基于TRF6900芯片的紅外線矩陣坐標(biāo)式自動(dòng)報(bào)靶裝置
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實(shí)彈射擊訓(xùn)練的報(bào)靶方式由人工改為自動(dòng)方式，自電子技術(shù)應(yīng)用以來(lái)，一直都是軍警相關(guān)部門(mén)的研究課題。自動(dòng)報(bào)靶裝置的優(yōu)點(diǎn)和預(yù)期效益是不言而喻的。目前的各種自動(dòng)報(bào)靶產(chǎn)品還不能令人滿(mǎn)意，如何實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地獲得子彈穿過(guò)靶面時(shí)的位置信息是其關(guān)鍵技術(shù)，其中以坐標(biāo)點(diǎn)位置(X，Y)信息最為理想?，F(xiàn)在半導(dǎo)體激光技術(shù)做到光束直徑φ3 mm以下的器件已是非常普遍，一對(duì)這樣的激光收發(fā)器十分便宜，用200多對(duì)構(gòu)成50 cm×50 cm的激光束矩陣靶面并不昂貴。成熟的集成電路、計(jì)算機(jī)和通信等技術(shù)的應(yīng)用，更能為各種實(shí)彈射擊訓(xùn)練模式提供即時(shí)快捷、直觀以及智能化控制的自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)。
l 系統(tǒng)工作原理
1．1 系統(tǒng)框圖
紅外線矩陣坐標(biāo)式自動(dòng)報(bào)靶裝置由報(bào)靶系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成，系統(tǒng)方框圖如圖1所示。
在報(bào)靶系統(tǒng)中，矩陣式坐標(biāo)靶實(shí)現(xiàn)了彈著點(diǎn)的坐標(biāo)定位。坐標(biāo)傳感器輸出對(duì)應(yīng)于彈著點(diǎn)位置的電壓信號(hào)，微控制器完成對(duì)坐標(biāo)信號(hào)的采樣、保持、A／D轉(zhuǎn)換，并計(jì)算出實(shí)際彈著點(diǎn)的X-Y坐標(biāo)值，最后由TRF6900芯片無(wú)線發(fā)射到一定距離以外的接收端。
在顯示系統(tǒng)中，對(duì)接收到的無(wú)線載波信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)處理存儲(chǔ)，在微控制器的控制下，在點(diǎn)陣式液晶顯示屏呈現(xiàn)胸環(huán)靶圖案并標(biāo)出彈著點(diǎn)的位置。顯示部分亦可由便攜式個(gè)人計(jì)算機(jī)完成，處理功能更多，使系統(tǒng)更加完善。
1．2 TRF6900芯片介紹
本裝置無(wú)線收發(fā)采用射頻無(wú)線，收發(fā)芯片TRF6900，該芯片是TI公司最新推出的單片無(wú)線收發(fā)一體芯片，它在一個(gè)器件上包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制解調(diào)、FM調(diào)制解調(diào)、直接數(shù)字頻率合成(DDS)、接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)等多種功能。
TRF6900使用ISM頻段，無(wú)需申請(qǐng)，而且采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度，設(shè)備之間干擾小，可廣泛應(yīng)用于無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)、智能卡、設(shè)備遙控場(chǎng)合，應(yīng)用前景十分廣闊。
TRF6900主要性能如下：
(1)工作頻率為868～870 MHz(西歐)／902～928 MHz(北美)；
(2)有效數(shù)據(jù)傳輸距離為1 000 m；
(3)典型輸出功率為4．5 dBm；
(4)典型輸出信號(hào)頻差為230 Hz；
(5)工作電壓為2．2～3．6 V；
(6)待機(jī)電流為5μA，工作電流為50 mA；
(7)內(nèi)置2個(gè)可編程模式。
TRF6900內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
TRF6900內(nèi)部電路可分為發(fā)射模塊和接收模塊。接收模塊包括低噪音放大器、混頻器、中放、FM／FSK解調(diào)器、接收信號(hào)強(qiáng)度指示和低通濾波放大器等幾部分。發(fā)射模塊包括串行控制接口、直接數(shù)字頻率生成器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)等幾部分。
1．3 TRF6900工作原理
1．3．1 接收機(jī)工作原理
從天線接收到信號(hào)由LNA IN引入TRF6900，首先經(jīng)過(guò)低噪音放大器。低噪音放大器可提供13 dB的增益。低噪音放大器有正常模式和低增益模式兩種模式。當(dāng)TRF6900接收的信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，應(yīng)該選擇低增益模式，這樣可以最大程度地減少信號(hào)非線性失真。放大后的信號(hào)被送入混頻器，混頻器將信號(hào)變頻到中頻，再通過(guò)第一和第二級(jí)中頻放大。第一級(jí)中頻放大可獲得7 dB的增益，用以補(bǔ)償濾波器帶來(lái)的損耗；第二級(jí)中頻放大包括多個(gè)放大器，總共可獲得80 dB的增益。經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大后的信號(hào)，如果采用的是FM／FSK調(diào)制方式就被送入FM／FSK解調(diào)器，解調(diào)出數(shù)據(jù)信號(hào)從DATA OUT引出。如果是頻移鍵控(ASK)或開(kāi)關(guān)鍵控(OOK)則送入接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)解調(diào)，解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)由RSSIOUT輸出。
1．3．2 發(fā)射機(jī)工作原理
數(shù)字基帶信號(hào)從TX DATA引入TRF6900片內(nèi)，經(jīng)過(guò)直接數(shù)字頻率合成器(DDS)調(diào)制到中頻，再通過(guò)鎖相環(huán)(PLL)倍頻到射頻，最后通過(guò)功率放大器放大信號(hào)后，由PA OUT導(dǎo)出射頻信號(hào)，通過(guò)天線發(fā)射出去。
1．3．3 串行控制接口工作原理
串行控制接口包括CLOCK，DATA，STOBE三部分，控制著TRF6900內(nèi)部所有的寄存器，包括DDS參數(shù)設(shè)定寄存器和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一個(gè)上升沿，DATA管腳的邏輯值送入24-bit的移位寄存器，當(dāng)STOBE電平被抬高時(shí)，設(shè)定的參數(shù)被送入選定的鎖存器。
TRF6900有4個(gè)可編程的24 b控制字(A，B，C，D)；
控制字A和B分別控制DDS模式0和模式1狀態(tài)下輸出信號(hào)頻率。
控制字C負(fù)責(zé)鎖相環(huán)和DDS模式O的設(shè)定。
空制數(shù)據(jù)控制字D負(fù)責(zé)調(diào)制和DDS模式1的設(shè)定。
1．3．4 直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的工作原理
直接數(shù)字頻率合成器是基于數(shù)字域，直接產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波。它具有頻率范圍寬，頻率分辨率高，可用軟件方便地控制輸出頻率、頻率切換速度快且切換頻率時(shí)相位保持連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，從而在線性調(diào)頻、擴(kuò)頻和跳頻系統(tǒng)、多普勒響應(yīng)模擬等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但DDS由于受參考頻率的限制，輸出頻率通常較低，一般為100～400 MHz，而這一頻段的頻率資源相當(dāng)緊張。如果直接采用DDS產(chǎn)生射頻信號(hào)，將會(huì)對(duì)DDS的實(shí)際應(yīng)用造成很大限制。所以在實(shí)際應(yīng)用中往往是采用DDS／PLL混合方式，該方法將DDS輸出的中頻信號(hào)作為PLL倍頻器的參考頻率，利用PLL將信號(hào)變換到所需的頻率。這種方式既保留了DDS的頻率分辨率高和頻率切換速度快的特性，又彌補(bǔ)了DDS輸出頻率較低的不足，從而得到廣泛的應(yīng)用。TRF6900也是采用DDS／PLL這種方式。
TRF6900的直接數(shù)字頻率合成器包括一個(gè)24 b的相位累加器．相位碼一幅度碼轉(zhuǎn)換表，ll b的數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換(DAc)和低通濾波器(LPF)。相位累加器在時(shí)鐘的觸發(fā)下，對(duì)頻率控制字進(jìn)行累加，相位累加器輸出的相位序列作為地址來(lái)尋址正弦檢索表，得到正弦波的離散幅度數(shù)字即抽樣數(shù)字信號(hào)。DAC再將抽樣的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為模擬信號(hào)，最后通過(guò)一個(gè)低通濾波濾得到基波分量。
24 b的累加器可通過(guò)TRF6900內(nèi)部的兩個(gè)22 b的控制寄存器控制。DDS結(jié)構(gòu)如圖3所示。
如圖4所示，控制字A和控制字B的高兩位為0，因此最大的比特權(quán)重為1／8。
式中：DDS_x為控制字A或B的值。參考頻率fref就是DDS的取樣頻率，它從根本上決定著DDS的輸出頻率和頻偏。TRF6900采用的參考頻率為15～26 MHz。由上式可得，DDs的最大輸出頻率為90～156 MHz，最小頻偏為21～37 Hz。
TRF6900的控制字A確定模式0對(duì)應(yīng)的頻率，控制字B確定模式1所對(duì)應(yīng)的頻率，DDS可以在模式0和模式1之間快速切換，從而可以實(shí)現(xiàn)輸出頻率由一個(gè)頻率跳變到另一個(gè)頻率，而這一切都由軟件實(shí)現(xiàn)。所以只需給控制字A和控制字B賦相應(yīng)的值，并在兩個(gè)模式之間進(jìn)行切換就可以實(shí)現(xiàn)跳頻。TRF6900最高可達(dá)1 360跳／s，每一跳最多可攜帶22 b數(shù)據(jù)，因此，TRF6900的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為30 Kb／s。TRF6900采用跳頻的調(diào)制方式，極大地增加了通信的抗干擾能力。這一特點(diǎn)為在惡劣環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證傳輸質(zhì)量提供了很大的保障。
TRF6900可以選擇傳統(tǒng)的FSK調(diào)制，方便了與現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行通信。TRF6900由控制字C在DDS和FSK之間選擇。當(dāng)TRF6900選擇FSK調(diào)制時(shí)，空號(hào)與傳號(hào)的輸出頻率完全由控制字D確定，可以用軟件方便地進(jìn)行設(shè)置。如圖5所示。
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