基于MSP430單片機(jī)的天線方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

張明榮，殷興輝

（河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，江蘇 南京 211100）

天線方向圖是天線的重要指標(biāo)，天線測(cè)試的目的是檢驗(yàn)天線的輻射特性。早期的天線測(cè)試主要依靠手工，誤差大、效率低。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了用于天線測(cè)試的自動(dòng)控制系統(tǒng)[1]，有效的提高了測(cè)試精度和工作效率。然而以往開發(fā)的系統(tǒng)主要應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，成本高、研發(fā)周期長(zhǎng)。為了針對(duì)實(shí)驗(yàn)研究、教學(xué)實(shí)踐和小型天線工程測(cè)試對(duì)天線測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際需求，提出并設(shè)計(jì)了一種基于MSP430的天線方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成對(duì)天線的準(zhǔn)確測(cè)試。

1 方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)理論和方案設(shè)計(jì)

根據(jù)天線互易原理，采用旋轉(zhuǎn)天線法[2-3]。固定的輻射天線作為發(fā)射天線發(fā)射電磁波，轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)天線進(jìn)行接收，測(cè)出被測(cè)范圍內(nèi)不同角度處的信號(hào)電平，便可得到被測(cè)天線的方向圖。在實(shí)際測(cè)量中不需要對(duì)空間每一點(diǎn)都仔細(xì)研究，僅需測(cè)得兩個(gè)互相垂直的包含最大輻射方向的E面和H面的方向圖。本系統(tǒng)對(duì)于架設(shè)在地面上的天線，取平行與地面的水平方向圖為研究對(duì)象，在液晶上以直角坐標(biāo)系進(jìn)行繪制。

測(cè)試系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：無(wú)線信號(hào)發(fā)射模塊、信號(hào)采集控制模塊、數(shù)據(jù)處理、顯示及存儲(chǔ)模塊。原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of system principle

2 方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求主要如下：1）利用MSP430控制天線轉(zhuǎn)臺(tái)按測(cè)試要求轉(zhuǎn)動(dòng)；2）對(duì)天線信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)；3）根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)繪制方向圖?；谝陨弦?，整個(gè)電路以系統(tǒng)穩(wěn)定、功能全面、控制方便、成本節(jié)約為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[3]如圖2所示。

2.1 測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)

天線方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的自動(dòng)控制主要指MSP430對(duì)天線轉(zhuǎn)臺(tái)的控制。在測(cè)量過程中，將行列式非編碼鍵盤，掛接至MSP430具有中斷功能的P1口上，以中斷查詢的工作方式，將相關(guān)控制指令參數(shù)（包括啟動(dòng)、停止、自動(dòng)及單步運(yùn)行）發(fā)送給MSP430，MSP430將其轉(zhuǎn)換成電脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。天線轉(zhuǎn)臺(tái)工作電壓是交流24 V，額定負(fù)載為18 kG，水平轉(zhuǎn)速為每秒6°。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，在額定負(fù)載內(nèi)，轉(zhuǎn)速精確。由于繪制方向圖只需要角度的變化量，可通過MSP430中定時(shí)器TA模塊，采用中斷定時(shí)的方法產(chǎn)生固定的角度，使天線按測(cè)試要求轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

2.2 信號(hào)采集與存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)

信號(hào)采集單元主要由測(cè)量接收機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器組成。測(cè)量接收機(jī)將接收信號(hào)進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換并放大以滿足A/D轉(zhuǎn)換的需要；A/D轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量使能進(jìn)行相應(yīng)軟件處理。MSP430F149內(nèi)部集成ADC12模塊，數(shù)據(jù)采集精度高并且所有功能都可以通過用戶軟件獨(dú)立配置。初始化A/D模塊采用內(nèi)部參考電壓；配置P6.0口為外部通道，與經(jīng)過接收機(jī)轉(zhuǎn)換放大的滿足A/D轉(zhuǎn)換需要的信號(hào)相連；采用單通道單次轉(zhuǎn)換模式以節(jié)省軟件量及測(cè)試時(shí)間。當(dāng)產(chǎn)生TA中斷信號(hào)時(shí)開啟轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中關(guān)閉以節(jié)省系統(tǒng)能耗。

MSP430作為即時(shí)的數(shù)據(jù)采集單元，設(shè)計(jì)其與USB設(shè)備的接口以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)、安全存儲(chǔ)。與其他串行總線相比，USB顯然具有速度上的優(yōu)勢(shì)；相比基于ISA、PCI縱向擴(kuò)展板卡來(lái)說，USB無(wú)疑具有靈活方便的特點(diǎn)。系統(tǒng)由MSP430與CH375接口芯片組成控制電路[4]。CH375為USB總線的通用接口芯片，其內(nèi)置處理海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議固件，外部MCU可直接以扇區(qū)為基本單位進(jìn)行讀寫，將USB設(shè)備簡(jiǎn)化為一種外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而降低了協(xié)議處理難度，簡(jiǎn)化編程。電路中將CH375的TXD引腳接地使其以并口方式與MSP430相連。測(cè)試過程中系統(tǒng)默認(rèn)工作于主機(jī)方式，MSP430接收到需要傳輸數(shù)據(jù)的指令后初始化CH375，接收到中斷信號(hào)確定連接有效，將扇區(qū)（512B）內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SB設(shè)備。該設(shè)計(jì)適用大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)讀寫的單片機(jī)系統(tǒng)。

2.3 信號(hào)顯示處理模塊實(shí)現(xiàn)

測(cè)試信號(hào)采集和數(shù)字化后，通過繪圖程序在液晶上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。在系統(tǒng)中采用的是帶中文字庫(kù)圖形點(diǎn)陣液晶XY12864G[5]，采用并行間接控制方式掛接至MSP430上。該模塊以ST7920為內(nèi)核，既能顯示字符，又能顯示圖形，還能夠?qū)⒆址蛨D形混合顯示。由于XY12864G自帶中文字庫(kù)，漢字顯示編程較簡(jiǎn)單，本文只介紹動(dòng)態(tài)圖形顯示的相關(guān)方法[6]，方向圖繪制原理與此類似。

圖形顯示的關(guān)鍵在于確定圖形坐標(biāo)系中要顯示的點(diǎn)對(duì)應(yīng)在液晶屏幕上相應(yīng)的位置和在GDRAM中的地址。GDRAM與液晶屏幕的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 GDRAM與液晶屏幕對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖Fig.3 CorrespondingrelationdiagramofGDRAMandliquidcrystalscreen

1）為了充分利用整個(gè)屏幕的資源，將第一點(diǎn)列作為縱坐標(biāo)?？紤]到在波形下方需要顯示實(shí)時(shí)電壓值，且ROM內(nèi)含16×16點(diǎn)中文字型，將第47行設(shè)為橫坐標(biāo)。

2）確定在屏幕上顯示圖形的寬度和高度。

縱坐標(biāo)Y根據(jù)AD轉(zhuǎn)換精度和坐標(biāo)系Y軸分辨率轉(zhuǎn)換而成，代表信號(hào)電壓。系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換精度為12位，ADC12MEM1為轉(zhuǎn)換寄存器，則不難推導(dǎo)出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：

橫坐標(biāo)X代表固定角度數(shù)，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過幾個(gè)角度，X就等于多少。當(dāng)計(jì)數(shù)值為128時(shí)，說明一屏已滿，要進(jìn)行換屏操作，如此循環(huán)直至出現(xiàn)結(jié)束標(biāo)志。

3）波形數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)雖然已經(jīng)確定，但不直接對(duì)應(yīng)液晶屏幕上的繪點(diǎn)地址。由圖3可知，在液晶屏幕上只能顯示128×64個(gè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于GDRAM中的64行×16WORLD/行。當(dāng)GDRAM的橫坐標(biāo)小于8并且縱坐標(biāo)小于32時(shí)，其內(nèi)容將顯示在屏幕的上半部分；當(dāng)GDRAM的橫坐標(biāo)為8-15并且縱坐標(biāo)小于32時(shí)，其內(nèi)容將顯示在屏幕的下半部分。結(jié)合圖形顯示區(qū)的顯示特性推導(dǎo)出屏幕坐標(biāo)系下點(diǎn) （X，Y）在GDRAM中對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)（H，V）公式分別為：

4）計(jì)算此點(diǎn)對(duì)應(yīng)以（H，V）為 GDRAM 坐標(biāo)的的 WORD的第幾位，設(shè)a=X%16，如果 a=16，則 WORD的最高位為1，否則從WORD最高位起第a位為1，將此位置1，則可點(diǎn)亮屏幕上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)（X，Y）。

在實(shí)際繪圖的過程中，由于每一個(gè)GDRAM地址對(duì)應(yīng)16個(gè)位址，如果將此繪點(diǎn)單元數(shù)據(jù)直接寫入地址中，會(huì)影響該字節(jié)在液晶屏幕上的原有波形數(shù)據(jù)，造成波形的斷續(xù)顯示。為了避免這種情況，事先將該單元的值讀出，與此次要寫入的值相或后作為最終值寫入，就不會(huì)破壞原波形顯示數(shù)據(jù)，保持了波形的完整性、連續(xù)性。

XY12864G在已知GDRAM位址情況下，寫繪圖RAM步驟如下：

1）先寫入垂直 V坐標(biāo)命令（0～47）

2）再寫入水平 H坐標(biāo)命令（0～15）

3）將數(shù)據(jù)寫入

4）將數(shù)據(jù)寫入

3 測(cè)試流程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試以小型喇叭天線為對(duì)象，在室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)地面和四周鋪設(shè)吸波材料以減少環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響；分析天線的最大口徑D和波長(zhǎng)λ，根據(jù)公式（4）確定最小測(cè)試距離。

開機(jī)后，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，如圖5（a）所示顯示信號(hào)電壓，通過單步控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)以便調(diào)整主向的接收強(qiáng)度和零輻射方向的系統(tǒng)零點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)電壓大于1 V時(shí)，按鍵開始各模塊的初始化，進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)測(cè)試功能需求分析，得到如圖4所示的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 diagram of the software test system

天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為每秒6°，可設(shè)置定時(shí)器TA如下，以固定轉(zhuǎn)臺(tái)步距角，

TACTL=TASSEL0+TACLR；

CCTL0=CCIE；

CCR0=32768/12；

TACTL|=MC0；

選擇ACLK為TA的計(jì)數(shù)脈沖，增計(jì)數(shù)模式，開啟TA中斷，設(shè)置比較器初始值為32768/12（天線轉(zhuǎn)臺(tái)每一步為0.5°，轉(zhuǎn)一圈運(yùn)行720步，采集信號(hào)強(qiáng)度720次），開啟TA，在中斷服務(wù)程序中判斷結(jié)束標(biāo)志，關(guān)閉TA及停止轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，開啟A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及如圖5（b）實(shí)時(shí)顯示信號(hào)以判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。最后當(dāng)天線測(cè)試結(jié)束后，顯示測(cè)試結(jié)果顯示界面圖5（c），MSP430則根據(jù)接收到的鍵值調(diào)用相關(guān)程序進(jìn)行相應(yīng)的操作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5（d）所示。整個(gè)測(cè)試過程流暢，軟件性能穩(wěn)定，時(shí)間短，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，方向圖繪制形象直觀。

4 結(jié) 論

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示圖Fig.5 Diagram of the experimental results

文中詳細(xì)論述了一種基于MSP430單片機(jī)的天線方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)具有手動(dòng)控制測(cè)試功能，通過外部輸入信號(hào)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和天線信號(hào)的采集、顯示、存儲(chǔ)以及方向圖的繪制；配置定時(shí)器產(chǎn)生更小的步距角，增加測(cè)試采樣點(diǎn)，使采集的數(shù)據(jù)更加精確的優(yōu)點(diǎn)。從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，該設(shè)計(jì)原理是可行的，較好的實(shí)現(xiàn)了天線方向圖的自動(dòng)測(cè)試控制，測(cè)量精度和可靠性比較高，能夠滿足實(shí)驗(yàn)室研究和小型天線的測(cè)試需要。

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