【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 intantantantantantantantanyzLyLx （ 21） 在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)利用 γ值再 計(jì)算 z的坐標(biāo)，通過(guò)和上式的 z求平均值來(lái)實(shí)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(cè)量角度 的 間隔時(shí)間為 t，兩次測(cè)得的坐標(biāo)分別為 （ x1， y1， z1）（ x2， y2， z2） ,則水平方向上這段時(shí)間的風(fēng)速 v和方向 θ為： ? ? ? ????????????????????????????逆時(shí)針選擇為正軸方向?yàn)闉橐云渲酗L(fēng)的水平方向 0a r c t a n1212212212xxxyytyyxxv?? （ 22） 在實(shí)際測(cè)量時(shí)，基線長(zhǎng)度的測(cè)量需要通過(guò) A 點(diǎn)的經(jīng)緯儀測(cè)量 B 點(diǎn)相對(duì)于水平面的俯仰角 Φ，并通過(guò)激光測(cè)距儀等測(cè)距方式得出 A、 B 兩點(diǎn)間的距離，或者在 B 點(diǎn)設(shè)立垂直標(biāo)桿求出 BB′的值，再通過(guò)三角關(guān)系計(jì)算 AB′也就是基線 L 的長(zhǎng)度。 10 圖 基線測(cè)量示意圖 實(shí)際測(cè)量中 在使用經(jīng)緯儀準(zhǔn)線對(duì)準(zhǔn)氣 球時(shí)，由于氣球有一定的體積同時(shí)位置不斷變化，如果兩臺(tái)經(jīng)緯儀對(duì)準(zhǔn)氣球的不同位置或者讀數(shù)的時(shí)候并未完全對(duì)準(zhǔn)氣球，就會(huì)產(chǎn)生誤差，使得計(jì)算坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)偏離。圖中 P 點(diǎn)處兩經(jīng)緯儀視軸偏差越大，誤差就越大。這種偏差同時(shí)會(huì)因?yàn)樾诺狼袚Q產(chǎn)生的大約 1020ms 的延時(shí)而加大，兩臺(tái)經(jīng)緯儀傳回的角度數(shù)據(jù)就只是近似同時(shí)采集，對(duì)于風(fēng)力較大的狀況下會(huì)加大誤差。對(duì)于這種誤差，在精度要求較低的情況下可以忽略不計(jì)，但是對(duì)于大風(fēng)力和精度要求較高的情況下可以通過(guò)電子經(jīng)緯儀的內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，在測(cè)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(cè)風(fēng)誤差 來(lái)處理數(shù)據(jù) ，例如偏差范圍為 510 米 的時(shí)候可以接受，如果超過(guò)這個(gè)限制，就應(yīng)剔除 相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)緯儀 測(cè)角和激光測(cè)距儀測(cè)距的誤差也會(huì)影響測(cè)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(wú)線數(shù)據(jù) 傳輸部分設(shè)計(jì) 本課題主要是做 基于無(wú)線傳輸?shù)闹悄茈p經(jīng)緯儀小球測(cè)風(fēng)系統(tǒng)中的經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)收發(fā)板的設(shè)計(jì)。 在該數(shù)據(jù)收發(fā)板的設(shè)計(jì)中，無(wú)線收發(fā)芯片用的是 Chipcon公司（現(xiàn)被 TI 公司收購(gòu) ） 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(gòu)） 的完全集成 的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型（ System On Chip,SOC） MCU 芯片 C8051F310，天線用 簡(jiǎn)單的 1/4 波長(zhǎng)單極天線就可以符合本設(shè)計(jì)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú) 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(wú)線數(shù)傳模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖 無(wú)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(wú)線方式。無(wú)線雙經(jīng)緯儀測(cè)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(cè)量，而且在兩臺(tái)經(jīng)緯儀之間要求有 500 到 1000 米的距離以保證測(cè)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(huì)增加人力和時(shí)間的花費(fèi)，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(shí)，布線比較困難 ，將會(huì)對(duì)有線傳輸 帶來(lái) 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(shí)候 也 會(huì)比較麻煩，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候也很難確定出現(xiàn)問(wèn)題的位置，維修時(shí)耗力 多 。而采 用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒梢杂行У慕档统杀?、提高效率，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(shí)只要采取時(shí)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(wú)線通路發(fā)生故障時(shí)可以直接更換無(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)可分為兩大類(lèi) ： 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(wú)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(wú) 線通信技術(shù)等。 本設(shè)計(jì)采 用短距離無(wú)線通信技術(shù)（ RF 技術(shù)）來(lái)進(jìn)行無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和使用簡(jiǎn) 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(guò)軟件配置完成。用戶無(wú)需對(duì)無(wú)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(shí)現(xiàn)基本的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能。新一代短距離無(wú)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(diǎn)，而且開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速、易于實(shí)現(xiàn)，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無(wú)線互連。目前微功率短距離射頻通信技術(shù)在無(wú)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(bào)警系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸可以采用 建立專 用無(wú)線數(shù)傳網(wǎng) 或借用 GSM、 GPRS、 CDMA 等公共網(wǎng)信息平臺(tái)的方法。對(duì)于使用 GSM、 GPRS、 CDMA 等公共網(wǎng)信息平臺(tái)的方法，不如無(wú)線專用網(wǎng)簡(jiǎn)單易用，而 且 受公網(wǎng)業(yè)務(wù)開(kāi)通狀況及信號(hào)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(wú)線專網(wǎng)靈活，另外它的運(yùn)行費(fèi)用較高， GPRS是 按流量計(jì)費(fèi)， 一 些無(wú)用的信息也會(huì)被計(jì)費(fèi)，在節(jié)假日時(shí)公網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷會(huì)達(dá)到高峰（如短信、彩信 等 成倍增長(zhǎng)），系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)堵塞嚴(yán)重，信 息不暢，不能及時(shí)發(fā)送或接收 有用信息，實(shí) 時(shí) 性較差。 專用的無(wú)線網(wǎng) 經(jīng)常采用 ISM(Industrial Scientific Medical)頻段，此 頻 段主要是開(kāi)放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)機(jī)構(gòu)使用 的 ，主要包括 31 43 86 915MHz 等頻段 ，目前也開(kāi)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(diǎn)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?yàn)橛性丛诖祟l段的效率 13 比更高頻段的效率要高。印制板的布局設(shè)計(jì)也不是很?chē)?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(diǎn)是要求的天線尺寸大。短波頻段最大的缺點(diǎn)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(duì)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(jì)選定 ISM 的 433MHz工作頻段。 工作在 ISM 頻段的無(wú)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?yàn)闇y(cè)風(fēng)常常在野外進(jìn)行 ， 電池是系統(tǒng)的主要電力來(lái)源，低電壓和微功率可以延長(zhǎng)電池的連續(xù)工作時(shí)間，避免了頻繁更換電池或充電的麻煩；另外 無(wú)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(duì)于便攜式移動(dòng)通信設(shè)備尤為重要；另一方面 ， 對(duì)于 工作在免證使用的 ISM 頻段的無(wú)線通信設(shè)備，各個(gè)國(guó)家的技術(shù)規(guī)范（比如美國(guó)的 FCC、歐洲的 EN 標(biāo)準(zhǔn)）對(duì) 其 發(fā)射功率都有很?chē)?yán)格的限制。 同時(shí)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(shí)不受或 減小無(wú)線電波輻射的傷害。 無(wú)線收發(fā)芯片的選擇 采用 ISM 通用數(shù)傳頻率 433MHz的無(wú)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(fèi)用。 目前，各大從事無(wú)線通訊類(lèi)產(chǎn)品開(kāi)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(chǎng)上的無(wú)線數(shù)字收發(fā)芯片分為兩類(lèi)：一類(lèi)是單獨(dú)的接收或發(fā)射芯片，另一類(lèi)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(jì) 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(jì)中采用了數(shù)字收發(fā)射頻芯片。而 目前無(wú)線模塊中應(yīng)用較多的無(wú)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(gòu)）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(jì)良好的無(wú)線收發(fā)模塊中由 CC1020 作為無(wú)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(lái) 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(diǎn)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(diǎn)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(hào)強(qiáng)度指示器 RSSI（ Received Signal Strength Indicator）、載波檢測(cè)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(gè)串行接口編程設(shè)定，外圍電路簡(jiǎn)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(hào)強(qiáng)度指示器 （ RSSI） 等電路。 CC1020 是一個(gè)低 IF 接收器，接收到的射頻信號(hào)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(hào)被濾波和放大后，被 A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。自動(dòng)增益控制、信道濾波、解調(diào)合位同步都采用數(shù)字化實(shí)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(shí)鐘。 RSSI 為數(shù)字形式，并可通過(guò)串行接口讀出 。 RSSI 還可作為可編程的載波檢測(cè)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(hào)， FSK 信號(hào)是由饋送到 DIO 引 腳的 16 數(shù)字比特 (位 )流通過(guò) FSK 調(diào)制產(chǎn)生的。可增加 一個(gè)高斯 (Gaussian)濾波器來(lái)獲得高斯頻移鍵控 (GFSK)。 頻率合成器包括一 個(gè)完整的片上 LC VCO 和一個(gè) 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(hào)。 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(diǎn)。環(huán)路濾波器在外部，連接在CHP_OUT 和 VC 兩個(gè)引腳端之間。 XOSC_Q1 和 XOSC_Q2 引腳端可接一個(gè)晶振。 PLL提供相位鎖定信號(hào)。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?yàn)榈谝患?jí)的輸入信號(hào)電平很低，噪聲的影響相對(duì)較大。對(duì)于多級(jí)放大器來(lái)說(shuō)，雖然每一級(jí)放大器都會(huì) 產(chǎn)生內(nèi)部噪聲，但主要的噪聲源在第一級(jí)。降低第一級(jí)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(guò)