基于WT-BLE4.0模塊的遠(yuǎn)控信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙德艷 蔣勇 顧保國 介陽陽

摘? ?要：為達(dá)到遠(yuǎn)程控制信標(biāo)機(jī)的目的，采用小型化、模塊化設(shè)計(jì)思想，文章提出了基于WT-BLE4.0模塊的信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙技術(shù)，通過終端控制設(shè)備遠(yuǎn)程控制信標(biāo)機(jī)輸出所需要的信號(hào)。

關(guān)鍵詞：WT-BLE4.0模塊;MSP430F169;鎖相環(huán);信標(biāo)機(jī)

1? ? WT-BLE4.0模塊介紹

信標(biāo)機(jī)可以發(fā)射或轉(zhuǎn)發(fā)用作定向或跟蹤的信號(hào)，在航天、航海及航空中應(yīng)用非常廣泛，在航天測(cè)控中常用單頻率信標(biāo)機(jī)的信號(hào)作為跟蹤信標(biāo)，以引導(dǎo)跟蹤系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的跟蹤與捕獲。在航海應(yīng)用中有指向信標(biāo)、定向信標(biāo)等，在航空應(yīng)用中有航向信標(biāo)、下滑信標(biāo)等。測(cè)量船上也需要信標(biāo)，用于角度標(biāo)校和接收分系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)自檢。

在航天、航海及航空中，不但要求信標(biāo)機(jī)集成化、小型化高可靠性和穩(wěn)定性，而且要求信標(biāo)機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻率和幅度隨時(shí)可變，信標(biāo)機(jī)應(yīng)用就會(huì)更加靈活、方便，該功能通常由電臺(tái)實(shí)現(xiàn)，但是由于一般的電臺(tái)作用距離較近，無法滿足遠(yuǎn)控、機(jī)動(dòng)的要求?；赪T-BLE4.0模塊的信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)方案解決了信標(biāo)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的相關(guān)問題，利用的WT-BLE4.0模塊是深圳維特智能科技有限公司開發(fā)的一款數(shù)據(jù)透?jìng)黝惸K，采用了Nordic公司的藍(lán)牙低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE）微控制單元（Micro Control Unit，MCU）集成一體的系統(tǒng)級(jí)芯片（System on Chip，SOC）nRF51822-QAFF，內(nèi)部集成了底層低功耗的藍(lán)牙4.0的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，模塊接口為標(biāo)準(zhǔn)的通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口，內(nèi)置了中斷輸出提示功能，當(dāng)模塊接收到配對(duì)藍(lán)牙傳送的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)輸出高電平提示信號(hào)，用以通知外部設(shè)備，同時(shí)，模塊配置了硬件使能腳，在無需數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以通過將使能腳置高來禁用串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽瑥亩档拖到y(tǒng)的功耗。利用WT-BLE4.0模塊研制一個(gè)信標(biāo)機(jī)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)信標(biāo)機(jī)輸出信號(hào)頻率和幅度的改變。

2? ? 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由室內(nèi)單元和室外單元兩部分組成，室內(nèi)單元包括一個(gè)終端控制設(shè)備，室外單元包括一個(gè)終端控制設(shè)備和信標(biāo)機(jī)。操作人員通過室內(nèi)終端控制設(shè)備發(fā)送控制或查詢命令，室外終端控制設(shè)備通過通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)收到命令后通過藍(lán)牙向外發(fā)送相應(yīng)的信息，信標(biāo)機(jī)收到信息后，輸出對(duì)應(yīng)頻率和幅度的射頻信號(hào)，同時(shí)，將控制或查詢結(jié)果反饋給室內(nèi)終端控制設(shè)備，室內(nèi)終端控制設(shè)備對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示，系統(tǒng)組成框架如圖1所示。

3? ? 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)除了兩個(gè)終端控制設(shè)備外，還必須研制一個(gè)可以接收藍(lán)牙信息的信標(biāo)機(jī)。信標(biāo)機(jī)采用單環(huán)鎖相頻率合成技術(shù)，硬件電路主要包括：WT-BLE4.0模塊、單片機(jī)MSP430F169控制電路、集成鑒相器ADF4156、濾波器、壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）、數(shù)控衰減電路，組成框架如圖2所示。

單片機(jī)選擇TI公司的MSP430F169。它的工作電壓為1.8～3.6 V，功耗低，貼片且封裝較小，利于設(shè)計(jì)電路板，具有聯(lián)合測(cè)試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）仿真調(diào)試接口，可進(jìn)行在線編程和仿真，便于軟件調(diào)試[1]。

環(huán)路鑒相器采用集成的分?jǐn)?shù)分頻鎖相環(huán)芯片ADF4156，它的RF輸入頻率范圍為0.5～6.0 GHz;REF輸入頻率范圍為10～250 MHz;鑒相頻率最大為32 MHz;2.7～3.3 V電源電壓。ADF4156包括一個(gè)低噪聲數(shù)字相位頻率檢測(cè)器PFD，一個(gè)精密電荷泵和一個(gè)可編程的參考除法器。有一個(gè)用于可編程的分?jǐn)?shù)N除法器。其INT，確定預(yù)約存取控制（Fixed Reservation Access Control，F(xiàn)RAC）和MOD寄存器定義了一個(gè)總的N除法器（N =（INT+（FRAC/MOD）））。它有5個(gè)32 bit寄存器，分別是FRAC/INT分?jǐn)?shù)和整數(shù)分頻控制寄存器、PHASE，MOD/R系數(shù)和參考分頻控制寄存器、FUNCTION功能寄存器、CLKDIV時(shí)鐘分頻寄存器?？删幊炭刂茀⒖夹盘?hào)分頻、比較信號(hào)的分?jǐn)?shù)分頻。ADF4156還具有減少周期滑移的電路，無需修改環(huán)路濾波器，可通過控制其內(nèi)部寄存器實(shí)現(xiàn)加快鎖定時(shí)間。所有可編程數(shù)據(jù)都可通過三線接口（CLK，DATA和LE）寫入芯片內(nèi)的相應(yīng)寄存器中，通過改變可編程分頻器的值，就可改變VCO輸出相應(yīng)信號(hào)頻率[2]。

在進(jìn)行鎖相環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)，通過ADI公司的ADIsimPLL Ver 3.0軟件，選擇并調(diào)整合適的鎖相環(huán)濾波器形式和環(huán)路帶寬，環(huán)路輸出信號(hào)的相位噪聲情況，仿真出合理的、一致較好的環(huán)路參數(shù)。本系統(tǒng)中，環(huán)路濾波器采用由低噪聲運(yùn)放OP184及其外圍電路組成的二階有源比例積分濾波器。

VCO和數(shù)控衰減器可根據(jù)信標(biāo)機(jī)工作頻率范圍，選用Hittite公司的壓控振蕩器和數(shù)控衰減器。

信標(biāo)機(jī)加電后，單片機(jī)MSP430F169先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)初始化。晶振參考信號(hào)和VCO反饋的比較信號(hào)同時(shí)輸入至集成鑒相器ADF4156中，當(dāng)WT-BLE4.0模塊接收到控制或查詢命令后，單片機(jī)控制ADF4156內(nèi)的可編程參考分頻、分?jǐn)?shù)分頻器進(jìn)行分頻，兩個(gè)信號(hào)分頻至鑒相頻率，再通過芯片內(nèi)集成的相位頻率檢測(cè)器PFD進(jìn)行鑒相，得到誤差電流后，經(jīng)過內(nèi)部的電荷泵后輸出。環(huán)路濾波器對(duì)輸出的誤差信號(hào)進(jìn)行濾波，得到與參考、比較信號(hào)的頻率和相位誤差相關(guān)的控制信號(hào)，此控制電壓控制微波VCO進(jìn)行頻率和相位調(diào)整，直至頻率相同，僅存很小的穩(wěn)態(tài)相位誤差，環(huán)路鎖定，信標(biāo)機(jī)輸出對(duì)應(yīng)頻率的信號(hào)。VCO另一路輸出信號(hào)經(jīng)衰減后，輸出給信標(biāo)天線。

4? ? 軟件設(shè)計(jì)

MSP430F169單片機(jī)軟件開發(fā)采用IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境：IAR Embedded Workbench[3]，程序用C語言編寫，軟件流程如圖3所示。

系統(tǒng)初始化主要是對(duì)MSP430F169單片機(jī)輸入/輸出（Input/Output，I/O）管腳、ADF4156寄存器和數(shù)控衰減器衰減量進(jìn)行初始化，信標(biāo)機(jī)輸出默認(rèn)的頻率和幅度信號(hào)。當(dāng)信標(biāo)機(jī)收到控制命令后，對(duì)控制命令進(jìn)行解析，對(duì)信標(biāo)機(jī)輸出信號(hào)頻率、幅度對(duì)及是否輸出信號(hào)進(jìn)行控制，然后對(duì)信標(biāo)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行采集并上報(bào)。采集的信息主要包括當(dāng)前信號(hào)頻率、衰減量、鎖定（或失鎖）狀態(tài)、輸出允許（或禁止）狀態(tài)、電源電壓、電流及溫濕度等。當(dāng)信標(biāo)機(jī)收到查詢命令后，直接對(duì)信標(biāo)機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行采集并上報(bào)。

圖3? 信標(biāo)機(jī)軟件程序流程

5? ? 結(jié)語

自行設(shè)計(jì)終端控制設(shè)備通信控制應(yīng)用程序，采用單環(huán)鎖相頻率合成技術(shù)和小型化、模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)信標(biāo)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過終端控制設(shè)備發(fā)送控制和查詢命令，可快速遠(yuǎn)程控制信標(biāo)機(jī)輸出所需頻率和幅度的信號(hào)，同時(shí)對(duì)標(biāo)信機(jī)工作狀態(tài)及工作環(huán)境進(jìn)行掌握。

基于WT-BLE4.0模塊的遠(yuǎn)控信標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)方案已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用，如果使用其他頻率范圍的VCO，可輸出對(duì)應(yīng)頻率的信號(hào)，應(yīng)用于其他測(cè)控或通信領(lǐng)域，隨著科技的不斷發(fā)展，在航天、航海及航空中也有廣泛應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2]黃智偉.無線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]張晞，王德銀，張晨.MSP430系列單片機(jī)實(shí)用C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

Abstract：This paper is designed a WT-BLE4.0 Module based remote control signal generator? which features miniaturization and modularization. Based on GPRS network and Bluetooth， the signal generator can be remote controlled by cell phone to output the required signal.

Key words：WT-BLE4.0 module; MSP430F169; phase-locked loop; signal generator