基于單片機的天線測試參數數據采集與處理系統(tǒng)研究

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

1 天線參數測試理論與方法

1.1 天線參數測試原理

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

1.2 天線參數測試方法

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

2 天線參數自動測試硬件實現(xiàn)

基于圖1所示天線參數自動測試系統(tǒng)原理框圖，針對小型天線工程實驗室測試的實際需求和實驗室現(xiàn)有設備，對系統(tǒng)各模塊進行合適的選型，整個系統(tǒng)的工作流程如下：

1)匹配信號源產生連續(xù)微波射頻信號，并經固定不動的輔助發(fā)射天線向空間輻射電磁波。

2)控制電路控制負載被測天線的轉臺連續(xù)轉動，并接收信號源通過發(fā)射天線發(fā)射的電磁波。

3)接收信號送天線幅度采集電路，經變換放大及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，經處理單元處理，由輸出裝置發(fā)送給PC做進一步的數據處理。

2.1 單片機控制的自動測試電路

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，外設和靈活的時鐘系統(tǒng)，通過將許多外設集成至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大大縮小了產品的體積與成本，并且采用多種低功耗節(jié)能工作模式。系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

在本系統(tǒng)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(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機進行通訊;

4)單片機P6口對天線信號進行采集。

2.2 信號定時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。考慮到測試信號的幅度較小，采用二極管進行小信號檢波，從檢波器輸出的反映輔助天線輻射功率密度直流信號，通常在微安數量級，很難直接采集，必須經電流/電壓轉換后再經過直流放大器進行放大，以滿足A/D轉換的需要。本測試系統(tǒng)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，以滿足A/D轉換量程的需要。在天線測試過程中，同軸電纜線作為信號輸入通道，其受到擠壓或教育轉換器之間的接口的松動都會影響到測試結果的準確性，因此系統(tǒng)中要盡量選擇性能好的電纜線。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轉換芯片即可實現(xiàn)對模擬量的數字化處理。由于AD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，降低了產品成本，靈活方便，使結構更加緊湊，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高儀器的可靠性。

3 天線測試軟件實現(xiàn)

結合硬件電路設計的各個模塊，通過相應的軟件設計對各外圍模塊進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，完成整個測試功能。系統(tǒng)軟件測試流程圖如圖4所示。

3.1 定時系統(tǒng)設計

測試天線參數之前，必須首先測量天線的實際轉速，即使用公式：V=S/T，計算轉臺的實際轉速，其中S為天線轉臺轉動的角度，T為轉動角度所用的時間。因為本次試驗采用的裝置在天線轉臺上加載了限位開關，經過實際測量，水平面內轉臺限位之間轉動的角度為355度。

測試過程通過裝載不同的負載，利用MSP430單片機內置的定時器模塊設置一定的時間，以零點位置為轉動的起始點，并在轉動過程中由軟件進行計數，以計數值和定時時間得到轉動的時間。具體測試如表1所示。

經測試可知，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)

當定時時間為1 s時，定時器設置如下：

TACTL=TASSEL0+TACLR; //ACLK輔助時鐘

CCR0=32768; //采樣60個點，定時時間為1 s

CCTL0=CCIE; //允許定時器中斷

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行數據通訊是最常使用的方法，它具有實現(xiàn)簡單，使用方便，數據傳輸穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，因而在數據采集，遠程遙控，實時監(jiān)測等方面有廣泛的應用。在本系統(tǒng)中，采集的天線測試參數與上位機的通訊也是通過串口來實現(xiàn)的。MSP430F149單片機內置了USART模塊，與傳統(tǒng)的串行通信相比，它可以用低時鐘頻率實現(xiàn)高速通信。內部含有兩個串行通信模塊：串口0(USART0)和串口1(USART1)，模塊在發(fā)送和接收每一個字節(jié)的同時都可以觸發(fā)中斷，從而是單片機退出低功耗模式，發(fā)送和接收是由兩個獨立的中斷寄存器來控制的。

該串口的比特率設置頁非常方便，可以通過比特率寄存器UBR0和UBR1粗略地調整波特率，再通過波特率調整寄存器UMCTL0進一步地細調波特率。通過串口控制寄存器UCTL0設置串行通信模式，通過串口發(fā)送控制寄存器UTCTLD設置產生波特率所需的時鐘。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。選用實驗室設備小型喇叭天線，選取水平面作為測試對象。對于小型喇叭天線而言，可以選擇室內封閉場作為測試的場地，排除相關反射體，盡量營造一個純凈的電磁環(huán)境。根據天線的結構形式確定收、發(fā)天線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口面，即自動測試時以限位位置為測試起點和終點，使得方向圖主瓣位于方向圖的中點位置，圖形顯示更為直觀。

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，轉化成天線的功率方向圖，用Matlab繪圖后得到圖5。系統(tǒng)測試過程中，需要對采樣個數進行濾波處理，圖5中的四幅圖都是采用32位濾波平均，不同的是采樣點數分別為60、120、240、360個。從四幅圖的比較可以看出，采樣點數越多，方向圖越不平滑，這是因為當采樣點個數達到36 0時且作32位平均時，單片機每秒鐘需要采集1 920個數據，這時會造成相當大的干擾。本系統(tǒng)中天線的口徑為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方向圖。此外，方向圖曲線高度的重復性也反映了天線轉臺的精度較高，系統(tǒng)的綜合性完全能達到預期的目標。

5 結論

根據天線參數測試的相關理論研究方法，本文構建了以MSP430F149單片機為核心的天線測試參數的數據采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過驅動負載待測天線的轉臺轉動，實現(xiàn)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)送給上位機進行保存或者進一步的處理，通過大量的實驗數據分析出最接近理論值的天線方向圖，整個系統(tǒng)不僅達到了預期的測試目標，同時兼顧了體積、成本與功耗，符合實驗室測試的要求。