臺(tái)處，開(kāi)啟測(cè)試系統(tǒng)與接收系統(tǒng)且船駛離岸，用頻譜分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)頻率的數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)并記錄接收系統(tǒng)的結(jié)果，記錄船的經(jīng)緯度以用于測(cè)量船岸距離。船的航速為8 kn，數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送40 min，船岸間距約為10 km時(shí)結(jié)束測(cè)試，結(jié)果如表1所示。三套測(cè)試系統(tǒng)在外場(chǎng)環(huán)境下均完成了對(duì)相應(yīng)電臺(tái)的測(cè)試。通過(guò)計(jì)算可知三種電臺(tái)的理論通信距離分別為2.5 km，6 km，8 km，而實(shí)測(cè)通信距離均比理論值要近，這與電臺(tái)自身性能、收發(fā)天線的駐波比、饋線損耗、環(huán)境噪聲、空氣中固態(tài)和液態(tài)顆粒物引起的傳輸損耗等因素有關(guān)。由此可見(jiàn)，使用便攜式測(cè)試系統(tǒng)在外場(chǎng)驗(yàn)證對(duì)評(píng)估電臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的通信性能是非常必要的，為全面評(píng)估電臺(tái)的有效通信距離提供了保證。

表1 船岸場(chǎng)地測(cè)試結(jié)果

[＼&有效接收數(shù)據(jù) /幀＼&有效工作時(shí)間 /min＼&有效通信距離 /km＼&測(cè)試系統(tǒng)1＼&480＼&8＼&2＼&測(cè)試系統(tǒng)2＼&1 200＼&20＼&5＼&測(cè)試系統(tǒng)3＼&1 680＼&28＼&7＼&]

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了便攜式數(shù)傳電臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想并詳細(xì)給出了硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方案，最后選擇海岸邊作為實(shí)測(cè)場(chǎng)地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試。結(jié)果表明：該測(cè)試系統(tǒng)能在外部無(wú)源的復(fù)雜環(huán)境中完成對(duì)多種數(shù)傳電臺(tái)無(wú)線通信性能的測(cè)試，具有便攜性好、實(shí)用性高、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)傳電臺(tái)通信性能的實(shí)際檢驗(yàn)方法起到一定的借鑒作用。

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