基于ZigBee的LAMOST無(wú)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊明山， 王夢(mèng)灝， 陳遠(yuǎn)港， 顧永剛， 翟 超

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026)

LAMOST(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope，大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡)，是一架視場(chǎng)為5°、橫臥于南北方向的中星儀式反射施密特望遠(yuǎn)鏡，也是我國(guó)正在進(jìn)行的一項(xiàng)大型科學(xué)工程項(xiàng)目[1-4]。在LAMOST控制系統(tǒng)中，為了保證4000個(gè)驅(qū)動(dòng)板正常工作，需要設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)來(lái)控制4000個(gè)光纖單元都到達(dá)指定的位置進(jìn)行觀測(cè)。該控制系統(tǒng)使用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種基于802.15.4物理層協(xié)議，支持自組網(wǎng)、多點(diǎn)中繼，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀拓?fù)涞膹?fù)雜的組網(wǎng)協(xié)議，加上其低功耗的特點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)間的設(shè)備必須各司其職，有效地協(xié)同工作。ZigBee技術(shù)在LAMOST中的應(yīng)用，首先解決了LAMOST中有線系統(tǒng)控制線無(wú)法空間安裝的問(wèn)題，其次ZigBee無(wú)線通信系統(tǒng)相比藍(lán)牙、WiFi等控制系統(tǒng)具有低功耗、高效、低成本、短延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性能高、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)，使得ZigBee通信成為了該系統(tǒng)高密度通信下的最優(yōu)選擇。為了達(dá)到觀測(cè)要求，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的無(wú)線通信質(zhì)量提出了較高要求并帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。

原有的LAMOST控制系統(tǒng)已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)有的工程需求，主要存在以下幾方面問(wèn)題：① 原有的LAMOST控制系統(tǒng)采用Freescale所提供的芯片，這些芯片如今已經(jīng)停產(chǎn)，且在性能方面也略有不足；② 原有的LAMOST子節(jié)點(diǎn)控制板的自身功耗較大，長(zhǎng)時(shí)間通電的情況下，會(huì)導(dǎo)致子節(jié)點(diǎn)控制板發(fā)熱，4000個(gè)子節(jié)點(diǎn)控制板發(fā)熱，會(huì)導(dǎo)致周圍環(huán)境溫度的變化，因此，在子節(jié)點(diǎn)控制板自身功耗方面可以進(jìn)行進(jìn)一步的改善優(yōu)化；③ 原有的控制系統(tǒng)的無(wú)線性能方面存在不足，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的更換維修工作量增大，成本增加；④ 原有的控制系統(tǒng)在通信時(shí)間方面有待進(jìn)一步改善。

針對(duì)原有控制系統(tǒng)存在的性能不足，對(duì)LAMOST無(wú)線系統(tǒng)進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，解決并改善了上述問(wèn)題，極大地提高了該系統(tǒng)的通信成功率和通信效率。該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：① 子節(jié)點(diǎn)控制板在有限寬度的PCB板上面，如何進(jìn)行阻抗匹配以及各個(gè)元器件的布局，才能使得無(wú)線信號(hào)的質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)；② 對(duì)于高密度ZigBee通信而言，在通信時(shí)間提出更高要求的情況下，如何提高通信的信號(hào)質(zhì)量并降低誤碼率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

該無(wú)線控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、STM32+CC2530主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，其控制網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

上位機(jī)與主節(jié)點(diǎn)的通信方式可以通過(guò)3種方式，分別是CAN總線、以太網(wǎng)和串口[5-7]。該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)采用CAN總線通信的方式將所有單元的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給4個(gè)主節(jié)點(diǎn)，每個(gè)主節(jié)點(diǎn)接收屬于自己控制的數(shù)據(jù)，由主控芯片STM32經(jīng)過(guò)一系列的處理，再通過(guò)串口發(fā)送給射頻芯片CC2530，CC2530接收到數(shù)據(jù)之后，直接通過(guò)ZigBee無(wú)線通信發(fā)送給1000個(gè)子節(jié)點(diǎn)控制板，子節(jié)點(diǎn)控制板收到數(shù)據(jù)執(zhí)行運(yùn)轉(zhuǎn)命令，帶動(dòng)光纖定位單元到達(dá)指定位置，并在主節(jié)點(diǎn)詢問(wèn)時(shí)回復(fù)子節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)的狀態(tài)。針對(duì)LAMOST的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制，分別對(duì)該控制系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)的硬件部分以及整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與子節(jié)點(diǎn)控制板硬件設(shè)計(jì)，難點(diǎn)在于子節(jié)點(diǎn)控制板的無(wú)線射頻部分的設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)整體框圖

2.1 主節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

由于主節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較少，對(duì)主節(jié)點(diǎn)功耗的設(shè)計(jì)和主節(jié)點(diǎn)版型大小方面沒(méi)有嚴(yán)格要求，因此在主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，采用STM32+CC2530+RXF2401的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的通信設(shè)計(jì)，主要包括3個(gè)模塊：串口模塊、CAN總線和以太網(wǎng)。CAN總線模式和以太網(wǎng)模式主要用于現(xiàn)場(chǎng)控制，而設(shè)計(jì)串口通信的目的是方便在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，CAN總線收發(fā)器采用TJA050收發(fā)器，該收發(fā)器將差分電壓轉(zhuǎn)換為高低電平，中間采用了光耦隔離6N137對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行隔離，串口芯片采用UT3232G，該芯片用于RS232電平與單片機(jī)串口TTL電平的轉(zhuǎn)換。主控芯片STM32通過(guò)串口將無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送給射頻芯片CC2530，CC2530再通過(guò)功率放大RXF2401C將無(wú)線信號(hào)發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)控制板。主節(jié)點(diǎn)無(wú)線部分的設(shè)計(jì)極大提高了主節(jié)點(diǎn)的無(wú)線發(fā)送功率和無(wú)線接收的靈敏度。

2.2 子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于小型化的版型設(shè)計(jì)要求，對(duì)低功耗設(shè)計(jì)和阻抗匹配設(shè)計(jì)都提出了很高的要求，因此在子節(jié)點(diǎn)控制板的設(shè)計(jì)中，主要考慮其電源和射頻部分的設(shè)計(jì)。

由于現(xiàn)場(chǎng)需要控制4000根光纖單元，驅(qū)動(dòng)板的數(shù)量巨大，整個(gè)控制系統(tǒng)的功耗也必須加以考慮，再考慮到PCB布局，電源部分采用開(kāi)關(guān)電源TPS5430進(jìn)行設(shè)計(jì)，TPS5430內(nèi)部功能框圖如圖2所示。

圖2 TPS5430功能框圖

TPS5430內(nèi)部集成了一個(gè)高性能的電壓誤差放大器，在瞬態(tài)條件下有嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)精度，具有欠壓鎖定功能，以防止輸入電壓達(dá)到5.5 V時(shí)啟動(dòng)；內(nèi)置慢啟動(dòng)電路限制浪涌電流，電壓前反饋電路改善瞬態(tài)響應(yīng)。還包括了一個(gè)靈敏的高電平使能端、過(guò)電流保護(hù)和熱關(guān)斷。其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%，輸出端的紋波噪聲也滿足設(shè)計(jì)要求。

開(kāi)關(guān)電源的外圍電路設(shè)計(jì)中，本系統(tǒng)采用串聯(lián)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)稱BUCK電路，其電路圖如圖3所示。

圖3 BUCK電路圖

包圍電路設(shè)計(jì)步驟如下。

① 選擇續(xù)流二極管。續(xù)流二極管選用快恢復(fù)二極管B340，其額定工作電流3 A和反向耐壓值40 V均滿足該系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)要求，并留有一定的余量。

② 確定臨界電感。該功率電感的最小值根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

式中，KIND為系數(shù)，代表了電感紋波電流相對(duì)最大輸出電流，推薦值為0.2～0.3；FSW為T(mén)PS5430中開(kāi)關(guān)管的工作頻率，500 kHz；VIN為輸入電壓，12 V；VOUT為輸出電壓，3.3 V。計(jì)算得到臨界電感為8 μH,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用電感值為22 μH。

③ 確定電容。根據(jù)LC諧振頻率要盡可能地接近于內(nèi)部補(bǔ)償頻率，這里選用的電容是100 μF的陶瓷電容，同時(shí)在電源的輸入和輸出端分別加了去耦電容。該系統(tǒng)需要3.3 V的輸出電壓，VSENSE的電壓為1.22 V，因此選擇5.9 kΩ和10 kΩ作為分壓電阻，使得輸出電壓為3.3 V。開(kāi)關(guān)電源的外圍電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 TPS5430外圍電路設(shè)計(jì)圖

2.2.2 無(wú)線射頻設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制，子節(jié)點(diǎn)控制板寬度在10 mm左右，因此子節(jié)點(diǎn)控制板無(wú)線射頻不能采用占用面積較大的PCB天線，而且對(duì)天線的布局以及射頻相關(guān)的走線都提出了很高的要求。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采用了如下的匹配方案。

(1) 對(duì)于差分線以及單端線的設(shè)計(jì)計(jì)算，采用SI9000[8-9]對(duì)差分線進(jìn)行69 Ω匹配和對(duì)單端線進(jìn)行50 Ω阻抗匹配，如圖5和圖6所示。

圖5 單端信號(hào)線阻抗匹配

圖6 雙端信號(hào)線阻抗匹配

在PCB設(shè)計(jì)中，傳輸線的特征阻抗與介質(zhì)層的厚度、介電常數(shù)、銅箔厚度、線寬、線距、油墨厚度等有關(guān)，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，這些因素都要考慮。通常按照下面的公式對(duì)其阻抗進(jìn)行分析計(jì)算：

式中，Z為傳輸線的特征阻抗；εr為介電常數(shù)；H為參考層厚度；W為走線寬度；T為銅箔厚度。在1.6 mm板厚設(shè)計(jì)中，如采用第二層為參考層，會(huì)使單端線的走線寬度非常小，對(duì)無(wú)線信號(hào)影響很大，若采用第三層為參考層，會(huì)使走線寬度很寬，無(wú)法走線。故在最終的設(shè)計(jì)中，采用0.6 mm板厚，以第三層為參考層設(shè)計(jì)，最終使阻抗達(dá)到匹配[10]，射頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的反射最小，再通過(guò)電容電阻的微調(diào)，從而使無(wú)線信號(hào)的質(zhì)量達(dá)到最佳。

(2) 雙端信號(hào)與單端信號(hào)之間的匹配由于空間限制采用集成器件CC2530專用BALUN，其雙端阻抗為69 Ω，單端阻抗為50 Ω，BALUN的作用是進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，將雙端69 Ω的阻抗轉(zhuǎn)換為單端50 Ω的阻抗并實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)與雙端信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

(3) 選用了性能更好的AT7020-E3R0HBAT天線，特征阻抗為50 Ω，其布局注意了以下幾點(diǎn)：① 對(duì)天線的布局進(jìn)行凈空處理；② 將天線布局在PCB板邊緣，使無(wú)線信號(hào)更有效率地發(fā)射出去；③ 陶瓷天線嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行布局。

(4) 利用高品質(zhì)的電容電感對(duì)無(wú)線部分的阻抗進(jìn)行修正，使得阻抗匹配達(dá)到最佳，反射最小，信號(hào)質(zhì)量最好。其匹配方法如下。

① 串聯(lián)一個(gè)電容，并聯(lián)一個(gè)電感調(diào)諧。

先將電容調(diào)到最小，然后調(diào)節(jié)電感(先粗調(diào)，再細(xì)調(diào))使得信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，再調(diào)節(jié)電容使得信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)。

② 分別串聯(lián)和并聯(lián)一個(gè)電感進(jìn)行調(diào)節(jié)。

電容電感的作用：串聯(lián)電感L，使阻抗點(diǎn)從容性阻抗沿著Smith圖中的等電阻圓向右轉(zhuǎn)，減小容性阻抗；串聯(lián)電容C，使阻抗點(diǎn)從感性阻抗沿著Smith圖向左轉(zhuǎn)，減小感性阻抗；并聯(lián)電感L，使阻抗點(diǎn)從沿著Smith圖中的等電導(dǎo)圓向左轉(zhuǎn)；并聯(lián)電容C，使阻抗點(diǎn)從沿著Smith圖中的等電導(dǎo)圓向右轉(zhuǎn)[11]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)思路和編程方法

該控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括以下3個(gè)部分。

① 上位機(jī)讀取所有單元的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)CAN總線的通信方式或串口發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)格式的設(shè)計(jì)需要盡可能地利用每一個(gè)字節(jié)的每一位，以保證整個(gè)傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度足夠短，從而減少后續(xù)的通信時(shí)間。其協(xié)議定義為時(shí)間標(biāo)志+控制命令+數(shù)據(jù)命令+校驗(yàn)+結(jié)束符。控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議如圖7所示，每個(gè)主節(jié)點(diǎn)控制1024個(gè)子節(jié)點(diǎn)控制板，定義數(shù)組大小為data[1024×6+10],發(fā)送數(shù)組的前4位為時(shí)間標(biāo)志位，時(shí)間標(biāo)志位的設(shè)計(jì)用于實(shí)時(shí)詢問(wèn)子節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，當(dāng)上位機(jī)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有接收到主節(jié)點(diǎn)所反饋的子節(jié)點(diǎn)控制板狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)帶著時(shí)間標(biāo)志去詢問(wèn)主節(jié)點(diǎn)該時(shí)間標(biāo)志下的運(yùn)行結(jié)果；數(shù)組第5位為控制命令，包括運(yùn)轉(zhuǎn)命令、測(cè)試命令、詢問(wèn)命令、停止命令等；數(shù)組第5位與數(shù)組第6位為運(yùn)轉(zhuǎn)單元的數(shù)目，一般為每個(gè)主節(jié)點(diǎn)控制1024個(gè)子節(jié)點(diǎn)控制板；接下來(lái)為每個(gè)子節(jié)點(diǎn)單元數(shù)據(jù)，每個(gè)單元由6位數(shù)據(jù)構(gòu)成，中心軸和偏心軸控制分別占3位，數(shù)據(jù)包括控制命令、步數(shù)和校驗(yàn)位。校驗(yàn)采用奇偶校驗(yàn)，存儲(chǔ)在每個(gè)單元運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的第1字節(jié)的第3位。該協(xié)議的優(yōu)勢(shì)在于將每個(gè)單元運(yùn)轉(zhuǎn)所占據(jù)的字節(jié)數(shù)降到了最小，有利于減少通信時(shí)間，使得控制系統(tǒng)更加高效，也確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c準(zhǔn)確性。

圖7 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)議

② 當(dāng)主節(jié)點(diǎn)接收到上位機(jī)通過(guò)串口或者CAN傳來(lái)的單元數(shù)據(jù)后，主節(jié)點(diǎn)對(duì)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和分析處理，并對(duì)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行分組。針對(duì)ZigBee協(xié)議傳輸，每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)最多為128個(gè)字節(jié)，除去幀頭幀尾的11個(gè)字節(jié)，還有117個(gè)字節(jié)用于存放子節(jié)點(diǎn)控制板數(shù)據(jù)，因此成組設(shè)計(jì)中，每組包含17個(gè)單元的數(shù)據(jù)，每個(gè)單元6個(gè)字節(jié)，一共112個(gè)字節(jié)。然后通過(guò)串口發(fā)送給射頻芯片進(jìn)行無(wú)線發(fā)送，每次無(wú)線發(fā)送時(shí)，首先打開(kāi)功率放大器件RXF2401C，分組發(fā)送完成結(jié)束，子節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)便開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，然后主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐一輪詢子節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，詢問(wèn)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)需要帶著當(dāng)前子節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，如果該子節(jié)點(diǎn)核驗(yàn)數(shù)據(jù)正確并正在運(yùn)轉(zhuǎn)則回復(fù)當(dāng)前狀態(tài)即可，如果有誤，再重新接收數(shù)據(jù)并運(yùn)轉(zhuǎn)，直至所有單元運(yùn)轉(zhuǎn)完成并反饋?zhàn)庸?jié)點(diǎn)控制板狀態(tài)給上位機(jī)，極大地提高了無(wú)線控制系統(tǒng)的效率及可靠性。

③ 當(dāng)子節(jié)點(diǎn)控制板收到成組數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選擇屬于自己的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確與否，然后控制A3988驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，并在主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詢問(wèn)時(shí)將字節(jié)的狀態(tài)返回給主節(jié)點(diǎn)。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

該無(wú)線控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)流程框圖如圖8所示。上位機(jī)通過(guò)CAN總線或者串口發(fā)送數(shù)據(jù)給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)數(shù)據(jù)，若錯(cuò)誤則返回錯(cuò)誤類型，上位機(jī)重發(fā)，若正確則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過(guò)ZigBee成組發(fā)送單元運(yùn)轉(zhuǎn)命令給子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)接收到成組命令開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，接著主節(jié)點(diǎn)開(kāi)始逐一查詢子節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，并根據(jù)子節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行下一步操作。

圖8 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

逐一問(wèn)詢時(shí)，需要在主節(jié)點(diǎn)發(fā)送無(wú)線命令后，等待子節(jié)點(diǎn)回復(fù)主節(jié)點(diǎn)指令，以便知道子節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和防止多個(gè)子節(jié)點(diǎn)控制板同時(shí)回復(fù)指令造成的信道阻塞。采用成組發(fā)送的方式，不需要子節(jié)點(diǎn)回復(fù)，子節(jié)點(diǎn)只需要在被詢問(wèn)時(shí)回復(fù)即可，而詢問(wèn)的動(dòng)作發(fā)生在子節(jié)點(diǎn)控制板控制電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中。而原有LAMOST控制系統(tǒng)中，采用逐一向子節(jié)點(diǎn)控制板發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，逐一確認(rèn)數(shù)據(jù)是否正確，而在詢問(wèn)時(shí)并未帶單元數(shù)據(jù)，增加了發(fā)送單元數(shù)據(jù)的通信時(shí)間。因此，成組發(fā)送、逐一詢問(wèn)的控制方式在很大程度上減少了整個(gè)控制系統(tǒng)的通信時(shí)間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，成組發(fā)送的通信方式很大程度上減少了整個(gè)控制系統(tǒng)的通信時(shí)間，尤其當(dāng)子節(jié)點(diǎn)控制板出現(xiàn)損壞時(shí)，減少的時(shí)間更為顯著。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測(cè)試該控制系統(tǒng)的性能，將該控制系統(tǒng)的性能與原有的LAMOST控制系統(tǒng)的性能分別從自身靜態(tài)功耗、子節(jié)點(diǎn)控制板信號(hào)強(qiáng)度和高密度的通信性能等方面進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

4.1 自身功耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)

對(duì)該控制板與原控制板進(jìn)行自身功耗對(duì)比，實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 子節(jié)點(diǎn)控制版功耗測(cè)試裝置

采用12 V電源供電，分別以25個(gè)和50個(gè)子節(jié)點(diǎn)控制板為一組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，用電流表讀取總電流值，結(jié)果如表1所示。

表1 本文控制板與原有控制板總電流值對(duì)比 單位：A

由表1可得，原控制板靜態(tài)電流單個(gè)約為30 mA，該控制板靜態(tài)電流單個(gè)約為20 mA，兩者是在相同電壓12 V供電的情況下測(cè)得的電流，所以根據(jù)功率公式P=UI可得，原控制板的靜態(tài)功耗為360 mW，本文控制板的靜態(tài)功耗為240 mW，在靜態(tài)功耗方面降低了約33%。

4.2 無(wú)線信號(hào)質(zhì)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)用于測(cè)量單個(gè)子節(jié)點(diǎn)控制板的信號(hào)質(zhì)量強(qiáng)度，分別通過(guò)頻譜儀和TI所提供的抓包軟件Packet Sniffer進(jìn)行測(cè)試，頻譜儀在貼近狀態(tài)以及5 m遠(yuǎn)的地方進(jìn)行測(cè)試，其無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度值可以直接在頻譜儀右下角的頻道功率處讀得數(shù)值；Packet Sniffer在15 m遠(yuǎn)的地方進(jìn)行抓包測(cè)試，其無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度值在抓包界面的右側(cè)處讀取LQI(Link Quality Indicator)值，LQI值反映信號(hào)的連接質(zhì)量，最大為255，其值越大，表示信號(hào)連接質(zhì)量越好，它與RSSI(Received Signal Strength Indication)有如下的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

接收功率P與RSSI值得轉(zhuǎn)換公式為

P=RSSI+RSSI_OFFSET

式中，RSSI_OFFSET為經(jīng)驗(yàn)值，一般取-45 dBm，實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10 無(wú)線信號(hào)質(zhì)量測(cè)試裝置

-49.26(dBm)=1.1857×10-5(mW)
-42.12(dBm)=6.137×10-5(mW)
-26.085(dBm)=2.463×10-3(mW)
-32.309(dBm)=5.876×10-4(mW)

4.2.1 頻譜儀測(cè)試無(wú)線信號(hào)

分別選取10個(gè)控制板進(jìn)行測(cè)試，用頻譜儀分別在靠近控制板和距離控制板5 m處進(jìn)行測(cè)量，取平均值，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 頻譜儀測(cè)試無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度比較 單位：dBm

表2的計(jì)算數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換為接收功率，計(jì)算公式如下：

無(wú)線信號(hào)的發(fā)送強(qiáng)度均提高了。

4.2.2 Packet Sniffer測(cè)試無(wú)線信號(hào)

信號(hào)接收距離在15 m的距離下，用TI所提供的抓包軟件Packet Sniffer進(jìn)行抓包測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 Packet Sniffer抓包數(shù)據(jù)比較

由表3結(jié)果可知，無(wú)線信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度提高了。

-74.61(dBm)=3.456×10-8(mW)
-69.19(dBm)=1.205×10-7(mW)

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的子節(jié)點(diǎn)控制板相比原有控制板，在無(wú)線信號(hào)的發(fā)射功率方面至少提高了5 dB。

4.3 高密度下通信性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高密度下的性能測(cè)試，將子節(jié)點(diǎn)控制板是否收到數(shù)據(jù)信息和子節(jié)點(diǎn)單元運(yùn)轉(zhuǎn)的情況反饋給上位機(jī)，由上位機(jī)顯示整個(gè)控制系統(tǒng)的通信質(zhì)量和通信成功率。實(shí)驗(yàn)中子節(jié)點(diǎn)的布置如圖11所示。

圖11 高密度通信實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

分別對(duì)原控制系統(tǒng)與本文控制系統(tǒng)做50個(gè)子節(jié)點(diǎn)和100子節(jié)點(diǎn)高密度通信實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在高密度通信的情況下，該控制系統(tǒng)的通信性能較原控制系統(tǒng)大幅提高，無(wú)論是誤碼率還是通信成功率方面，該控制系統(tǒng)都有較大的通信優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足預(yù)期的要求，為L(zhǎng)AMOST數(shù)據(jù)傳輸提供了可靠的控制系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際工程需求的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在版型限制的條件下，通過(guò)SI9000分別對(duì)雙端信號(hào)線和單端信號(hào)線進(jìn)行了阻抗匹配；采用電阻電容對(duì)射頻電路走線的阻抗進(jìn)行微調(diào)；使用專用BALUN進(jìn)行雙端信號(hào)與單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換，使得整個(gè)無(wú)線控制系統(tǒng)的通信質(zhì)量更加的可靠穩(wěn)定；通過(guò)成組發(fā)送、逐一輪詢以及通信協(xié)議和校驗(yàn)位的巧妙設(shè)計(jì)，使得整個(gè)控制系統(tǒng)在保證通信質(zhì)量的前提下，降低了通信時(shí)間，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；通過(guò)對(duì)電源模塊的重新設(shè)計(jì)，降低了控制板自身的功耗。

實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的性能完全滿足LAMOST控制系統(tǒng)的需求，為L(zhǎng)AMOST提供了一套低功耗、高效率、可靠性高的無(wú)線控制系統(tǒng)。在今后的工作中，將進(jìn)一步增加子節(jié)點(diǎn)控制版的密度，減小控制板的尺寸，增加板厚，提高子節(jié)點(diǎn)控制板的強(qiáng)度和高密度下通信的性能。