崔麗麗丁永紅尤文斌姚琴琴

（1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051）

基于MSP430單片機的信標機系統(tǒng)設計

崔麗麗1，2，丁永紅1，2，尤文斌1，2，姚琴琴1，2

（1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051）

針對黑匣子、彈載記錄儀搜尋問題，設計一種用來指示記錄儀方位的新型信標機系統(tǒng)。該系統(tǒng)由鎖相環(huán)、微處理器、GPS模塊、電源模塊等部分組成。實測驗證該系統(tǒng)具有較好的可實現(xiàn)性和較高的可靠性，可應用于多領域進行記錄儀的搜尋，有效減小搜尋范圍、提高工作效率，且該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、抗沖擊等特性。

記錄儀搜尋；信標機；鎖相環(huán)；MSP430單片機

0 引 言

信標機是地面或飛行器中發(fā)射無線電信號以提供自身位置信息的電子設備。黑匣子和記錄儀能夠記錄被測物體在運行過程中的重要參數(shù)，如飛行高度、速度、運行軌跡等，這些信息對研究被測裝置的性能有著十分重要的作用[1]，這就決定了記錄儀搜尋研究的重要性。在發(fā)送導彈和其他特殊試驗時，彈載記錄儀因試驗往往落在沙漠戈壁等自然環(huán)境復雜的地方，使得人工搜尋工作變得相對困難，僅依靠人眼搜尋，會出現(xiàn)搜尋成本高、時間長、直接影響工程進度等問題[2]。目前國內(nèi)外研究的信標機主要有：船載信標機或者浮標上面的信標機，一般體積和質(zhì)量較大，并且加載很高的天線以使信標信號能傳輸?shù)酶h；陸地使用的信標機有人員佩帶的小型信標機，這種信標機體積很小，一般發(fā)送單頻點的信號作為野外人員的求救設備；另外一種是應用于航空領域中存儲器搜尋的信標機，信標機和存儲器等一起下落，落地之后采用無線射頻的方式發(fā)射信號，由直升機或車載設備進行搜尋[3]。利用信標機來指示記錄儀的方位能夠縮小搜尋范圍、降低搜尋難度，由此可見信標機的研發(fā)具有重要意義。

本文針對應用于航空領域中搜尋存儲器的信標機，設計了一種基于MSP430單片機的新型信標機系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

該信標機系統(tǒng)由發(fā)射端和搜索儀兩部分組成。發(fā)射端采用MSP430單片機控制鎖相環(huán)芯片的分頻比產(chǎn)生特定頻率。數(shù)字鎖相環(huán)是直接從接收數(shù)據(jù)信息中提取位同步信號的一種環(huán)路[4]。發(fā)射端由鎖相環(huán)芯片、參考源、環(huán)路低通濾波器（LPF）、壓控振蕩器（VCO）、MSP430單片機、時鐘電路和微帶天線組成。

參考源采用溫補晶振，經(jīng)鎖相環(huán)芯片分頻后送到鑒相器鑒相，得到相位誤差信號并送到LPF，濾除鑒相頻率和噪聲后得到直流電壓信號，然后送到VCO，VCO的輸出信號經(jīng)分頻后回送到鑒相器。分頻設置由單片機向鎖相環(huán)芯片發(fā)送相應的頻率控制字，從而得到相應的頻率，最后通過天線發(fā)送頻率。

由于信標機隨著被測物體飛行跌落，天線可能損壞無法發(fā)射信號，而微帶天線具有尺寸小、剖面低、成本低、可與載體共形等優(yōu)點[5]，故本系統(tǒng)采用微帶天線結(jié)構(gòu)，且該微帶天線采用覆銅板制作工藝，能夠承受信標機著地時較大的沖擊加速度而不損壞。時鐘電路的作用是控制信標機工作時間，在特定的時間進行工作，可以降低功耗。信號發(fā)射端系統(tǒng)框圖如圖1所示。

搜索單元系統(tǒng)主要由電源模塊、GPS模塊、天線、MSP430單片機、液晶顯示組成，其框圖如圖2所示。GPS模塊主要顯示搜尋人員所處位置，防止走丟。天線接收信號并送到單片機，最后在液晶顯示屏上顯示接收信號的強弱，從而判斷信標機發(fā)射端所處方向。

圖1 發(fā)射端系統(tǒng)框圖

圖2 搜索儀系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件電路設計

2.1.1 鎖相環(huán)部分的硬件設計

本設計選用的鎖相環(huán)芯片是PE3336，該芯片采用并行數(shù)據(jù)輸入模式，參考源采用溫補晶振，交流耦合到PE3336的參考頻率輸入口。溫補晶振輸出的波形幅值不能太高也不能太低，控制在1V左右，用II型電阻衰減網(wǎng)絡得到需要的波形幅值[6]。鑒相器產(chǎn)生PD_U和PD_D雙路輸出信號，經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后得到控制電壓，VCO的頻率向參考信號的頻率靠攏，直至最后兩者頻率相等而相位同步，從而實現(xiàn)頻率鎖定。

環(huán)路濾波器具有低通特性，其作用是濾除誤差電壓中的高頻無用分量，更重要的是對環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。環(huán)路濾波器是一個線性電路，在環(huán)路中常用的低通濾波器有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器[7]，本系統(tǒng)中采用有源比例積分濾波器。

VCO是電壓控制器件，根據(jù)輸入電壓的大小調(diào)整輸出信號的頻率[8]，它的振蕩頻率隨輸入控制電壓線性而變化，它的輸出反饋到鑒相器上，主要通過相位對鑒相器輸出誤差電壓起作用。

2.1.2 單片機控制電路硬件設計

本系統(tǒng)的發(fā)射端和搜索儀的微控制器均采用TI公司MSP430系列的超低功耗混合信號處理芯片MSP430F1611，它具有低電壓、超低功耗、處理能力強大、片上外圍模塊豐富等特點，能夠滿足低功耗的系統(tǒng)要求。MSP430F1611微控制器采用64引腳封裝，內(nèi)置3通道DMA、兩個16位定時器，一個快速12位A/D轉(zhuǎn)換器，雙12位D/A同步轉(zhuǎn)換器，一個或兩個通用串行同步/異步通信接口（USART、SPI、I2C）[9]。

2.1.3 時鐘電路及GPS模塊設計

時鐘芯片采用美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的DS1302實時時鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用電源充電方式，提供對后背電源進行涓細電流充電的能力。

搜索儀設計GPS模塊的目的是顯示搜尋人員的地理位置。該模塊可根據(jù)應用情況選擇是否開啟。GPS模塊采用是北京東方聯(lián)星公司的CNSS0-009衛(wèi)星導航接收板，其定位準確度水平5m，垂直10m，速度0.2 m/s，標準工作電壓為5 V，接收板實現(xiàn)了射頻、基帶、導航結(jié)算一體化軟件/硬件設計，高動態(tài)、高可靠性、體積小、工作穩(wěn)定。其波特率為115 200 b/s，該模塊收到啟動命令才會工作，定位數(shù)據(jù)輸出格式為NMEA0183。定位數(shù)據(jù)輸出語句以0114EB3A開頭，共66個有效字節(jié)[10]。

表1 主寄存器控制字數(shù)據(jù)格式

2.1.4 電源模塊

本系統(tǒng)選用5000mA的移動電源，滿電壓時通常能達到8V左右，輸出電流最大為1.5A。單片機的工作電壓為1.8～3.6 V，本設計選用GPS工作電壓3.3 V。鎖相環(huán)芯片正常工作電壓為3V。采用MAX667把電源電壓穩(wěn)定到5 V，再采用AMS1117電源模塊把電壓從5V轉(zhuǎn)換為3.3V，為GPS模塊、單片機和時鐘模塊供電，采用MAX667將電源電壓穩(wěn)定到3 V，為鎖相環(huán)芯片PE3336供電。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

2.2.1 PE3336的可編程分頻器數(shù)據(jù)格式

單片機控制M2_WR、M1_WR、A_WR、HOP_WR和D0～D7，由此可控制20b的可編程參考分頻比和前置分頻比。主寄存器控制字數(shù)據(jù)格式如表1所示，其中M計數(shù)器9位，R計數(shù)器6位，A計數(shù)器4位。

當環(huán)路鎖定時，鎖定頻率FVCO和參考頻率fr的關系滿足式：

式中A≤M+1，1≤M≤511，0≤R≤63。fr/（R+1）為鑒相頻率。將數(shù)據(jù)寫入分頻器的過程為：首先將HOP_WR管腳保持低電平，然后分別在M1_WR、M2_WR、A_WR管腳的上升沿將并行數(shù)據(jù)D0～D7鎖入主寄存器中，從而完成可編程分頻器的編程設置。

2.2.2 信號發(fā)射端軟件設計

系統(tǒng)的軟件調(diào)試采用IAR Systems公司的IAR Embeded Workbench IDE進行編程調(diào)試。該軟件是一個用于編譯和調(diào)試嵌入式應用程序的集成開發(fā)環(huán)境，按項目進行管理，它提供了應用程序和庫程序的項目模板。程序采用C語言進行編寫。

發(fā)射端鎖相環(huán)技術(shù)產(chǎn)生特定頻率信號，將信號發(fā)送出去。主程序開始后調(diào)用時鐘子程序，當?shù)玫接行У臅r間數(shù)據(jù)后，調(diào)用控制子程序，流程圖如圖3所示。

2.2.3 搜索單元軟件設計

圖3 發(fā)射端系統(tǒng)流程圖

搜索單元一方面接收發(fā)射端發(fā)送的特定頻率的信號，另一方面接收GPS信號。系統(tǒng)開始時判斷是否開啟GPS定位請求，若開啟判斷數(shù)據(jù)幀頭，數(shù)據(jù)幀頭正確將數(shù)據(jù)送入存儲數(shù)組，最后通過液晶屏進行顯示。接收到的特定頻率的信號直接顯示即可。流程圖如圖4所示。

圖4 搜索單元系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

圖5 搜索儀顯示接收的信號強度

本次試驗通過一個發(fā)射端和搜索儀進行通信測試，發(fā)射端采用正六面體結(jié)構(gòu)，6個面分別安裝采用覆銅板結(jié)構(gòu)的微帶天線，循環(huán)發(fā)射信號。發(fā)射端發(fā)射信號的頻率為2645MHz。搜索儀對不同方向接收信號，顯示的信號強度如圖5所示。

將發(fā)射端放置在距搜索儀1km處，手持搜索儀接收發(fā)射端信號，進行3種實驗。

1）將發(fā)射端露天放置在距搜索儀大約1km處，手持信標機搜索天線，分別將天線抬高距離地面2m、1.5 m處和地面上，依次旋轉(zhuǎn)接收天線與發(fā)送端角度，記錄搜索儀接收到的信號強度，如表2所示。

表2 發(fā)射端未被遮擋時接收信號強度

2）將發(fā)射端放置在距搜索儀單元1 km處草叢中，將發(fā)射端完全覆蓋，手持信標機搜索儀天線，分別將天線抬高距離地面2m和1.5m處，依次旋轉(zhuǎn)接收天線與發(fā)送端角度，記錄接收的信號強度，如表3所示。

表3 發(fā)射端完全被遮擋時接收信號強度

表4 信號強度達到90%、95%和99%時距離發(fā)射端距離

3）信標機發(fā)射端無遮擋，手持搜索儀由遠到近接收信號，記錄信號強度一直達到90%、95%和99%時距離發(fā)射端距離，如表4所示。

根據(jù)實驗可以發(fā)現(xiàn)，在距離發(fā)射端較遠時，對準發(fā)射端方向接收的信號最強，根據(jù)接收到的信號強度可以準確判斷發(fā)射端所在方向。當發(fā)射端被遮擋時，接收的信號強度變?nèi)?，但仍可以判斷發(fā)射端方向。手持搜索儀沿著發(fā)射端所在方向靠近發(fā)射端，當改變接收天線方向而接收到的信號強度均達到90%以上時，表明發(fā)射端就在附近，可以有效縮小搜索范圍。

4 結(jié)束語

本文設計了一種基于MSP430單片機的信標機系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用鎖相環(huán)技術(shù)，具有低功耗、體積小等特性，能夠應用于航空航天和彈載記錄儀回收等領域。實測表明該信標機可以有效判斷發(fā)射端所在方向和范圍，將其應用于航空航天記錄儀搜尋等領域，可縮小搜尋范圍，降低搜尋難度。

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Design of beacon system based on MSP430 microcontroller

CUI Lili1，2，DING Yonghong1，2，YOU Wenbin1，2，YAO Qinqin1，2
（1.Key Lab of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

A new beacon system which indicates the orientation of the recorder is designed in this paper in order to solve the onboard logger searching problem.The system consists of Phase-locked loop，microprocessor，GPS modules，power modules and so on.Actual measurement proves the system is reliable and can be achieved.This beacon can be applied in many fields logger search，which can effectively reduce the search scope to improve work efficiency.And this system is small，low power consumption and impact resistance.

recorder search；beacon；phase-locked loop；MSP430 MCU

A

：1674-5124（2015）10-0081-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.018

2015-01-05；

：2015-02-29

崔麗麗（1989-），女，吉林敦化市人，碩士研究生，專業(yè)方向為動態(tài)測試與智能儀器。