基于单片机的天线测试参数数据采集与处理系统研究

对于通信、雷达、导航、广播等无线电发射和接收系统而言，天线是不可或缺的重要装置，而天线测试的任务就是用实验的方法获得表征天线性能的实际参数指标。本文采用了旋转测试天线方向图的规则，在此基础上引入了电子技术、微控制技术，硬件上采用单片机作为整个系统的控制核心;设计了信号采集与数字化处理电路用来记录天线幅度信号;经驱动电路控制天线转台并配合定时器以产生可变的、精确的转动角度;经过串口准确无误的将测量数据传送给上位机。最后，通过调整采样频率，分析在不同精度的情况下天线方向图的变化。

1 天线参数测试理论与方法

1.1 天线参数测试原理

根据天线互易定理，即发信天线可以用作收信天线，收信天线也可以用作发信天线，并且用作发信天线时的参数与用作收信天线时的参数保持不变。把固定的辐射天线作为发射天线，被测天线作为接收天线，由固定的发射天线辐射电磁波，转台带动接收天线进行接收，测出不同角度的信号强弱，便可得到被测天线的方向图。

1.2 天线参数测试方法

早期人们通过手工的方式进行天线的测试，需要依靠人工读取天线幅度信号与角度并进行手工的绘制，测试平台难以构建、测试过程极为繁琐、工作量大，并且测量得到的数据精度较低、误差大。随着微电子技术和计算机技术的快速发展，通信设备也正朝着小型化方向发展。目前实验室在用的天线中，小型天线占领很大的比例，因此最大程度地利用实验室现有设备，构建小型化的天线方向图自动测试系统，该系统为小型天线的实验室测试提供了有效的手段，具有较高的实用价值。该系统实验室配置原理框图如图1所示。

2 天线参数自动测试硬件实现

基于图1所示天线参数自动测试系统原理框图，针对小型天线工程实验室测试的实际需求和实验室现有设备，对系统各模块进行合适的选型，整个系统的工作流程如下：

1)匹配信号源产生连续微波射频信号，并经固定不动的辅助发射天线向空间辐射电磁波。

2)控制电路控制负载被测天线的转台连续转动，并接收信号源通过发射天线发射的电磁波。

3)接收信号送天线幅度采集电路，经变换放大及A/D转换后送给数据处理电路。

4)得到测试范围内每一位置的幅度信号电平，根据这组数据，经处理单元处理，由输出装置发送给PC做进一步的数据处理。

2.1 单片机控制的自动测试电路

本设计采用美国德州仪器公司(TI)推出的MSP4301F149微处理器，其集成了16位RISC结构CPU，外设和灵活的时钟系统，通过将许多外设集成至MSP430内部并与高性能的CPU通力合作，MSP430可为混合信号处理应用提供完善的解决方案。与其他单片机相比MSP430F149大大缩小了产品的体积与成本，并且采用多种低功耗节能工作模式。系统硬件结构如图2所示。

在本系统中单片机的主要作用是：

1)单片机P1口控制转台按要求转动(正转，反转，停止);

2)单片机P2口作为转台中断信号的输入;

3)单片机P3口用作和PC机进行通讯;

4)单片机P6口对天线信号进行采集。

2.2 信号定时采集及数字化处理电路

信号采集电路主要由检波器、电流/电压转换器、直流放大器组成。考虑到测试信号的幅度较小，采用二极管进行小信号检波，从检波器输出的反映辅助天线辐射功率密度直流信号，通常在微安数量级，很难直接采集，必须经电流/电压转换后再经过直流放大器进行放大，以满足A/D转换的需要。本测试系统选用了具有低失调电压、低失调电流和低温漂的运放0P—07构成两级直流放大器，以满足A/D转换量程的需要。在天线测试过程中，同轴电缆线作为信号输入通道，其受到挤压或教育转换器之间的接口的松动都会影响到测试结果的准确性，因此系统中要尽量选择性能好的电缆线。信号采集电路如图3所示。

MSP430F149内置有高速的12位模数转换模块ADC12，因此不必再外接AD转换芯片即可实现对模拟量的数字化处理。由于AD模块和微控制器都集中在一块芯片上，所以大大减轻了设计负担，降低了产品成本，灵活方便，使结构更加紧凑，系统更加稳定，提高仪器的可靠性。

3 天线测试软件实现

结合硬件电路设计的各个模块，通过相应的软件设计对各外围模块进行有效的管理以降低其及CPU的功耗，并利用软件代替测试设备中的某些硬件功能，以提高其精度，完成整个测试功能。系统软件测试流程图如图4所示。

3.1 定时系统设计

测试天线参数之前，必须首先测量天线的实际转速，即使用公式：V=S/T，计算转台的实际转速，其中S为天线转台转动的角度，T为转动角度所用的时间。因为本次试验采用的装置在天线转台上加载了限位开关，经过实际测量，水平面内转台限位之间转动的角度为355度。

测试过程通过装载不同的负载，利用MSP430单片机内置的定时器模块设置一定的时间，以零点位置为转动的起始点，并在转动过程中由软件进行计数，以计数值和定时时间得到转动的时间。具体测试如表1所示。

经测试可知，在额定的负载范围内，转速不因负载不同，或者相同负载而受力均匀有所影响，具体速度计算如下：

V=S/T=355°/(60±1)≈5.9°/s (1)

当定时时间为1 s时，定时器设置如下：

TACTL=TASSEL0+TACLR; //ACLK辅助时钟

CCR0=32768; //采样60个点，定时时间为1 s

CCTL0=CCIE; //允许定时器中断

TACTL=MC0; //增计数

3.2 串行通信设计

串行通讯是计算机与其他装置进行数据通讯是最常使用的方法，它具有实现简单，使用方便，数据传输稳定可靠的优点，因而在数据采集，远程遥控，实时监测等方面有广泛的应用。在本系统中，采集的天线测试参数与上位机的通讯也是通过串口来实现的。MSP430F149单片机内置了USART模块，与传统的串行通信相比，它可以用低时钟频率实现高速通信。内部含有两个串行通信模块：串口0(USART0)和串口1(USART1)，模块在发送和接收每一个字节的同时都可以触发中断，从而是单片机退出低功耗模式，发送和接收是由两个独立的中断寄存器来控制的。

该串口的比特率设置页非常方便，可以通过比特率寄存器UBR0和UBR1粗略地调整波特率，再通过波特率调整寄存器UMCTL0进一步地细调波特率。通过串口控制寄存器UCTL0设置串行通信模式，通过串口发送控制寄存器UTCTLD设置产生波特率所需的时钟。串口通讯初始化程序如下：

ME1 |=URXE0+UTXE0： //使能USART0的发送和接收

UCTL0 |=CHAR; //8位数据位

UTCTL0 |=SSEL1; //UCLK=SMCLK

UBR00=0x41; //32k/9600—3.41

UBR10=0x03;

UMCTL0=0x00;

4 实验测试及结果分析

为了保证测试的准确性，需选择合适的测试环境和最小测试距离。选用实验室设备小型喇叭天线，选取水平面作为测试对象。对于小型喇叭天线而言，可以选择室内封闭场作为测试的场地，排除相关反射体，尽量营造一个纯净的电磁环境。根据天线的结构形式确定收、发天线之间的最小间距以及其具有相同的极化方式。调整转台，使得收、发天线处于同一水平位置并对准其最大辐射方向。另使转台限位背对辅助天线口面，即自动测试时以限位位置为测试起点和终点，使得方向图主瓣位于方向图的中点位置，图形显示更为直观。

采样完毕后，单片机把数据发送给PC机，将数据作归一化处理，转化成天线的功率方向图，用Matlab绘图后得到图5。系统测试过程中，需要对采样个数进行滤波处理，图5中的四幅图都是采用32位滤波平均，不同的是采样点数分别为60、120、240、360个。从四幅图的比较可以看出，采样点数越多，方向图越不平滑，这是因为当采样点个数达到36 0时且作32位平均时，单片机每秒钟需要采集1 920个数据，这时会造成相当大的干扰。本系统中天线的口径为65 mm，理论半功率角为65°，综合平滑性和半功率角理论分析得知，图5(b)是最接近理想的天线方向图。此外，方向图曲线高度的重复性也反映了天线转台的精度较高，系统的综合性完全能达到预期的目标。

5 结论

根据天线参数测试的相关理论研究方法，本文构建了以MSP430F149单片机为核心的天线测试参数的数据采集与处理系统，该系统通过驱动负载待测天线的转台转动，实现不同角度的参数信号的采集、转换和录取，将采集的数据发送给上位机进行保存或者进一步的处理，通过大量的实验数据分析出最接近理论值的天线方向图，整个系统不仅达到了预期的测试目标，同时兼顾了体积、成本与功耗，符合实验室测试的要求。