基于控制器LPC1768的射頻增益測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪小龍

(南京泰通科技股份有限公司，南京 210039）

1 概述

在鐵路通信系統(tǒng)中，GSM-R直放站主要作用是射頻信號(hào)放大，射頻增益是GSM-R直放站的重要指標(biāo)之一。確保射頻增益的穩(wěn)定和準(zhǔn)確，是保障設(shè)備正常運(yùn)行的前提，而GSM-R直放站本身無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)射頻增益，因此需要設(shè)計(jì)一套射頻增益測(cè)量系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)GSM-R直放站的射頻增益。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該射頻增益測(cè)量系統(tǒng)使用LPC1768微控制器控制SI4432實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，通過一側(cè)LPC1768微控制器控制SI4432進(jìn)入信號(hào)發(fā)送模式，發(fā)送固定功率的信號(hào)，通過射頻設(shè)備發(fā)送到另一側(cè)的SI4432。另一側(cè)的LPC1768微控制器控制SI4432進(jìn)入接收模式，獲取接收的信號(hào)強(qiáng)度。通過兩側(cè)SI4432芯片的發(fā)射功率及接收功率計(jì)算出設(shè)備增益，同時(shí)兩側(cè)的SI4432芯片需要進(jìn)行自校正，確保計(jì)算的增益準(zhǔn)確無誤，最后把計(jì)算結(jié)果通過以太網(wǎng)通道傳送到網(wǎng)管中心或PC。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of the system

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

該射頻增益測(cè)量系統(tǒng)由嵌入式處理器LPC1768，SI4432電臺(tái)收發(fā)電路，射頻功率檢測(cè)電路和以太網(wǎng)通信電路組成。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Hardware architecture design

主控芯片采用NXP公司生產(chǎn)的LPC1768芯片。LPC1768是基于cortex-M3 CPU的微控制器，由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和64 kB的片內(nèi)SRAM，非常適合通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，可以通過內(nèi)置SPI控制器對(duì)SI4432的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，根據(jù)實(shí)際情況配置各項(xiàng)參數(shù)，如初始化配置、讀寫數(shù)據(jù)、訪問FIFO等。

電臺(tái)芯片SI4432通過配置可實(shí)現(xiàn)收、發(fā)狀態(tài)切換，測(cè)量增益時(shí)，發(fā)射側(cè)電臺(tái)芯片切換為發(fā)射狀態(tài)對(duì)外發(fā)送固定功率的檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)通過耦合器將信號(hào)傳給射頻功率監(jiān)測(cè)電路，反饋實(shí)時(shí)收發(fā)信號(hào)的功率值，用于電臺(tái)收、發(fā)功率準(zhǔn)確度自檢。接收側(cè)的電臺(tái)切換成接收狀態(tài)，等待接收通過直放站放大的檢測(cè)信號(hào)。

以太網(wǎng)通信電路負(fù)責(zé)以太網(wǎng)通信的發(fā)送和接收，把系統(tǒng)信息通過指定的協(xié)議傳送到上位機(jī)PC或網(wǎng)管中心。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)軟件初始化

系統(tǒng)軟件初始化包括LPC1768微控制器自身的初始化及SI4432的初始化。

LPC1768微控制器的初始化包括一系列的控制器外設(shè)初始化：GPIO初始化用于各種IO功能的控制實(shí)現(xiàn)；uart初始化用于與液晶顯示單元的串口通信及本地RS-232的串口通信；以太網(wǎng)口初始化用于以太網(wǎng)通信；ADC模塊的初始化用于功率檢測(cè)。

SI4432初始化的第一步工作是LPC1768的SPI接口初始化，需把LPC1768配置成SPI主機(jī)；然后通過SPI總線對(duì)SI4432的一些關(guān)鍵寄存器進(jìn)行初始化，包括配置射頻所用的頻率、通信使用的波特率、收、發(fā)數(shù)據(jù)、訪問FIFO等。

3.2.2 系統(tǒng)應(yīng)用程序模塊化設(shè)計(jì)

軟件編程采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨(dú)立的函數(shù)由主程序調(diào)用。功能模塊包括：以太網(wǎng)模塊、SI4432管理模塊等。以太網(wǎng)模塊主要負(fù)責(zé)以太網(wǎng)通信的發(fā)送和接收，把系統(tǒng)的信息通過指定的協(xié)議傳送到上位機(jī)PC或網(wǎng)管中心。SI4432管理模塊負(fù)責(zé)管理SI4432芯片的發(fā)射、接收、數(shù)據(jù)通信等操作。

3.2.3 SI4432收、發(fā)數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)

SI4432的發(fā)射流程：配置寄存器使其進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，然后寫入發(fā)射緩沖區(qū)（緩沖區(qū)是一個(gè)靜態(tài)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）數(shù)據(jù)到TXFIFO里，當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送完時(shí)，SI4432產(chǎn)生中斷，引腳nIRQ拉低從而通知LPC1768數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢。LPC1768讀取該中斷信號(hào)從而釋放SI4432的nIRQ引腳，以便接收下一次中斷的產(chǎn)生。

SI4432的接收流程：當(dāng)檢測(cè)到LPC1768的nIRQ引腳被拉低時(shí)，首先關(guān)閉SI4432接收，然后讀取其狀態(tài)寄存器釋放nIRQ，判斷數(shù)據(jù)包接收中斷和檢測(cè)該包是否有效。如果CRC也正確，LPC1768讀取RXFIFO中的數(shù)據(jù)，將其寫入接收緩沖區(qū)（靜態(tài)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。數(shù)據(jù)接收完畢后，清除RXFIFO打開接收使系統(tǒng)進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)通信。

3.2.4 增益計(jì)算

增益計(jì)算流程：接收側(cè)啟動(dòng)增益計(jì)算流程，發(fā)射啟動(dòng)信號(hào)給發(fā)射側(cè)電臺(tái)，發(fā)射側(cè)電臺(tái)啟動(dòng)發(fā)射測(cè)試信號(hào)，接收側(cè)接收測(cè)試信號(hào)獲得接收功率。測(cè)試信號(hào)發(fā)射完成后，發(fā)射側(cè)電臺(tái)將自測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)送給接收側(cè)，接收側(cè)進(jìn)行增益計(jì)算，計(jì)算結(jié)果上傳網(wǎng)管。

電臺(tái)發(fā)射功率為Po，發(fā)射線路損耗和測(cè)量誤差P1，電臺(tái)接收功率Pi，接收線路損耗和測(cè)量誤差P2。增益計(jì)算如公式（1）所示。

公式（1）中AP為直放站增益。

系統(tǒng)在測(cè)試過程中存在不穩(wěn)定，功率值數(shù)據(jù)的獲取采用均值濾波，濾波后的功率值為yi，濾波前的功率采樣值為xi，濾波算法如公式（2）所示。

公式（2）中n可以根據(jù)實(shí)際采樣時(shí)間來確定。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于對(duì)微控制器LPC1768和射頻芯片SI4432的增益測(cè)量系統(tǒng)可通過無線通信測(cè)量任意射頻設(shè)備的射頻增益及傳輸性能，具有較強(qiáng)的靈活性和較高的可靠性，為射頻設(shè)備增益及傳輸性能的檢測(cè)提供了一個(gè)很好的解決方案，具有較高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。