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正文內(nèi)容

基于無線傳輸?shù)闹悄茈p經(jīng)緯儀小球測風(fēng)系統(tǒng)—經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)收發(fā)板設(shè)計(編輯修改稿)

2025-08-14 13:26 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 intantantantantantantantanyzLyLx ( 21) 在實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)利用 γ值再 計算 z的坐標(biāo),通過和上式的 z求平均值來實現(xiàn)利用冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。 設(shè) 兩次測量角度 的 間隔時間為 t,兩次測得的坐標(biāo)分別為 ( x1, y1, z1)( x2, y2, z2) ,則水平方向上這段時間的風(fēng)速 v和方向 θ為: ? ? ? ????????????????????????????逆時針選擇為正軸方向為為以其中風(fēng)的水平方向 0a r c t a n1212212212xxxyytyyxxv?? ( 22) 在實際測量時,基線長度的測量需要通過 A 點的經(jīng)緯儀測量 B 點相對于水平面的俯仰角 Φ,并通過激光測距儀等測距方式得出 A、 B 兩點間的距離,或者在 B 點設(shè)立垂直標(biāo)桿求出 BB′的值,再通過三角關(guān)系計算 AB′也就是基線 L 的長度。 10 圖 基線測量示意圖 實際測量中 在使用經(jīng)緯儀準(zhǔn)線對準(zhǔn)氣 球時,由于氣球有一定的體積同時位置不斷變化,如果兩臺經(jīng)緯儀對準(zhǔn)氣球的不同位置或者讀數(shù)的時候并未完全對準(zhǔn)氣球,就會產(chǎn)生誤差,使得計算坐標(biāo)和實際坐標(biāo)偏離。圖中 P 點處兩經(jīng)緯儀視軸偏差越大,誤差就越大。這種偏差同時會因為信道切換產(chǎn)生的大約 1020ms 的延時而加大,兩臺經(jīng)緯儀傳回的角度數(shù)據(jù)就只是近似同時采集,對于風(fēng)力較大的狀況下會加大誤差。對于這種誤差,在精度要求較低的情況下可以忽略不計,但是對于大風(fēng)力和精度要求較高的情況下可以通過電子經(jīng)緯儀的內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)備份,在測量完成后一并傳回主機(jī),以減小誤差?;蛘吒鶕?jù)事先設(shè)定 的測風(fēng)誤差 來處理數(shù)據(jù) ,例如偏差范圍為 510 米 的時候可以接受,如果超過這個限制,就應(yīng)剔除 相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)緯儀 測角和激光測距儀測距的誤差也會影響測風(fēng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,應(yīng)當(dāng)盡量采用 精度較高的儀器。 系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù) 傳輸部分設(shè)計 本課題主要是做 基于無線傳輸?shù)闹悄茈p經(jīng)緯儀小球測風(fēng)系統(tǒng)中的經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)收發(fā)板的設(shè)計。 在該數(shù)據(jù)收發(fā)板的設(shè)計中,無線收發(fā)芯片用的是 Chipcon公司(現(xiàn)被 TI 公司收購 ) 生產(chǎn)的 CC1020,微控制器用的是 Cygnal 公司(現(xiàn)已被 Silicon Laboratories 公 司收購) 的完全集成 的混合信號片上系統(tǒng)型( System On Chip,SOC) MCU 芯片 C8051F310,天線用 簡單的 1/4 波長單極天線就可以符合本設(shè)計的要求了。 電源部分 一般用干電池或充電電池供電 ,便于攜帶 。無線數(shù)傳模塊 與外界設(shè)備 的通信方式用的是 UART0 串行通訊。 無線數(shù)傳模塊內(nèi)部 C8051F310 與 CC1020 之間的通信用的是 SPI(增強(qiáng)型串行外設(shè) 11 接口)方式。 無線數(shù)傳模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 單 片 機(jī) C 8 0 5 1 F 3 1 0R S 2 3 2 串 口無 線 射 頻 接 口C C 1 0 2 0電 源處 理模 塊C 2 接 口( J T A G 調(diào)試 模 塊 )U A R TS P I 圖 無線數(shù)傳模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖 無線傳輸 的選擇 采用電子經(jīng)緯儀代替光學(xué)經(jīng)緯儀之后,采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的方式可以采用有線和無線方式。無線雙經(jīng)緯儀測風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)常應(yīng)用于野外特定地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)測量,而且在兩臺經(jīng)緯儀之間要求有 500 到 1000 米的距離以保證測風(fēng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。野外架設(shè)有線數(shù)據(jù)傳輸線路會增加人力和時間的花費,而且當(dāng)遇到一些特殊的應(yīng)用 環(huán)境,比如 山地、湖泊、林區(qū)等特殊的地理環(huán)境時,布線比較困難 ,將會對有線傳輸 帶來 很大的制約,適應(yīng)性 差。另外當(dāng)希望給系統(tǒng)中添加新設(shè)備的時候 也 會比較麻煩,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時候也很難確定出現(xiàn)問題的位置,維修時耗力 多 。而采 用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒梢杂行У慕档统杀尽⑻岣咝?,并且不受地理環(huán)境和地面狀況的影響,當(dāng)系統(tǒng)中添加新設(shè)備時只要采取時分復(fù)用、頻分復(fù)用或者址分復(fù)用就可以方便的 把新設(shè)備 加入 到 系統(tǒng)中。系統(tǒng)無線通路發(fā)生故障時可以直接更換無線數(shù)傳 模 塊, 立刻恢復(fù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通路,維修方便。 目前, 無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)可分為兩大類 : 一是基于蜂窩的接入技術(shù),如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù) (CDPD),通用分組無線傳輸技術(shù) (CPRS)、 EDGE 等。二是基于局域網(wǎng)的技術(shù),如 WLAN、 Bluetooth、 IrDA、 HomeRF、短距離無 線通信技術(shù)等。 本設(shè)計采 用短距離無線通信技術(shù)( RF 技術(shù))來進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。 12 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都可以集成到一塊芯片內(nèi)部。一般使用單片數(shù)字射頻收發(fā)芯片,加上微控制器和少量外圍器件即可構(gòu)成專用或通用的無線通信模塊,有的射頻收發(fā)芯片甚至集成了微控制器。由于所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在射頻芯片內(nèi)部,由其構(gòu)成的無線模塊一致性良好,性能穩(wěn)定且不易受外界影響。射頻芯片一般采用 ASK, FSK, OOK, GFSK 等調(diào)制方式。通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和使用簡 單的加密協(xié)議,其發(fā)射功率、工作頻率、工作狀態(tài)等可以通過軟件配置完成。用戶無需對無線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解,只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實現(xiàn)基本的無線數(shù)據(jù)傳輸功能。新一代短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點,而且開發(fā)簡單快速、易于實現(xiàn),可以方便地嵌入到各種設(shè)備中,實現(xiàn)設(shè)備間的無線互連。目前微功率短距離射頻通信技術(shù)在無線抄表、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、非接觸智能卡、安全防火系統(tǒng)、區(qū)域報警系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。 無線數(shù)據(jù)傳輸可以采用 建立專 用無線數(shù)傳網(wǎng) 或借用 GSM、 GPRS、 CDMA 等公共網(wǎng)信息平臺的方法。對于使用 GSM、 GPRS、 CDMA 等公共網(wǎng)信息平臺的方法,不如無線專用網(wǎng)簡單易用,而 且 受公網(wǎng)業(yè)務(wù)開通狀況及信號覆蓋范圍的影響,能否在某處使用,完全取決于運(yùn)行商 的 系統(tǒng)建設(shè)情況,不如無線專網(wǎng)靈活,另外它的運(yùn)行費用較高, GPRS是 按流量計費, 一 些無用的信息也會被計費,在節(jié)假日時公網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷會達(dá)到高峰(如短信、彩信 等 成倍增長),系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)堵塞嚴(yán)重,信 息不暢,不能及時發(fā)送或接收 有用信息,實 時 性較差。 專用的無線網(wǎng) 經(jīng)常采用 ISM(Industrial Scientific Medical)頻段,此 頻 段主要是開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個機(jī)構(gòu)使用 的 ,主要包括 31 43 86 915MHz 等頻段 ,目前也開發(fā)了工作在 ISM 的藍(lán)牙收發(fā)電路 。 但是如果選擇 330MHz的高頻 (短波 )段,其優(yōu)點是使用適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率可以得到較遠(yuǎn)的工作距離,因為有源元件在此頻段的效率 13 比更高頻段的效率要高。印制板的布局設(shè)計也不是很嚴(yán)格,寄生電容與所用元件相比較小,寄生耦合也比較容易避免。缺點是要求的天線尺寸大。短波頻段最大的缺點是此頻段還有大量的公共服務(wù)信道,比如短波廣播、電視通信網(wǎng)絡(luò)等,頻率資源相當(dāng)擁擠。然而對于 頻段,在給定的發(fā)射功率下,由于自由空間傳播損耗大以及有源元件的效率差,其工作距離比 UHF 頻段短。綜合考慮,本設(shè)計選定 ISM 的 433MHz工作頻段。 工作在 ISM 頻段的無線數(shù)傳模塊大多工作在低電壓微功率條件下 。 一方面 , 低電壓微功率可以節(jié)省能源,因為測風(fēng)常常在野外進(jìn)行 , 電池是系統(tǒng)的主要電力來源,低電壓和微功率可以延長電池的連續(xù)工作時間,避免了頻繁更換電池或充電的麻煩;另外 無線設(shè)備工作于低電壓微功率條件下可以縮小體積,減輕重量,有利于 設(shè)備的微型化,這對于便攜式移動通信設(shè)備尤為重要;另一方面 , 對于 工作在免證使用的 ISM 頻段的無線通信設(shè)備,各個國家的技術(shù)規(guī)范(比如美國的 FCC、歐洲的 EN 標(biāo)準(zhǔn))對 其 發(fā)射功率都有很嚴(yán)格的限制。 同時低電壓微功率的數(shù)傳設(shè)備還能保護(hù)工作人員在工作時不受或 減小無線電波輻射的傷害。 無線收發(fā)芯片的選擇 采用 ISM 通用數(shù)傳頻率 433MHz的無線數(shù)傳模塊傳送采集到的數(shù)據(jù),成本較低且適應(yīng)性較強(qiáng)。不必占用稀缺的頻譜資源,可以節(jié)省很大的初始投資,也不發(fā)生后期使用 費用。 目前,各大從事無線通訊類產(chǎn)品開發(fā)的公司,如 Microchip, TI, Motorola, Nordic VLSI, Chipcon AS, RFMD, Maxim等都有自己的 RF IC 產(chǎn)品。 市場上的無線數(shù)字收發(fā)芯片分為兩類:一類是單獨的接收或發(fā)射芯片,另一類為集成的數(shù)字收發(fā)芯片 (一塊芯片上集發(fā)射與接收于一體的半雙工射頻芯片 )。 由于自己設(shè)計 的 射頻發(fā)射接收電路,電路復(fù)雜,而且調(diào)試?yán)щy,在本射頻模塊電路的設(shè)計中采用了數(shù)字收發(fā)射頻芯片。而 目前無線模塊中應(yīng)用較多的無線收發(fā)芯片主要有 14 Nordic 公司生產(chǎn)的 nRF 系列和 Chipcon公司(現(xiàn)被 TI 公司收購)生產(chǎn)的 CC 系列。適用于本課題的芯片分別為 nRF905 和 CC1020,比較而言兩者最 大發(fā)射功率均為 +10dBm,應(yīng)用范圍都很廣泛,但是 nRF905 芯片的靈敏度為 100dBm, 而 CC1020 芯片的靈敏度為118dBm,從而在同樣設(shè)計良好的無線收發(fā)模塊中由 CC1020 作為無線收發(fā)芯片的模塊數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn),更能適合本課題的需求。 CC1020[20]是基于 Chipcon’s Smart RF02 技術(shù),在 CMOS 工藝下制造出來 的一款窄帶、低功耗、低電壓的 單片半雙工 UHF( Ultra High Frequency)超高頻 收發(fā)芯片,主要用于 ISM( Industrial, Scientific and Medical) 頻帶和在 426/429/433/868/915MHz頻帶的 SRD(Short Range Device -近距離設(shè)備 )中,也可經(jīng)編程后用于頻率為402MHz470MHz和 804MHz940MHz的多信道設(shè)備 中 。 CC1020 的 特點有: 靈敏度最高達(dá) 118dBm;低耗電流;低電壓;輸出功率 可以設(shè)定 ;不需要外部的 IF 濾波器 ; 尺寸 ?。?QFN 32 封裝);單點天線連接; 數(shù)據(jù)速率高達(dá) ; 數(shù)據(jù)調(diào)制方式有 OOK/ASK、FSK 和 GFSK;具有數(shù)字接收 信號強(qiáng)度指示器 RSSI( Received Signal Strength Indicator)、載波檢測指示器 (Carrier Sense Indicator)和鏡像抑制混頻器( Image Rejection Mixer); 并且 CC1020 主要的工作參數(shù)能夠經(jīng)由一個串行接口編程設(shè)定,外圍電路簡單,使用容易并且具有靈活性。 CC1020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 15 圖 CC1020 結(jié)構(gòu)框圖 CC1020 內(nèi)部電路分為發(fā)射電路和接收電路兩部分。發(fā)射電路包含有: RF 功率放大器 PA( Power Amplifier)、 鎖 相環(huán) PLL( Phase Locked Loop)、壓控振蕩器 VCO( Voltage Controlled Oscillator)、低功耗控制邏輯電路和串行接口電路。接收電路包含有:低噪聲放大器 LNA( Low Noise Amplifier) 和 LNA射頻緩沖放大器、射頻混頻器、本機(jī)振蕩緩沖放大器、中頻放大器、解調(diào)器、低通濾波放大器 /后檢波放大器、數(shù)據(jù)限制器、接收信號強(qiáng)度指示器 ( RSSI) 等電路。 CC1020 是一個低 IF 接收器,接收到的射頻信號被低噪聲放大器( LNA 和 LNA2)放大后降頻變換為中頻( IF) 。在 IF 中頻的 I/Q 信號被濾波和放大后,被 A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。自動增益控制、信道濾波、解調(diào)合位同步都采用數(shù)字化實現(xiàn)。 CC1020 從 DIO 引腳端輸出數(shù)字解調(diào)數(shù)據(jù), DCLK 引腳端是同步數(shù)據(jù)時鐘。 RSSI 為數(shù)字形式,并可通過串行接口讀出 。 RSSI 還可作為可編程的載波檢測指示器。 在發(fā)送模式 下 ,合成的 RF 頻率直接饋送到功率放大器 (PA)。射頻輸出是 FSK 信號, FSK 信號是由饋送到 DIO 引 腳的 16 數(shù)字比特 (位 )流通過 FSK 調(diào)制產(chǎn)生的??稍黾?一個高斯 (Gaussian)濾波器來獲得高斯頻移鍵控 (GFSK)。 頻率合成器包括一 個完整的片上 LC VCO 和一個 90 度的分相器,在接收 模式中產(chǎn)生用于降頻變換器的 LO_I和 LO_Q信號。 VCO工作的頻率為 。 CHP_OUT引腳端是充電泵輸出, VC 引腳端是片上 VCO 的控制點。環(huán)路濾波器在外部,連接在CHP_OUT 和 VC 兩個引腳端之間。 XOSC_Q1 和 XOSC_Q2 引腳端可接一個晶振。 PLL提供相位鎖定信號。四線 SPI 串行接口用于結(jié)構(gòu)配置。 低噪聲放大器( LNA)是高增益放大器,因為第一級的輸入信號電平很低,噪聲的影響相對較大。對于多級放大器來說,雖然每一級放大器都會 產(chǎn)生內(nèi)部噪聲,但主要的噪聲源在第一級。降低第一級放大器的噪聲,涉及低噪聲放大器是最重要的。 LNA 的輸入阻抗小,能容易地通過
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