簡易數(shù)字控制遠距離無線同步觸發(fā)裝置的設(shè)計*

粟向軍，榮 軍，陳 松，譚 榮

（湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽 414006）

在地質(zhì)勘探中，常常通過人工辦法產(chǎn)生地震，并采用同軸電纜傳輸同步信號，啟動幾公里外的“地震波分析儀”，從而了解地質(zhì)情況、地下資源分布等信息，因此需要用到有線同步觸發(fā)裝置［1-2］。目前市面上銷售的這些裝置很多缺陷與不足，比如有些裝置采用GPS的同步對時技術(shù)具有硬件電路體積大、成本高以及算法復(fù)雜等缺點；另外有些裝置在發(fā)射和接收模式選擇上采用藍牙技術(shù)，但是藍牙技術(shù)的缺點就是穿透能力差以及傳輸距離短［3-4］。針對以上無線同步觸發(fā)裝置具有通信距離短以及成本高的缺點，本文設(shè)計了一種簡易的遠距離無線同步觸發(fā)裝置，該系統(tǒng)具有通信距離遠、電路設(shè)計簡單以及生產(chǎn)成本低的特點。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)及結(jié)構(gòu)框圖

簡易數(shù)字控制的遠距離無線同步觸發(fā)裝置選用對講機作為載體，通過對講機發(fā)射鏈接信號建立鏈路，然后再次發(fā)射觸發(fā)信號，通過對講機解調(diào)，然后濾波分離出來，通過低頻鎖相芯片進行選頻，最后微處理器STM32F103RCT6通過檢測鎖相芯片的電平變化，及時檢測出觸發(fā)信號。此外，在發(fā)射和接收模式的選擇上利用現(xiàn)有的對講機，拆開取出其核心部分，然后通過MCU控制其內(nèi)部連接方式，改變其工作模式，使其能受控的信號處于發(fā)射模式或接收模式。該裝置系統(tǒng)框圖包括發(fā)射部分框圖和接收框圖分別如圖1和圖2所示。如圖1所示的系統(tǒng)發(fā)射部分在正常情況下不按模式選擇開關(guān)，如果在5 min之內(nèi)發(fā)射端無任何其他動作，則發(fā)射機停止發(fā)射，并處于待機狀態(tài)。下次鏈路的建立由發(fā)射端觸發(fā)信號觸發(fā)（上升沿或下降沿均可），等鏈路建立1 s之后，發(fā)射端才能接收到發(fā)射端的觸發(fā)信號，觸發(fā)后發(fā)射500 Hz與3 kHz疊加信號，5 s后停止功率發(fā)射，等待下次外觸發(fā)啟動（等待時間大于10 s，同時發(fā)射端只有確定鏈路已經(jīng)建立的情況下才能觸發(fā)）。之所以要發(fā)送500 Hz鏈路信號是為了減少誤觸發(fā)。

圖1 系統(tǒng)發(fā)射部分框圖

圖2 系統(tǒng)接收部分框圖

如圖2所示的系統(tǒng)接收部分如果按下模式選擇開關(guān)，選擇接收模式，調(diào)準好對講機收發(fā)頻率，當(dāng)接收端收到500 Hz鏈路信號時，鏈路燈亮，一旦接收到500 Hz加3 kHz觸發(fā)信號后，立刻輸出1 ms的低電平觸發(fā)信號，然后恢復(fù)高電平，同時接收端觸發(fā)燈閃爍10 s后復(fù)位，用于模擬地震分析儀響應(yīng)。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 發(fā)射站硬件電路設(shè)計

發(fā)射站電路設(shè)計包括發(fā)射模式選擇電路、發(fā)射模式控制電路以及發(fā)射信號產(chǎn)生電路3部分構(gòu)成。

2.1.1 發(fā)射模式選擇電路設(shè)計

圖3 發(fā)射模式控制電路

發(fā)射模式選擇電路如圖3所示，利用自鎖開關(guān)，選擇發(fā)射或接收模式，正常情況系統(tǒng)處于發(fā)射模式，此時發(fā)射燈LED0亮；當(dāng)發(fā)射端有觸發(fā)信號時，其通過開關(guān)pin4與pin6腳相接，然后經(jīng)觸發(fā)電路，由微處理器進行模式檢測［5］。

2.1.2 發(fā)射模式控制電路設(shè)計

由于系統(tǒng)采用的是對講機作為發(fā)射模塊，通過分析對講機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)使內(nèi)部發(fā)射引腳線連接到地時，對講機便可以發(fā)射信號，因此選擇用微處理器STM32F103RCT6來控制三極管，使對講機的發(fā)射使能腳短接到地，這樣系統(tǒng)便通過外部觸發(fā)信號，自動改變對講機的模式，其發(fā)射模式控制硬件電路如圖4所示。

圖4 發(fā)射模式控制電路

2.1.3 發(fā)射信號產(chǎn)生電路設(shè)計

正常情況下，系統(tǒng)上電，微處理器STM32F103RCT6輸出3 kHz的正弦鏈接信號，經(jīng)無源低通濾波器與隔直電容接入發(fā)射模塊進行發(fā)射；當(dāng)微處理器檢測到觸發(fā)端信號時，其立馬輸出500 Hz以及3 KHz的疊加波。其中濾波器的截止頻率，f=1 2πRC，其中R為2.7 kΩ，C為10 nF，DA輸出濾波硬件電路如圖5所示。

圖5 DA輸出濾波電路

2.2 接收站硬件電路設(shè)計

接收站硬件電路設(shè)計包括接收端濾波電路、500 Hz鎖相電路以及3 kHz觸發(fā)電路設(shè)計3部分。

2.2.1 接收端濾波電路設(shè)計

接收端濾波硬件電路如圖6所示，當(dāng)對講機接收到信號后，濾波電路就立即進行信號分離和放大，其中對于分離500 Hz信號的這路，采用的是四階無源低通濾波，設(shè)置的理論截止頻率是1.6 kHz，為了提高無源濾波器的帶負載能力，使用的電阻采用的升序排列，而電容采用降序排列。信號最后經(jīng)反相放大輸出至鎖相電路進行鎖定。其中放大電路采用的是單電源供電模式，其放大倍數(shù)為Av=-R5/R10，電阻R13的作用是減少電路級間相互影響與干擾。另外，對于分離3 kHz信號的這路，采用的是無源四階高通濾波器，理論設(shè)置的截止頻率為1.6 kHz，其中電容的設(shè)計依舊采用降序，電阻采用升序排列，以提高器帶負載能力，放大電路部分也是使用單電源反相放大［6-7］。

圖6 接收端濾波分離電路

2.2.2 500 Hz鎖相電路設(shè)計

500 Hz鎖相電路如圖7所示，500 Hz信號經(jīng)過分離電路分離后，經(jīng)過隔直電容進入低頻鎖相電路，調(diào)節(jié)R16，使得電路的鎖相頻率為500 Hz，此時用示波器觀察pin6腳，會有500 Hz的震蕩方波出現(xiàn)。此時當(dāng)芯片沒有鎖定時，輸出電平為高電平，一旦500 Hz信號進入后，NE567立馬鎖定并輸出低電平，此時鎖定燈亮；同時該pin腳鏈接微處理器STM32F103RCT6，當(dāng)微處理器STM32F103RCT6檢測到電平為低時，判定通信鏈路建立，并立即做出相應(yīng)的響應(yīng)。

圖7 500 Hz鎖相電路

2.2.3 3 KHz觸發(fā)電路設(shè)計

3 kHz觸發(fā)電路如圖8所示，主要由3個比較器組成，均采用單電源供電，采用的比較器是LM339，其中R38與R45是用來提供靜態(tài)偏置的，pin4腳的電壓，通過調(diào)節(jié)R31使得其電壓為2.1 V，對于pin7腳通過調(diào)節(jié)R40，使得其電壓為2.9 V，pin9腳是用來給U5C提供偏置的，整個電路相當(dāng)于當(dāng)正弦波的峰峰值大于0.8Vpp時，pin14腳便有電平的跳動。當(dāng)分離后輸入的3 KHz正弦波幅度小于0.8Vpp時，pin14腳無電平跳動，一旦大于0.8Vpp時，pin14立馬有電平跳動，同時該腳接到微處理器STM32F103RCT6的引腳，用于檢測觸發(fā)信號，一旦檢測到觸發(fā)信號，接收端立即響應(yīng)。同時由于LM339是一款集電極開路的比較器，因此輸出端均需加上拉電阻。

圖8 3 kHz觸發(fā)電路

2.3 接收終端響應(yīng)電路設(shè)計

當(dāng)微處理器STM32F103RCT6接收端響應(yīng)硬件電路如圖9所示。當(dāng)其檢測到3 kHz觸發(fā)信號時，微處理器立即發(fā)出控制信號，控制模擬開關(guān)TS5A3166，使它的pin2腳與pin1腳連接，該信號用于控制地質(zhì)采集裝置做出的響應(yīng)。其中正常情況pin4腳輸入低電平，pin2和pin1是斷開的，一旦輸入高電平，這兩個腳便立刻短接，產(chǎn)生一個跳變沿。

圖9 接收端響應(yīng)電

2.4 系統(tǒng)控制算法軟件實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)設(shè)計是整個裝置設(shè)計的重點和難點。本文采用uVision4為開發(fā)平臺，進行軟件系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計的思想是采用模塊化程序設(shè)計方法，主要包括計時模塊、發(fā)送模式模塊、接收模式模塊、觸發(fā)信號處理模塊以及信號產(chǎn)生模塊程序設(shè)計等，系統(tǒng)流程圖如10所示［8-9］。

圖10 程序流程圖

3 實驗結(jié)果及分析

簡易數(shù)字控制遠距離無線同步觸發(fā)裝置的實物圖如圖11所示，經(jīng)過嚴密的測試，該裝置在直線傳播（無障礙物）時，收發(fā)距離最遠為10 km；在市內(nèi)等建筑物較多的地方，信號衰減比較大，其最小通信距離可達2 km以上。頻率范圍覆蓋測試：UV四段全面覆蓋，其中V1段頻率范圍為136 MHz～171 MHz；V2段頻率范圍為200 MHz～259 MHz；U1段頻率范圍為 400 MHz～470 MHz；U2段頻率范圍為 470 MHz～519 MHz。說明該無線同步觸發(fā)裝置具有覆蓋頻率范圍廣以及適應(yīng)性強的特點。無線同步觸發(fā)裝置的功率損耗測試如下：發(fā)射機功耗小于8 W，接收機功耗小于1 W；說明該裝置能耗比較小，可以滿足在野外長時間作業(yè)。在重要的觸發(fā)指標(biāo)測試中，其中觸發(fā)時延精度：小于0.2 ms；相對變化量小于0.7 ms，完全滿足設(shè)計要求。

圖11 簡易無線同步觸發(fā)裝置的實物圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計一種簡易的遠距離無線同步觸發(fā)裝置，該裝置選用對講機作為載體，通過對講機發(fā)射鏈接信號建立鏈路，然后再次發(fā)射觸發(fā)信號，通過對講機解調(diào)，然后濾波分離出來，通過低頻鎖相芯片進行選頻，最后微處理器通過檢測鎖相芯片的電平變化，及時檢測出觸發(fā)信號。此外，在發(fā)射和接收模式的選擇上利用現(xiàn)有的對講機，拆開取出其核心部分，然后通過微處理器控制其內(nèi)部連接方式，改變其工作模式，使其能受控的信號處于發(fā)射模式或接收模式。采用這樣的收發(fā)模式的優(yōu)點在于對講機是不受網(wǎng)絡(luò)所限制的，在網(wǎng)絡(luò)所未覆蓋到的一些地方，對講機可以讓操作人輕松溝通，同時對講機具備一對一與一對多的通話方式。同時在直線傳播（無障礙物）時，收發(fā)距離最遠距離達到10 km。本文設(shè)計的簡易數(shù)字控制遠距離無線同步觸發(fā)裝置具有設(shè)計新穎、結(jié)構(gòu)簡單以及性比價高等優(yōu)點。

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粟向軍（1964-），男（漢族），湖南邵陽人，碩士，教授，湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，410006，主要從事通信仿真技術(shù)研究。

榮 軍（1978-），男，漢族，湖南岳陽人，碩士，講師，主要從事開關(guān)電源以及學(xué)生考賽指導(dǎo)工作，rj1219@163.com。