無線傳輸微波測試模塊的設計

徐朋朋 夏磊 劉明軍 靳為東

摘? 要：文章介紹一種基于藍牙與ZigBee通信協(xié)議的無線傳輸微波測試模塊總體設計方案。該無線傳輸微波測試模塊主要由微波功率、頻率與調制波形測量單元、主控單元和無線通信單元組成，微波功率測量單元、微波頻率測量單元、微波調制波形測量單元分別實現(xiàn)對測試端點微波信號功率、頻率、調制波形參數(shù)的測量；主控單元實現(xiàn)測試命令解析和測量數(shù)據(jù)處理，無線通信單元實現(xiàn)測試命令和測量數(shù)據(jù)的無線傳輸。該模塊可靠性高，抗干擾能力強，造價低廉。

關鍵詞：微波測試；藍牙；ZigBee；無線傳輸

中圖分類號：TN92? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）09-0071-04

Abstract： This paper introduces the overall design scheme of a wireless transmission microwave testing module based on Bluetooth and ZigBee communication protocol. The wireless transmission microwave test module is mainly composed of a microwave power， frequency， and modulation waveform measurement unit， a main control unit， and a wireless communication unit. The microwave power measurement unit， microwave frequency measurement unit， and microwave modulation waveform measurement unit respectively measure the microwave signal power， frequency， and modulation waveform parameters of the testing endpoint; The main control unit realizes the analysis of test commands and the processing of measurement data， while the wireless communication unit realizes the wireless transmission of test commands and measurement data. This module has high reliability， strong anti-interference ability， and low cost.

Keywords： microwave test; Bluetooth; ZigBee; wireless transmission

0? 引? 言

在分布式測試應用場景中，測試點通常較為隱蔽，而通用電子測試設備往往因體積大、不方便維修等特點而導致測試靈活性較差[1，2]。為了解決這一難題，本文提出一種基于無線傳輸網(wǎng)絡微波的測試技術，采用藍牙與ZigBee無線通信方式，實現(xiàn)主控機與測試儀表的分離，通過無線組網(wǎng)設計并實現(xiàn)現(xiàn)場測試和故障診斷的解決方案。

1? 無線傳輸微波測試模塊總體硬件設計

無線傳輸微波測試模塊由微波前端處理單元、微波功率測量單元、微波頻率測量單元、微波調制波形測量單元、主控單元、無線通信單元、電源單元等電路單元組成。整機硬件組成框圖如圖1所示。

無線傳輸微波測試模塊的輸入信號可分別接入微波功率測量單元、微波頻率測量單元、微波調制波形測量單元進行功率、頻率、調制波形等參數(shù)的測試。模塊通過藍牙路由設備或ZigBee協(xié)調器進行組網(wǎng)，實現(xiàn)與上位機的互聯(lián)，接收來自上位機的測量命令。主控單元接收、解析、下發(fā)測試命令后，等待測試完成并接收、打包、上傳測試數(shù)據(jù)。

1.1? 微波前端處理單元

微波前端處理單元主要包括功分單元、匹配單元、衰減單元、取樣單元等，具體組成如圖2所示。

輸入信號首先經(jīng)過功分器分為兩路，分別進行功率和頻率測量。為了擴大頻率測量通道的動態(tài)范圍，功分器采用非均衡功率輸出的設計方案，輸出到功率測量通道和頻率測量通道的功率比為1：4，在保證功率測量通道靈敏度的前提下，盡量擴大頻率測量通道的動態(tài)范圍。

功率測量支路信號經(jīng)匹配后進入二極管檢波電路，然后經(jīng)過預放大進行一定程度的放大、調整和濾波，接著信號分為高、低兩個量程進行處理，低量程信號經(jīng)過放大后，與高量程信號同時加載至雙重∑-△ADC的輸入端，進行A/D轉換。ADC數(shù)據(jù)被發(fā)送至CPU進行同步去斬波處理，得到功率ADC的有效數(shù)據(jù)，同時對功率ADC進行校準因子、功率線性度和溫度響應的補償，從而保證功率測量在各種環(huán)境下的準確度。

1.2? 微波功率測量單元

功率測量單元的原理框圖如圖3所示。輸入的微波信號經(jīng)過功分器、匹配電路后，傳送至功率測量單元。功率測量電路采用兩只平衡配置的高性能、低勢壘肖特基（LBS）二極管對微波信號進行檢波[3，4]。二極管檢波輸出正、負電平的直流信號，為了降低噪聲干擾以及便于信號的傳輸和濾波，檢波后的電平信號，經(jīng)過頻率為440 Hz的斬波器，轉換成一路交流信號進行傳輸。在功率測量通道內有兩路高增益的運放電路，可實現(xiàn)信號的高增益放大。根據(jù)輸入信號功率范圍的不同，可實現(xiàn)自動增益的選擇，并經(jīng)過與斬波頻率相匹配的帶通濾波器，分為高、低兩個量程，同時送入16位的∑-△ADC進行A/D轉換。

為了保證功率測量的準確性和動態(tài)范圍，需要對功率ADC進行校準因子、線性度和溫度響應的補償。二極管檢波器的溫度響應通過其內部的熱敏電阻反映出來，熱敏電阻和二極管檢波器位于一個封閉狹小的腔體內，可以很好地屏蔽外部環(huán)境的干擾，并且能夠保證腔體內溫度的穩(wěn)定。功率測量通道內部的EEPROM存儲該通道的校準因子、線性度校準數(shù)據(jù)和溫度補償數(shù)據(jù)，當頻率功率計通電時，頻率功率計主機以串行總線方式向EEPROM發(fā)出詢問并讀取EEPROM的各種補償數(shù)據(jù)，在進行功率測量時，對采樣的ADC數(shù)據(jù)進行修正補償，以保證功率測量的準確性。

1.3? 微波頻率測量單元

微波頻率測量單元主要包括功分單元、波段選擇單元、取樣單元、通道調理單元、阻抗變換單元、濾波放大整形單元、事件計數(shù)單元等，具體組成如圖4所示。信號輸入后首先經(jīng)功分器分為兩路，一路進行頻率檢測，另一路直通去待測設備原有的功能電路。為了擴大頻率測量通道的動態(tài)范圍，功分器采用非均衡功率輸出的方案設計，直通通道和頻率測量通道的功率比為1：4，可在保證功率測量通道靈敏度的前提下，最大限度擴大頻率測量通道的動態(tài)范圍。頻率測量首先以500 MHz頻率點為界，內部分為兩個測量通道，通道1輸入頻率范圍為10～500 MHz，經(jīng)放大、分頻處理后均采用直接計數(shù)法測量頻率。通道2輸入頻率范圍為500 MHz～20 GHz，因為頻率較高，無法直接計數(shù)，需要先下變頻到中頻后再進行處理，信號取樣之前由電調衰減器進行幅度調節(jié)[5]。

下面從低頻、高頻測量兩個方面分別加以闡述。

1.3.1? 低頻測量通道

低頻測量通道中，低頻輸入端口的頻率范圍為10～

500 MHz。當輸入信號頻率范圍為10～50 MHz時，經(jīng)阻抗變換后進入整形電路，變換為TTL電平進入計數(shù)測量電路。當輸入信號頻率范圍為50～500 MHz時，因為其頻率較高，不便于直接計數(shù)測量，在限幅放大器后端加入一個10分頻電路，使被測信號頻率小于60 MHz，這樣可降低對大規(guī)模可編程邏輯電路的速度要求。因為測量頻率較高，由被測信號和時鐘信號之間不同步造成的誤差已經(jīng)超出了指標允許的范圍，所以需要借助內插補償技術實現(xiàn)高精度測量。

1.3.2? 高頻測量通道

高頻測量通道中，高頻輸入端口的頻率范圍為500 MHz～20 GHz。由于信號頻率較高，無法采用分頻進行計數(shù)，需要下變頻到中頻再進行處理。本項目高波段擬采用取樣下變頻法，輸入信號經(jīng)過阻抗匹配電路后，輸入到取樣器的射頻端，在取樣器內與本振的N次諧波混頻，這樣就可以利用很小的一段本振（300～500 MHz）將整個被測頻段的信號變換到中頻。

中頻輸出頻率范圍為80～120 MHz，通過對中頻信號的檢測產(chǎn)生同步計數(shù)門信號，控制計數(shù)器的閘門信號，此時本振頻率fLO1可以確定，計算出被測信號頻率為：

對N進行取整即可以確定取樣器所用的諧波次數(shù)；比較fIF1與fIF2的大小即可以確定fIF1的符號，如果fIF2大于fIF1，那么fIF1為正，反之為負。確定N與fIF1的符號后，根據(jù)式（1）計算出被測信號的頻率值。

計數(shù)器的工作受閘門電路控制，而閘門的啟閉時間又與時基電路有關，閘門開啟時間進入計數(shù)電路進行計數(shù)，閘門關閉時，終止計數(shù)。如果閘門開閉的時間為T，計數(shù)器數(shù)目為N，則被測信號頻率fx = N/T。閘門時間的長度根據(jù)所需的分辨率來選擇，分辨率等于閘門時間的倒數(shù)，例如，當選擇1 ms閘門時間，分辨率可達到1 kHz，選擇1 s的閘門時間，分辨率則可達到1 Hz。

1.4? 微波調制波形測量單元

微波調制波形測量功能將在功率測量的基礎上增加包絡檢波單元實現(xiàn)[6]，如圖5所示為調制波形測量電路原理框圖。

采用二極管作為功率傳感器件，首先對輸入的微波脈沖調制信號進行檢波，轉變?yōu)閮陕访}沖調制包絡信號。通道調理板前端有兩路微波開關，控制嵌入式微波測試集成電路為測量狀態(tài)或內部校零校準狀態(tài)，實現(xiàn)不同功能單元的復用。當開關關閉時采用高穩(wěn)定性內置動態(tài)校準源進行校準或內部校零，當開關打開時進行調制波形測量，對正負檢波信號進行線性放大，并分別進入兩路差分運算放大器，兩路信號分別為高低量程，經(jīng)過低通濾波后進入雙通道的ADC進行采樣，通過線性放大的方式提高工作溫度范圍的調制波形測量準確度。內觸發(fā)在主處理器中通過數(shù)字化方式實現(xiàn)，降低整機功耗，提升內觸發(fā)電平范圍。在數(shù)字處理單元中通過高效率的電源轉換為電路提供更高的功耗支持。

1.5? 主控單元

主控單元主要由微處理器、可編程邏輯門陣列（FPGA）和存儲器組成，其中，微處理器用于接收上位機通過藍牙或ZigBee無線通信方式傳輸?shù)臏y試命令，解析測試命令后通過總線下發(fā)到微波測量單元，并在測量完成后通過總線接收測試數(shù)據(jù)，然后將測試數(shù)據(jù)打包并以藍牙或ZigBee通信方式發(fā)送到上位機。

微波功率測量單元和微波調制波形測量單元均包含USB總線接口，因此，微處理器與微波功率測量單元和微波調制波形測量單元均可通過USB總線協(xié)議進行通信；微波頻率測量單元可將微波信號分頻到10 MHz以下，分頻倍數(shù)由FPGA控制，通過分頻倍數(shù)控制引腳直接連接到FPGA的普通IO引腳，分頻后的低頻信號通過PCB布線接入FPGA的時鐘引腳，并在FPGA內部完成頻率計數(shù)；FPGA與微處理器之間通過SPI總線通信，完成頻率測試命令的接收和頻率計數(shù)值的上傳。另外，測試數(shù)據(jù)可保存在FPGA內部寄存器中，校準數(shù)據(jù)保存在存儲器中。

1.6? 無線通信單元

無線通信單元由藍牙模塊、ZigBee模塊、調試接口三個部分組成[7，8]，藍牙模塊采用一款基于Nordic的nRF52832設計、工作于2.4 GHz ISM Band的低功耗5.0PA模塊，支持BLE4.2/5.0藍牙協(xié)議棧，支持主從機透傳模式、主機透傳模式、掃描模式等，支持以AT命令獲取模塊信息及修改模塊參數(shù)，發(fā)射功率高達24 dBm，通信距離為100 m（空曠環(huán)境）；ZigBee采用一款基于IEEE 802.15.4/ZigBee技術的嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，最低功耗小于1 μA，支持點對點、點對多點、對等和Mesh網(wǎng)絡，發(fā)射功率為20 dBm，室外通信距離為2 000米；調試接口主要用于對藍牙模塊和ZigBee模塊進行參數(shù)配置和程序燒錄。

2? 無線傳輸微波測試模塊軟件設計

基于開放性、綜合化、模塊化的設計原則，無線傳輸微波測試模塊軟件采用層次性結構進行設計，本模塊軟件裝載并運行于主控單元的微處理器中，充分利用嵌入式MCU與嵌入式操作系統(tǒng)提供的功能管理、數(shù)據(jù)存儲、無線傳輸與測試指令回讀等功能。

無線傳輸微波測試模塊軟件架構圖如圖6所示。為方便后續(xù)平臺移植與內核剪裁，本模塊主控單元的微處理器操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux。在嵌入式機內測試軟件中，我們嚴格按照分層結構進行模塊化設計，自下層向上層提供服務，各個層次的功能服務、接口與數(shù)據(jù)信息均應基于統(tǒng)一的規(guī)范，自下而上由硬件平臺層、嵌入式操作系統(tǒng)層、驅動程序層、應用程序層和接口層五個層次組成，下面做以簡要介紹。

硬件平臺層主要是依托主控單元中的微處理器實現(xiàn)功能；嵌入式操作系統(tǒng)介于硬件和應用程序之間，負責任務調度并管理實時應用程序，完成對硬件的控制和操作；驅動程序層包括定制的外設驅動程序和面向測試的測試資源驅動程序。由于在Linux中所有的設備驅動可以被靜態(tài)連接和動態(tài)加載，為提高CPU的利用效率，本項目中的外設驅動程序將采用靜態(tài)連接，測試資源驅動程序根據(jù)執(zhí)行狀態(tài)進行動態(tài)加載；應用程序層包括功率測量、頻率測量、調制波形測量、無線通信、信息處理、數(shù)據(jù)存儲與上電初始化等子功能模塊；接口層主要是操作總控軟件，負責與無線網(wǎng)絡設備進行無線通信，既可以對多路測試數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行無線傳輸，還需接收來自無線網(wǎng)絡終端的消息命令并進行實時解析處理，按照嵌入式測試工作流程啟動各個應用程序。

3? 結? 論

無線傳輸微波測試模塊采用藍牙與ZigBee無線通信方式，實現(xiàn)主控機與測試儀表的分離，利用無線組網(wǎng)實現(xiàn)現(xiàn)場測試和故障診斷，模塊具有體積小、可靠性高、成本低的特點。在軟件系統(tǒng)方面符合設計規(guī)范，具有完善的二次開發(fā)接口等特性。本文研究成果的主要創(chuàng)新點在于基于藍牙與ZigBee無線通信方式的微波信號參數(shù)測量技術的實現(xiàn)。

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作者簡介：徐朋朋（1992—），男，漢族，河南駐馬店人，初級工程師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)采集、模擬信號測試、嵌入式在線監(jiān)測和故障診斷等儀器或系統(tǒng)研發(fā)。