基于MSP430單片機(jī)的天線方向圖自動測試系統(tǒng)

摘要：針對實驗室小型天線工程測試的需要，根據(jù)天線方向圖測試原理，設(shè)計開發(fā)了天線方向圖自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心，由自動控制模塊、信號采集存儲模塊和數(shù)據(jù)處理顯示模塊三部分組成。從實驗結(jié)果來看，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)臺的自動控制、信號的自動錄取、方向圖的自動繪制，測試平臺搭建方便，具有精度高、測試速度快、性能穩(wěn)定的特點。
關(guān)鍵詞：MSP430；天線測試；自動測試系統(tǒng)；天線方向圖

    天線方向圖是天線的重要指標(biāo)，天線測試的目的是檢驗天線的輻射特性。早期的天線測試主要依靠手工，誤差大、效率低。隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了用于天線測試的自動控制系統(tǒng)，有效的提高了測試精度和工作效率。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。為了針對實驗研究、教學(xué)實踐和小型天線工程測試對天線測試系統(tǒng)的實際需求，提出并設(shè)計了一種基于MSP430的天線方向圖自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成對天線的準(zhǔn)確測試。

1 方向圖自動測試系統(tǒng)理論和方案設(shè)計
    根據(jù)天線互易原理，采用旋轉(zhuǎn)天線法。固定的輻射天線作為發(fā)射天線發(fā)射電磁波，轉(zhuǎn)動被測天線進(jìn)行接收，測出被測范圍內(nèi)不同角度處的信號電平，便可得到被測天線的方向圖。在實際測量中不需要對空間每一點都仔細(xì)研究，僅需測得兩個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象，在液晶上以直角坐標(biāo)系進(jìn)行繪制。
    測試系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：無線信號發(fā)射模塊、信號采集控制模塊、數(shù)據(jù)處理、顯示及存儲模塊。原理框圖如圖1所示。

2 方向圖自動測試系統(tǒng)設(shè)計
    本系統(tǒng)的設(shè)計要求主要如下：1)利用MSP430控制天線轉(zhuǎn)臺按測試要求轉(zhuǎn)動；2)對天線信號進(jìn)行采集和存儲；3)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)繪制方向圖。基于以上要求，整個電路以系統(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。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．1 測試系統(tǒng)的自動控制模塊實現(xiàn)
    天線方向圖自動測試系統(tǒng)中的自動控制主要指MSP430對天線轉(zhuǎn)臺的控制。在測量過程中，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、停止、自動及單步運行)發(fā)送給MSP430，MSP430將其轉(zhuǎn)換成電脈沖經(jīng)驅(qū)動電路帶動轉(zhuǎn)臺平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。天線轉(zhuǎn)臺工作電壓是交流24 V，額定負(fù)載為18 kG，水平轉(zhuǎn)速為每秒6°。經(jīng)實驗，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中定時器TA模塊，采用中斷定時的方法產(chǎn)生固定的角度，使天線按測試要求轉(zhuǎn)動。
2．2 信號采集與存儲模塊實現(xiàn)
    信號采集單元主要由測量接收機(jī)和A／D轉(zhuǎn)換器組成。測量接收機(jī)將接收信號進(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)換需要的信號相連；采用單通道單次轉(zhuǎn)換模式以節(jié)省軟件量及測試時間。當(dāng)產(chǎn)生TA中斷信號時開啟轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)動過程中關(guān)閉以節(jié)省系統(tǒng)能耗。
    MSP430作為即時的數(shù)據(jù)采集單元，設(shè)計其與USB設(shè)備的接口以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時、安全存儲。與其他串行總線相比，USB顯然具有速度上的優(yōu)勢；相比基于ISA、PCI縱向擴(kuò)展板卡來說，USB無疑具有靈活方便的特點。系統(tǒng)由MSP430與CH375接口芯片組成控制電路。CH375為USB總線的通用接口芯片，其內(nèi)置處理海量存儲設(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)備簡化為一種外部數(shù)據(jù)存儲器，從而降低了協(xié)議處理難度，簡化編程。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，接收到中斷信號確定連接有效，將扇區(qū)(512B)內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入USB設(shè)備。該設(shè)計適用大數(shù)據(jù)量實時讀寫的單片機(jī)系統(tǒng)。
2．3 信號顯示處理模塊實現(xiàn)
    測試信號采集和數(shù)字化后，通過繪圖程序在液晶上實時動態(tài)顯示。在系統(tǒng)中采用的是帶中文字庫圖形點陣液晶XY12864G，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，漢字顯示編程較簡單，本文只介紹動態(tài)圖形顯示的相關(guān)方法，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)系中要顯示的點對應(yīng)在液晶屏幕上相應(yīng)的位置和在GDRAM中的地址。GDRAM與液晶屏幕的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

    1)為了充分利用整個屏幕的資源，將第一點列作為縱坐標(biāo)?？紤]到在波形下方需要顯示實時電壓值，且ROM內(nèi)含16x16點中文字型，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：
    Y=(ADC12MEM1x48)／212       (1)
    橫坐標(biāo)X代表固定角度數(shù)，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過幾個角度，X就等于多少。當(dāng)計數(shù)值為128時，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，但不直接對應(yīng)液晶屏幕上的繪點地址。由圖3可知，在液晶屏幕上只能顯示128x64個點，對應(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，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，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(X，Y)在GDRAM中對應(yīng)的橫縱坐標(biāo)(H，V)公式分別為：
   
    4)計算此點對應(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，則可點亮屏幕上對應(yīng)的點(X，Y)。
    在實際繪圖的過程中，由于每一個GDRAM地址對應(yīng)16個位址，如果將此繪點單元數(shù)據(jù)直接寫入地址中，會影響該字節(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 測試流程及實驗結(jié)果
    測試以小型喇叭天線為對象，在室內(nèi)測試場地面和四周鋪設(shè)吸波材料以減少環(huán)境對測量結(jié)果造成的影響；分析天線的最大口徑D和波長λ，根據(jù)公式(4)確定最小測試距離。
    開機(jī)后，啟動AD轉(zhuǎn)換，如圖5(a)所示顯示信號電壓，通過單步控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動以便調(diào)整主向的接收強(qiáng)度和零輻射方向的系統(tǒng)零點。當(dāng)信號電壓大于1 V時，按鍵開始各模塊的初始化，進(jìn)行測試。
    根據(jù)測試功能需求分析，得到如圖4所示的軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

    天線轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為每秒6°，可設(shè)置定時器TA如下，以固定轉(zhuǎn)臺步距角，
    TACTL=TASSEL0+TACLR；
    CCTL0=CCIE；
    CCR0=32768／12；
    TACTL|=MC0；

    選擇ACLK為TA的計數(shù)脈沖，增計數(shù)模式，開啟TA中斷，設(shè)置比較器初始值為32768／12(天線轉(zhuǎn)臺每一步為0．5°，轉(zhuǎn)一圈運行720步，采集信號強(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)臺轉(zhuǎn)動，開啟A／D進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲以及如圖5(b)實時顯示信號以判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)。最后當(dāng)天線測試結(jié)束后，顯示測試結(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，實驗結(jié)果如圖5(d)所示。整個測試過程流暢，軟件性能穩(wěn)定，時間短，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，方向圖繪制形象直觀。

4 結(jié)論
    文中詳細(xì)論述了一種基于MSP430單片機(jī)的天線方向圖自動測試系統(tǒng)的構(gòu)建。系統(tǒng)具有手動控制測試功能，通過外部輸入信號控制轉(zhuǎn)臺的運動和天線信號的采集、顯示、存儲以及方向圖的繪制；配置定時器產(chǎn)生更小的步距角，增加測試采樣點，使采集的數(shù)據(jù)更加精確的優(yōu)點。從實驗效果來看，該設(shè)計原理是可行的，較好的實現(xiàn)了天線方向圖的自動測試控制，測量精度和可靠性比較高，能夠滿足實驗室研究和小型天線的測試需要。