便攜式數(shù)傳電臺測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王心鵬+門雅彬+顧季源+李永軍

摘 要： 為解決在外場條件下不便于測試數(shù)傳電臺通信性能的問題，提出了便攜式數(shù)傳電臺測試系統(tǒng)的設(shè)計思路。該系統(tǒng)由鋰聚合物電池、電源管理模塊、主控芯片、電臺通信接口模塊等部分組成，通過對系統(tǒng)主控芯片編程可為數(shù)傳電臺提供測試數(shù)據(jù)以滿足要求。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠在外部無源的復(fù)雜環(huán)境中完成對多種性能數(shù)傳電臺的測試，具有便攜性、實用性、工作穩(wěn)定的特點。

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

中圖分類號： TN924?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0005?03

0 引 言

數(shù)傳電臺（Radio Modem），又可稱為“無線數(shù)傳電臺”、“無線數(shù)傳模塊”，是指借助DSP技術(shù)和軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸電臺。數(shù)傳電臺在無線通信系統(tǒng)中使用廣泛，因此對其工作性能的測試十分重要，通常利用有線測試的方法獲得電臺的發(fā)射功率、靈敏度、二次和三次諧波功率等指標(biāo)[1?2]，從測試結(jié)果對其性能加以評價；然后會根據(jù)電臺發(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，估算出電臺有效的通信距離[3?4]，以此來評價電臺在無線通信環(huán)境下的通信性能。

由于實際應(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)理論計算評價電臺的通信性能是不夠且不具有說服力的，必須通過在現(xiàn)場選擇合理的位置加以測試，從而確定電臺實際可靠的通信距離。為了滿足不同性能電臺的測試要求，需設(shè)計能與多種電臺相配合使用的便攜式測試系統(tǒng)，以滿足在各種復(fù)雜測試環(huán)境下的需要。

測試系統(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，并可及時對電池充電。系統(tǒng)上的主控芯片通過編程可為電臺提供多種測試數(shù)據(jù)，具有標(biāo)準(zhǔn)的RS 232接口，可與多種電臺進行數(shù)據(jù)通信以滿足測試要求。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

便攜式測試系統(tǒng)由鋰聚合物電池、電源管理模塊、開關(guān)、主控芯片、電臺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[5]，其容量為10 000 mA·h，最大輸出電流為2.1 A，可滿足測試系統(tǒng)及較大功率電臺的需要；電源管理模塊完成鋰電池充電、測試系統(tǒng)和電臺供電等功能；系統(tǒng)通過主控芯片、開關(guān)、電臺通信接口模塊等部分完成對待測電臺無線通信有效性和可靠性的測試，其組成框圖如圖1所示。

圖1 便攜式數(shù)傳電臺測試系統(tǒng)組成框圖

便攜式測試系統(tǒng)與待測電臺連接后，開啟開關(guān)，系統(tǒng)運行并為電臺提供適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉碗娏鳎ㄟ^對系統(tǒng)上的主控芯片編程產(chǎn)生與待測電臺相符合的測試數(shù)據(jù)，通過電臺通信接口模塊傳給電臺并由其發(fā)射出去，數(shù)據(jù)發(fā)送時會伴隨指示燈的閃爍，發(fā)送完畢后系統(tǒng)電源自動關(guān)閉。

2 硬件設(shè)計

2.1 電源管理模塊設(shè)計

2.1.1 鋰聚合物電池充電管理電路設(shè)計

測試系統(tǒng)使用TI公司的BQ24702芯片對鋰聚合物電池進行充電管理，該芯片是一款高集成度電池充電控制器，可通過動態(tài)功率管理功能最小化充電時間，具有0.4%的充電電壓精度和4%的充電電流精度，適合對鋰電池進行充電控制[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SRP和SRN引腳對其兩端電壓進行檢測從而控制電池充電電流達到設(shè)定值，通過BATP引腳檢測電池的充電電壓，達到設(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4個發(fā)光二極管進行顯示。

2.1.2 測試系統(tǒng)電源電路設(shè)計

測試系統(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，由于各種電臺正常工作時的供電電壓各不相同，應(yīng)設(shè)計具備輸出電壓可調(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的負載電流[8]，效率高達90%，充分滿足本設(shè)計要求，其電路連接如圖3所示。其中EN引腳為芯片的使能端，由測試系統(tǒng)上的單片機和系統(tǒng)開關(guān)共同控制；通過調(diào)節(jié)與芯片F(xiàn)B引腳相連的可調(diào)電阻，可對輸出電壓進行調(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。為了滿足測試系統(tǒng)上單片機和其他數(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)開關(guān)設(shè)計

為了在測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)發(fā)送時通信指示并節(jié)省設(shè)計空間，使用帶有發(fā)光二極管的非自鎖開關(guān)作為系統(tǒng)開關(guān)，通過對其自帶的LED進行控制實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)時的閃爍效果，非自鎖的方式允許測試系統(tǒng)在工作完畢后可自動關(guān)斷電源。

測試系統(tǒng)的啟動流程如下：系統(tǒng)電源芯片LM2621的使能端EN由兩個光電耦合器的輸出引腳共同控制，當(dāng)開關(guān)按下后，一個光耦瞬間導(dǎo)通，LM2621因EN為高電平開始工作，系統(tǒng)上的單片機和數(shù)字芯片獲得工作電壓，單片機程序運行，通過其I/O口控制另一個光耦導(dǎo)通，EN因此繼續(xù)保持高電平，當(dāng)程序運行結(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

由于測試系統(tǒng)主要完成對外圍芯片的控制和測試數(shù)據(jù)的生成，對于計算要求并不復(fù)雜，因此對主控芯片的運算處理能力要求不高；同時，由于測試系統(tǒng)的電池容量為10 000 mA·h，而系統(tǒng)在工作時所需時間也較短，因此對主控芯片的功耗要求也不高，但在軟件開發(fā)過程中要求開發(fā)難度低，以縮短研發(fā)周期，經(jīng)對比選型，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)行時間為1～2個時鐘周期，具有16 KB可在系統(tǒng)編程FLASH和1 280 B SRAM，最多可達14個中斷源等特點，以上性能完全滿足本測試系統(tǒng)的設(shè)計需求。

2.4 電臺通信接口模塊設(shè)計

為了給待測電臺供電并與其進行數(shù)據(jù)傳輸，測試系統(tǒng)應(yīng)具備電臺通信接口。使用單片機的I/O口、光電耦合器和MOSFET組成電臺供電的控制邏輯。通常各種電臺都具有RS 232接口，測試系統(tǒng)上的單片機使用的是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 電臺通信接口模塊

3 軟件設(shè)計

為了保證測試系統(tǒng)的可靠運行且可維護性強，采用模塊化編程完成程序設(shè)計，根據(jù)待測電臺數(shù)據(jù)的需求對系統(tǒng)單片機程序進行編寫，以生成測試數(shù)據(jù)源。采用Keil公司的Keil μVision4作為編程環(huán)境開發(fā)，程序設(shè)計語言采用C語言為主，匯編語言為輔的設(shè)計方案，匯編語言僅完成MCU寄存器的初始化，其程序流程圖如圖5所示，其中測試數(shù)據(jù)格式由待測電臺的要求來確定。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

對待測電臺使用有線測試的方法獲得其發(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)估算出電臺的理論有效通信距離。在現(xiàn)場測試中，根據(jù)場地的要求盡可能將測試系統(tǒng)和其接收系統(tǒng)拉開距離，當(dāng)受場地限制時，可在待測電臺射頻輸出端加一定量的衰減起到拉遠距離的效果。在進行試驗前，對便攜式測試系統(tǒng)進行高低溫試驗和8 h不間斷工作試驗，以確定其正常工作的環(huán)境溫度范圍和可靠的工作時間。

圖5 單片機程序流程圖

現(xiàn)選用三種不同的數(shù)傳電臺作為待測電臺，經(jīng)有線測量得知，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，對測試系統(tǒng)進行充電直至電量指示燈顯示充電完成，調(diào)節(jié)3套測試系統(tǒng)的電臺供電電壓以滿足要求。編寫模擬測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀格式由測試系統(tǒng)標(biāo)號、幀標(biāo)號、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)。

選擇遮擋相對較少的岸邊作為測試環(huán)境，將測試系統(tǒng)放置于船上，將其接收系統(tǒng)放置于岸邊高臺處，開啟測試系統(tǒng)與接收系統(tǒng)且船駛離岸，用頻譜分析儀實時監(jiān)測對應(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時結(jié)束測試，結(jié)果如表1所示。三套測試系統(tǒng)在外場環(huán)境下均完成了對相應(yīng)電臺的測試。通過計算可知三種電臺的理論通信距離分別為2.5 km，6 km，8 km，而實測通信距離均比理論值要近，這與電臺自身性能、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，使用便攜式測試系統(tǒng)在外場驗證對評估電臺在實際應(yīng)用環(huán)境下的通信性能是非常必要的，為全面評估電臺的有效通信距離提供了保證。

表1 船岸場地測試結(jié)果

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

5 結(jié) 語

本文提出了便攜式數(shù)傳電臺測試系統(tǒng)的設(shè)計思想并詳細給出了硬件和軟件的實現(xiàn)方案，最后選擇海岸邊作為實測場地對系統(tǒng)進行外場測試。結(jié)果表明：該測試系統(tǒng)能在外部無源的復(fù)雜環(huán)境中完成對多種數(shù)傳電臺無線通信性能的測試，具有便攜性好、實用性高、工作穩(wěn)定等特點。本設(shè)計對數(shù)傳電臺通信性能的實際檢驗方法起到一定的借鑒作用。

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