基于單片機(jī)的手持頻譜分析方法研究

逯玉宏，魏國(guó)慶

（重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶400030）

1 引言

近年來(lái)，無(wú)線頻譜分析技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在無(wú)線通信領(lǐng)域顯示出強(qiáng)大的優(yōu)越性，對(duì)測(cè)量?jī)x器的需求越來(lái)越大，要求也越來(lái)越高。無(wú)線電信號(hào)的測(cè)量一般分為兩大類，一類是在時(shí)間軸上直接觀察信號(hào)的波形，用示波器觀察信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，但是只能從中觀察信號(hào)的幅度和瞬時(shí)的變換，不能區(qū)分信號(hào)。另一類是在頻域測(cè)量信號(hào)，能夠在頻域觀察信號(hào)所在頻段上的噪聲范圍、頻率分量、功率以及信號(hào)失真等。無(wú)線頻譜分析需要依靠進(jìn)口的頻譜分析設(shè)備，這種大型的用戶終端靈活性較差、成本高、啟動(dòng)時(shí)間緩慢，不便于野外環(huán)境的使用。故此，提出一種基于C8051F120單片機(jī)的頻譜測(cè)試方法，增加了便利性，成本更低，靈活性更高，改變了一直以來(lái)頻譜測(cè)量需要大型儀器人工手動(dòng)測(cè)試的現(xiàn)狀，同時(shí)提高了測(cè)試效率和準(zhǔn)確性[1]。

2 關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以小型化、智能化為目標(biāo)，采用嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所涉及的多路電路模塊主要包括：C8501單片機(jī)主控電路，RS-232串口電路，5×5鍵盤電路，OLED顯示器電路，以及射頻模塊和天線接口模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。其核心是選用了C8051單片機(jī)作為主控單元，通過(guò)RS-232串口與電腦相連接，RS-232串口通信電路采用芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)串口與單片機(jī)I／O口之間的轉(zhuǎn)換，可以方便完成系統(tǒng)的程序升級(jí)和參數(shù)標(biāo)定，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)TXT文件格式上報(bào)備份存貯，并建立一個(gè)友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和查詢。OLED顯示屏提供用戶界面，顯現(xiàn)功能選擇提示與結(jié)果反顯。用戶通過(guò)面板按鍵設(shè)定工作方式，進(jìn)行功能選擇，輸入信息[2-3]。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)主要包含以下幾項(xiàng)功能：頻譜掃描分析功能、時(shí)域載波分析功能、射頻干擾功能。提供擴(kuò)展通道與測(cè)試模式選擇，用戶可以更換測(cè)試模塊，分析與產(chǎn)品相關(guān)的頻譜。

2.2 射頻模塊

射頻模塊與單片機(jī)通過(guò)SPI總線連接，其射頻信號(hào)的輸入可以通過(guò)同頻段天線或者射頻電纜實(shí)現(xiàn)。該模塊負(fù)責(zé)完成不同頻點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值RSSI的生成及測(cè)量，它采用一塊射頻器件及單片機(jī)的模擬量采集口AIN0，射頻器件用于所支持頻段內(nèi)RSSI值的產(chǎn)生，單片機(jī)的ADC可以快速完成RSSI值的抽樣采集，采用數(shù)組的方式暫存。射頻芯片MAX2837的SDI端輸出數(shù)據(jù)的格式見表l所示[4-5]。

表1 MAX2837 SDI腳數(shù)據(jù)輸入格式

射頻芯片MAX2837從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)使CS變低并提供時(shí)鐘信號(hào)給CLK，由SDI讀取數(shù)據(jù)結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過(guò)程，CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過(guò)程。如圖2所示SPI接口時(shí)序圖。

圖2 SPI接口時(shí)序

射頻模塊在換頻時(shí)，需要依次配置地址分別為0x13、0x12、0x11這三個(gè)寄存器，依次是分頻比的整數(shù)、小數(shù)2、小數(shù)1，寫給射頻模塊的時(shí)序是5位地址，10位參數(shù)。采用查表的方法可以快速的切換頻率，但需要很大的存貯空間。若采用公式法，則如下式所示：

其中：DIV RATIO為分頻比，fRF為收發(fā)頻率，取值范圍為 2300MHz～2700MHz，Reference_clk 為參考時(shí)鐘，頻率為20MHz。

簡(jiǎn)化的單片機(jī)算法如下式所示：

式中：initdiv為分頻比整數(shù)部分，frac為分頻比小數(shù)部分。

通過(guò)以上頻率字配置，可得到該頻率下接收?qǐng)鰪?qiáng)值RSSI，射頻信號(hào)通常是間歇性的，時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，需要將采樣到的數(shù)據(jù)與上次比較判定上升沿、下降沿，取上升沿和下降沿之間的數(shù)據(jù)求和取平均計(jì)算出場(chǎng)強(qiáng)值，保存在頻譜緩存中。通過(guò)單片機(jī)的ADC.0對(duì)場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)RSSI進(jìn)行采樣，在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)接收的RSSI值取平均，作為RSSI的有效值，如下式所示：

其中Ui為接收?qǐng)鰪?qiáng)信號(hào)，N為接收?qǐng)鰪?qiáng)數(shù)目。

2.3 OLED顯示模塊

采用的OLED屏JTC12864YE024為水平128點(diǎn)、垂直64點(diǎn)像素。為消除閃爍現(xiàn)象及便于繪圖，采用數(shù)組disp［8］［128］與顯示屏像素對(duì)應(yīng)，掃描方式為下高位，從左到右。一個(gè)RSSI數(shù)據(jù)截除直流分量及倍率縮小到63以下，才可以完整顯示。在設(shè)定坐標(biāo)系時(shí)，顯示64行，128列，分別對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)的0～63，橫坐標(biāo)的0～127?？v坐標(biāo)值與頁(yè)碼及對(duì)應(yīng)字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如表2所示。

表2 縱坐標(biāo)值與頁(yè)碼及對(duì)應(yīng)字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表

其中page為頁(yè)碼，Y為縱坐標(biāo)值，BIT為頁(yè)字節(jié)數(shù)據(jù)所用到的位[6-7]。

屏顯公式如下式所示：

其中，disp ［ index1 ］［j］為顯示屏對(duì)應(yīng)的像素值，index1=7-c_d/8=0,1,… ,63,j=0,1,… ,127，authority為顯示屏電子像素值表集合，index2=7-c_d%8=0,1,…,63,為顯示屏電子像素值表中的查表下標(biāo)，c_d為場(chǎng)強(qiáng)值，單位為dB。

2.4 鍵盤模塊

鍵盤模塊主要用來(lái)掃描信號(hào)，由C8051F120單片機(jī)的P2口定時(shí)置位b_k,依次拉低Y1，讀入P1,b_k&=b；置高 Y1，拉低 Y2，讀入 P1,b_k&=b；置高Y2，拉低 Y3，讀入 P1,b_k&=b；置高 Y3，拉低 Y4，讀入P1,b_k&=b；置高 Y4，拉低 Y5，讀入 P1,b_k&=b;置高Y5;完成一次掃描工作，輸入口P1檢測(cè)到數(shù)據(jù)為0x1E,0x1D,0x1B,0x17,0x0F時(shí)，b_za為1判定為單鍵按下動(dòng)作，同時(shí)清零b_za鎖定，只輸出一次按鍵標(biāo)志b_jiana=1。鍵盤每0.1s掃描一次，不需要延遲消抖部分。以該方法實(shí)現(xiàn)鍵盤，優(yōu)點(diǎn)是效率高，只采用4個(gè)位變量，一個(gè)鍵值變量。依次釋放檢測(cè)標(biāo)志b_k,當(dāng)前P1口全高標(biāo)志b,釋放標(biāo)志b_za,用于出口的鍵按下標(biāo)志b_jiana，鍵值jian，再增加一個(gè)變量chang，用于長(zhǎng)按識(shí)別，鍵釋放時(shí)清零，鍵按下時(shí)加1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到30時(shí)，b_za=1,chang=28,輸出連續(xù)按鍵信息，如此可便于光標(biāo)的快速移位及控制參數(shù)等變量的快速遞變。51系列單片機(jī)具有靈活的位變量運(yùn)算能力，但RAM比較珍貴，如此高效的鍵盤實(shí)現(xiàn)方法也具有創(chuàng)新性。鍵盤原理圖如圖3所示。鍵盤的權(quán)位值說(shuō)明見表3。

圖3 5×5鍵盤原理圖

表3 鍵值權(quán)位表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與分析

支持8051單片機(jī)的C編譯器主要有德國(guó)Keil Software公司開發(fā)的Keil C51編譯器，所產(chǎn)生的代碼運(yùn)行速度極高，可內(nèi)嵌匯編實(shí)現(xiàn)混合編程，該測(cè)試系統(tǒng)所有程序的編譯均采用此款編譯器。信號(hào)處理部分由單片機(jī)C8051F120完成，該單片機(jī)具有片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描功能，可在線調(diào)試，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步等，比使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭的仿真系統(tǒng)具有更好的性能，但比起串口調(diào)試來(lái)，仍表現(xiàn)出調(diào)試速度慢的缺點(diǎn)。串口調(diào)試就是通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的空閑串口，工作于高優(yōu)先級(jí)中斷模式，通過(guò)UBOOT監(jiān)控程序配合實(shí)現(xiàn)程序更新、當(dāng)前PC位置查詢、RAM特殊功能寄存器修改等功能，必須的通訊串口都是采用PCA模擬的，同時(shí)保留串口調(diào)試方式。此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了程序不開箱更新，調(diào)試效率非常高；主要功能是將采集到的電壓還原成實(shí)際值，經(jīng)過(guò)倍率計(jì)算、區(qū)間選擇、倒像等處理，將相應(yīng)的值存入外部靜態(tài)鏡像RAM中，驅(qū)動(dòng)12864OLED屏顯[8-10]。

系統(tǒng)的主控流程主要包括了系統(tǒng)初始化、OLED驅(qū)動(dòng)顯示、鍵盤控制、測(cè)量模塊等幾大部分。測(cè)試系統(tǒng)各個(gè)部分由單片機(jī)控制，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊共同完成頻譜檢測(cè)功能。由定時(shí)器2驅(qū)動(dòng)時(shí)間節(jié)拍。典型的時(shí)刻為10μs，另外提供20μs等備選項(xiàng)。考慮到電池供電低功耗的需要，平時(shí)操作PCON休眠，ADC采樣后將數(shù)據(jù)按照從大到小的順序暫存，多次采樣后將采樣值評(píng)估計(jì)算保存到頻譜表中，切換到下一頻點(diǎn)；達(dá)到頻率上限時(shí)，將頻譜表中的數(shù)據(jù)按面板設(shè)定的水平分辨率和垂直分辨力寫在屏幕的鏡像數(shù)組中。51單片機(jī)處理xram數(shù)據(jù)效率較為低下，這一部分代碼采用匯編優(yōu)化。另外，在鏡像數(shù)組中疊加垂直閃爍光標(biāo)、水平觸發(fā)門限光標(biāo)、頁(yè)眉參數(shù)，計(jì)算出的射頻信號(hào)強(qiáng)度等信息后，調(diào)用匯編優(yōu)化過(guò)的顯示驅(qū)動(dòng)函數(shù)還原波形。整體程序流程如圖4所示。

圖4 主控程序流程圖

頻譜掃描實(shí)現(xiàn)：定頻信號(hào)，只要在一個(gè)頻點(diǎn)上駐留的時(shí)間與收發(fā)周期相當(dāng)，或頻率的變換特別快，總會(huì)捕捉到射頻信號(hào)。頻譜測(cè)量的原理是，模塊在限定的頻率范圍內(nèi)以設(shè)定的步進(jìn)量反復(fù)切換接收頻率，完成RSSI的多次采樣存儲(chǔ)，檢測(cè)到信號(hào)時(shí)RSSI會(huì)變大，OLED屏幕上顯示為一個(gè)或多個(gè)波峰；沒檢測(cè)到信號(hào)時(shí)RSSI值被認(rèn)為是白噪聲，OLED上顯示為一條直線。在周期性掃描過(guò)程中，一次掃描完成時(shí)如果沒有采樣到理想的波峰，會(huì)自動(dòng)修改接收增益，每頻點(diǎn)駐留時(shí)間及步進(jìn)間隔，一般是掃描范圍越大，步進(jìn)間隔也相應(yīng)增大。如圖5所示，在頻率為2440.9MHz時(shí)，撲捉到了信號(hào)，帶寬分別為 10MHz、1.75MHz。

圖5 頻率2440.9MHz時(shí)兩次捕捉到信號(hào)

時(shí)域上波形復(fù)現(xiàn)：射頻模塊工作在定頻接收模式，以設(shè)定的時(shí)間間隔采樣RSSI值存貯，再按照設(shè)定的的倍率顯示出來(lái)，以此可觀測(cè)到波形的信號(hào)部分，以及收發(fā)占空比等信息，如圖6所示。

圖6 頻率為2440MHz的時(shí)域波形

射頻干擾實(shí)現(xiàn)：利用射頻模塊的小功率發(fā)射功能，對(duì)正在通信的頻點(diǎn)實(shí)施干擾，檢測(cè)設(shè)備的抗干擾能力及其他綜合能力。如圖7所示，在2350MHz頻率處的信號(hào)已被干擾。

圖7 受到干擾的頻率2350MHz信號(hào)

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大型的用戶終端靈活性較差、成本高、啟動(dòng)時(shí)間緩慢、不方便在野外環(huán)境使用，設(shè)計(jì)一種以單片機(jī)為核心的頻譜測(cè)試方法，系統(tǒng)為手持設(shè)備，小而靈巧。完成頻譜掃描分析功能、時(shí)域載波分析功能、射頻干擾等功能，結(jié)果表明：硬件設(shè)備和軟件方法可完成頻譜分析等基本功能，且操作界面更加簡(jiǎn)潔，可在工程人員的設(shè)備檢測(cè)工作中擔(dān)當(dāng)重用。