【導(dǎo)讀】目前對于局部區(qū)域測風(fēng)經(jīng)常采用的方法是雙經(jīng)緯儀小球測風(fēng)。在高空風(fēng)測量中使用。的普通測風(fēng)經(jīng)緯儀需手工記錄觀測數(shù)據(jù)、手工錄入數(shù)據(jù)計(jì)算，同步性和實(shí)時(shí)性難以保證，會(huì)造成較大的誤差和人力損耗。在測量過程中只需人工跟蹤測風(fēng)氣球，系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集測風(fēng)數(shù)據(jù)并。整個(gè)系統(tǒng)可以由電子測風(fēng)經(jīng)緯儀、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)采集。板和移動(dòng)終端設(shè)備組成。本文所設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要由Silabs公司生。產(chǎn)的一種微控制器芯片C8051F310和TI公司生產(chǎn)的一種無線芯片CC1020組成。分的設(shè)計(jì)包括：原理圖設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)和C8051F310的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。并給出了程序流程圖。傳送給主機(jī)處的數(shù)據(jù)采集板，并且可以通過主機(jī)來控制系統(tǒng)狀態(tài)的功能。

　　

【正文】 種不同的數(shù)據(jù)傳輸形式：同步 NRZ 模式、同步曼徹斯特碼模式和異步傳輸 UART 模式。這三種模式各有 其 特點(diǎn)，同步曼徹斯特碼抗干擾能力最好，但是波特率要低一倍，異步傳輸 UART 實(shí)現(xiàn)起來最簡單，但是抗干擾能力最差，而同步 NRZ 抗干擾能力比 UART 要好，但稍差于同步曼徹斯特碼，實(shí)現(xiàn)難度也介于兩者之間。考慮到微處理器基本都支持 UART 串行通訊，所以 本設(shè)計(jì) 選擇了這種模式。 無線通信距離分析及天線設(shè)計(jì) 無線電波在介質(zhì)或介質(zhì)分界面的影響下，會(huì)有折射、反射、散射、繞射和吸收等 現(xiàn)象。接收點(diǎn)的無線電信號(hào)，也會(huì) 有衰減和干擾出現(xiàn)。所以相同的無線數(shù)傳設(shè)備在不同的工作環(huán)境里能夠達(dá)到的傳輸距離是不相同的。影響無線通信距離的工作環(huán)境因素主要有以下幾點(diǎn)： （ 1）地理環(huán)境：數(shù)傳系統(tǒng)工作時(shí)所處的地理環(huán)境會(huì)影響通信的距離，通信距離對于無障礙的平直開闊地來說會(huì)較遠(yuǎn)，其他的郊區(qū)農(nóng)村、丘陵、河床等有一定障礙的地區(qū)會(huì)近一些，通信距離最近的是城市樓群中或群山中，密集的障礙物和金屬物體對無線通信距離的影響較大。 28 （ 2）電磁環(huán)境：工作環(huán)境周圍如果存在直流電機(jī)、高壓電網(wǎng)、開關(guān)電源、電焊機(jī)、高頻電子設(shè)備、電腦等設(shè)備 時(shí)， 會(huì)對無線通信設(shè)備的信號(hào)造成干擾 ，影響設(shè)備的通信距離。 （ 3）氣侯條件：當(dāng)工作環(huán)境處于空氣干燥的時(shí)候通信距離會(huì)較遠(yuǎn)，空氣潮濕或者是雨、雪天氣的時(shí)候通信距離較近。工作環(huán)境的溫度也會(huì)影響設(shè)備的通信距離，溫度升高會(huì)引起發(fā)射功率減小及接收靈敏度降低而減小通信距離。 同樣，無線數(shù)傳設(shè)備的性能也是在實(shí)際應(yīng)用中影響無線通信距離的重要因素。無線數(shù)傳設(shè)備的主要性能指標(biāo)有四個(gè)： （ 1）發(fā)射機(jī)的射頻輸出功率：發(fā)射機(jī)的射頻輸出功率 越大，通信距離越大；從理論上說發(fā)射功率可以無限制地增加，但實(shí)際上由于受成本、法規(guī)和工作人員身體承受的限制，發(fā)射機(jī)的輸出功率也是有限的。 比如北美的 FCC、歐洲的 EC 規(guī)范就限制了設(shè)備的發(fā)射功率，我國也規(guī)定了設(shè)備的發(fā)射功率不能影響其他主要的無線業(yè)務(wù)。 （ 2）接收機(jī)的接收靈敏度：接收靈敏度反映了接收機(jī)捕捉微弱信號(hào) 的能力，接收靈敏度越高，通信距離也越遠(yuǎn)。但由于受自然界電磁噪聲、工業(yè)污染及 電子元器件固有噪聲的影響， 123dBm（即 ）通常被認(rèn)為是現(xiàn)代無線電通信中純硬件實(shí)現(xiàn)的接收靈敏度的極限值，很難突破，即使加上軟件糾錯(cuò)也只能再改善 15dBm。具有軟件糾錯(cuò)的系統(tǒng)，其通信距離也比無軟件糾錯(cuò)的系統(tǒng)遠(yuǎn)，但會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)，在實(shí)時(shí)性要求很高的系 統(tǒng)中也要考慮這一因素的影響。 （ 3）系統(tǒng)的抗干擾能力：實(shí)際的通信環(huán)境中存在著各種各樣的干擾源，在同樣的發(fā)射功率和同樣的接收靈敏度的前提下，系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)，實(shí)際通信距離也越遠(yuǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中即使接收機(jī)的接收靈敏度很高，但如果系統(tǒng)沒有足夠的抗干擾能力，微弱的有用 信號(hào)會(huì)被大量的干擾信號(hào)淹沒掉，高的接收靈敏度就變得毫無意義。影響無線通信系統(tǒng)抗干擾能力的因素 很多，主要與調(diào)制 /解調(diào)方式，工作帶寬，有無軟件糾錯(cuò)、電路設(shè)計(jì)是否合理、 PCB板布局和去 耦及屏蔽措施是否得當(dāng)有關(guān)。 一般而言，調(diào)幅（ AM 或 ASK）、 29 調(diào)頻（ FM 或 FSK）、調(diào)相（ PM 或 PSK）三種基本調(diào)制方式中，以調(diào)幅制式的抗干擾能力最差，當(dāng)系統(tǒng)成本允許時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用調(diào)頻或調(diào)相方式。而在同一發(fā)射功率和接收靈敏度條件下，系統(tǒng)的信道帶寬越窄，各種干擾信號(hào)能進(jìn)入接收機(jī)帶寬的可能性就越小，系統(tǒng)的抗干擾能力就越強(qiáng)，通信距離也越遠(yuǎn)，但窄帶通信系統(tǒng)對元器件的制造精度及溫漂系數(shù)要求都很高，還必須有自動(dòng)頻率跟蹤功能，成本較高。 （ 4）發(fā)射 /接收天線的類型及增益： CC1020 可以使用多種型號(hào)的天線。 天線的基本功能是將發(fā)射機(jī) (或傳輸線 )送來的高頻電流 (或?qū)Р?)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波并傳送到空間 ；在接收端，則將空間傳來的無線電波能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諜C(jī)傳送的高頻電流 (或?qū)Р?)能量。天線在無線傳輸中起到了紐帶的作用，天線性能的好壞直接影響到無線通信的效果，因此設(shè)計(jì)低成本、性能好的天線是無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 對于不同用途的天線有不同的要求，概括起來基本要求如下 : （ 1） 一定的方向性。天線的方向性表現(xiàn)在天線對空間不同方向具有不同的輻射或接收能力。 （ 2） 較高的效率。天線是個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換效率必然是個(gè)主要指標(biāo)。這一方面要求降低天線上的各種損耗 ； 另一方面要求天線與饋線良好匹配，以降低饋線的損耗，因而對天線輸入端所 呈現(xiàn)的阻抗有一定 的 要求。 （ 3） 一定的極化形式。 （ 4） 一定的頻帶寬度。在此頻帶中，天線的性能變化不大，能滿足給定的要求。而頻帶寬度的確定與收發(fā)系統(tǒng)的體制和工作方式等有關(guān)。 （ 5） 其它，例如要求承受一定的功率。此外還有體積小、重量輕、造價(jià)低廉、架設(shè)方便、結(jié)構(gòu)可靠等方面的要求。 近程通信中常使用的天線 有 單極天線、螺旋 天線和環(huán)形天線。 當(dāng)單極天線是一種諧振天線時(shí)，其長度等于電波波長的 1/4，容易設(shè)計(jì)，能簡單地設(shè)計(jì)成 “ 一根導(dǎo)線 ” ，甚 30 至可以集成在 PCB 板上實(shí)現(xiàn) ， 其增益在 左右 。非諧振單極天線的長度小于 1/4 波長，也可 以 被利用， 但是射程會(huì)減小。 在尺寸和成本要求很嚴(yán)格的應(yīng)用中，這種天線可以很好地集成到 PCB 板 上。環(huán)形天線 也 很容易集成到 PCB 板上，但 是 因 為它 的輻射電阻 很弱 ，使阻抗很難匹配，所以效果很差。螺旋天線可以看成是單極天線和環(huán)形天線的組合，在尺寸受限制的場合， 它是一種很好的折衷選擇 ，但比簡單的單極天線更難優(yōu)化 ，其增益在 13dB 左右 。 對于低功率收發(fā)模塊的應(yīng)用， 1/4 波長的單極天線 比較合適，它 既簡單，又能提供較大的射程范圍。連接天線應(yīng)該盡可能靠近集成電路。 1/4 波長單極天線的長度計(jì)算： L=7125/f；（ fMHz, Lcm） （ 23） 射頻為 868MHz的天線長度一般是 ，射頻為 433MHz的天線長度為 。 增益越高的天線其幾何尺寸越大，同時(shí)成本也較高，所以選擇天線時(shí)也要考慮其使用及安裝是否方便，是否符合成本的要求。而在各種條件相同的前提下，天線距離地平面的高度越高，通信距離越遠(yuǎn)，特別是在城市環(huán)境下，提高天線的高度比增大發(fā)射功率對通信距離的影響要大得多。 雙經(jīng)緯儀測風(fēng)經(jīng)常在野外開闊地進(jìn)行，要求兩臺(tái)經(jīng)緯儀之間的基線長度在 1Km左右以保證測量精度。在實(shí)際使用中 測風(fēng)系統(tǒng)工作的地理環(huán)境、電磁環(huán)境、氣侯條件對無線通信距離的影響是難以改變的，在確定無線電系統(tǒng)實(shí)際通信距離、覆蓋范圍和無線電干擾影響范圍時(shí)，無線電傳播損耗是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在理想狀況下 ， 自由空間傳播時(shí)的無線通信距離和電波傳播的損耗關(guān)系式為： fdL os ??? （ 24） 式中： Los—— 傳播損耗，單位 dB； d—— 距離，單位 Km； f—— 工作頻率，單位 MHz。 由上式可得，理想狀況下自由空間中電波傳播損耗（亦稱衰減）只與 工作頻率 f 和傳播距離 d 有關(guān)，當(dāng) f 或 d 增大一倍時(shí)，傳播的損耗 Los 將分別增加 20lg2 ≈ 6dB。也 31 就是同樣的條件下，較高的頻率衰減較快，要達(dá)到相同的傳輸距離會(huì)需要較大的功率。所以本課題選擇頻率為 433MHz的無線數(shù)傳模塊來傳輸經(jīng)緯儀的數(shù)據(jù)。對于本課題采用的 f =433MHz，假設(shè)需要的接收范圍為 1Km，理論上由公式可得 ： dBL os ???? （ 25） 但是上式所得到的結(jié)果僅僅是在理想狀態(tài)下得到的，在實(shí)際測量中，傳播損耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn) 比這理論值大得多。 所以，要達(dá)到預(yù)定的性能要求，增加有效收發(fā)距離，需要選擇有較 高靈敏度 和足夠 發(fā)射機(jī)功率 的無線收發(fā)芯片并 提高接收天線的增益。對于本課題來說要求有較遠(yuǎn)的發(fā)射接收距離。因此，大的發(fā)射功率和高的接收天線增益是一個(gè)基本的要求。 調(diào)試中可以在有關(guān)法規(guī)和條件的允許下加大發(fā)射功率，提高發(fā)射機(jī)的效率 。系統(tǒng)中實(shí)際選用的天線是 1/4 波長的單極天線，增益為 左右。 在無線射頻模塊中，為了提高接收端的靈敏度，采用插入損耗小的天線開關(guān) SW456在 發(fā)射 支路與接收支路之間切換。正電壓控制的天線開關(guān)的原理 圖見圖 。 RF1 和 RF2引腳上的去耦電容值可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求改變。 SW456天線開關(guān)的控制原理見表 。 圖 天線開關(guān)原理框圖 32 表 天線開關(guān)的控制原理表 Mode (Control) V1 V2 RFC_RF1 RFC_RF2 Positive 0 177。 V + V to +8 V + V to +8 V 0 177。 V Off On On Off Negative 0 177。 V V to 8 V V to 8 V 0 177。 V On Off On Off 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 工作電壓對系統(tǒng)的總功耗起著舉足輕重的作用。對于節(jié) 能系統(tǒng)應(yīng)該盡量在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下采用最低的工作電壓。 一般的 電壓調(diào)整器 最多 會(huì)有 177。10％的誤差率，因此在設(shè)計(jì)工作電壓時(shí)， 最低的工作電壓 應(yīng)該為 3V，此時(shí) 電壓調(diào)整器的輸出電壓在 2． 7V與 3． 3V 之間 。 可以選擇用電池 給系統(tǒng)初始供電， 并且 無須擔(dān)心電池耗盡時(shí)會(huì)對系統(tǒng)工作有不良的影響，因?yàn)樵?C8051F 系列單片機(jī)中，片上電源監(jiān) 視 器能夠確保在電池耗盡時(shí)讓 系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。 本課題 的 電源部分 設(shè)計(jì)如圖 所 示。 圖 電源部分設(shè)計(jì)原理圖 由于本課題所設(shè)計(jì)的無線傳輸經(jīng)緯儀測風(fēng)系統(tǒng)一般適用于進(jìn)行野外測量工作，所以出于攜帶方便一般都用干電池或充電電池給系統(tǒng)供電，然后通過電壓調(diào)整器 把 6V 或 的 電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 電壓供給整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。 其中 圖上 J1 為外接電源，一般由 4 節(jié) 干電池或 4 節(jié) 充電電池供電均可。 33 U2 為 電壓調(diào)整器 ， 是一種正電壓調(diào)整器，能提供 500mA 負(fù)載電流，并且能理想地把 5V 或 5V 以上的輸入電壓降低為 電 壓來作為特定用途集成電路的電源。當(dāng)輸入電壓超過 5V 時(shí)， 其內(nèi)部 組成特殊的電路使 LM2937 500mA 滿負(fù)載時(shí)，靜電流減小到 10mA 以內(nèi)。 以下簡單介紹此電壓調(diào)整器的幾個(gè)主要特點(diǎn)： （ 1） 工作溫度在 40℃到 +125℃之間； （ 2） 輸出電流一般為 500mA； （ 3） 在所有工作條件下，輸出誤差在 5%以內(nèi)； （ 4） 有較寬的輸出電容 ESR 范圍（ 5Ω ） ； （ 5） 內(nèi)部有瞬間短路保護(hù)、超負(fù)荷熱量保護(hù)、短暫 60V 高電壓輸入保護(hù)和鏡像插口保護(hù)； （ 6） 輸入電壓為 ，輸出電壓為 ； 輸出滿負(fù)載電流 500mA 時(shí) ，靜電流為2mA。 D1 是經(jīng)過調(diào)整、穩(wěn)壓后的輸出電壓 VDD 的電源 指示燈，用來檢查整個(gè)系統(tǒng)的上 電情況 。 從抗干擾角度考慮， 無線射頻收發(fā)系統(tǒng)對電源噪聲很敏感， 因此設(shè)計(jì)中用 把 電源穩(wěn)壓濾波成 + 穩(wěn)定電壓后才對芯片供電。 高頻器件對于噪聲 很 敏感，因此給各部分電源 輸入端 加裝了濾波器或穩(wěn)壓器，以減少電源噪聲對芯片的干擾。另外，對芯片使用電源監(jiān)控及看門狗電路，以便大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。 系統(tǒng)復(fù)位設(shè)計(jì) 系統(tǒng)中采用的外部復(fù)位按鍵電路如圖 所示，外部 /RST 引腳提供 了使用外部電路強(qiáng)制 MCU 進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段。在 /RST 引腳上加一個(gè)低電平有效信號(hào)將導(dǎo)致 MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。盡管在內(nèi)部有弱上拉，但提供一個(gè)外部上拉和對 /RST 引腳去耦 可以 防止強(qiáng)噪聲引起復(fù)位，提高了抗干擾能力。 從外部復(fù)位狀態(tài)退出后， PINRSF 標(biāo)志（ ）被置 ‘ 1’ 。 34 圖 外部復(fù)位 按鍵 設(shè)計(jì)原理 圖 C8051F310 提供了上電復(fù)位、掉點(diǎn)復(fù)位、 VDD 監(jiān)視器復(fù)位、外部復(fù)位、時(shí)鐘丟失檢測器復(fù)位、比較器 0 復(fù)位、 PCA 看門狗定時(shí)器復(fù)位、 FLASH 錯(cuò)誤復(fù)位、軟件復(fù)位 9 種復(fù)位源。 復(fù)位電路允許很容易 地將控制器置于一個(gè)預(yù)定的缺省狀態(tài)。在進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)時(shí)，將發(fā)生以下過程： ? CIP51 停止程序執(zhí)行 ? 特殊功能寄存器（ SFR）被初始化為所定義的復(fù)位值 ? 外部端口引腳被置于一個(gè)已知狀態(tài) ? 中斷和定時(shí)器被禁止 在復(fù) 位期間內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容不發(fā)生改變，與 復(fù)位前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)保持一致 。但由于堆棧指針 SFR 被復(fù)位，堆棧實(shí)際上已丟失，盡管堆棧中的數(shù)據(jù)未發(fā)生變化。 端口 I/O 鎖存器的復(fù)位值為 0xFF（全部為邏輯 ‘ 1’ ） ， 處于漏極開路方式。在復(fù)位期間和復(fù)位之后 ， 弱上拉被使能。對于 VDD 監(jiān)視器和上電復(fù)位， /RST 引腳被 驅(qū)動(dòng)為低電平，直到器件退出復(fù)位狀態(tài)。 在退出復(fù)位狀態(tài)時(shí)，程序計(jì)數(shù)器（ PC）被復(fù)位， MCU使用內(nèi)部振蕩器作為默認(rèn)的系統(tǒng)時(shí)鐘?？撮T狗定時(shí)器被使能，使用系統(tǒng)時(shí)鐘的 12 分頻作為其時(shí)鐘源。程序從地址 0x0000 開始執(zhí)行。 35 圖 復(fù)位源框圖 系統(tǒng)晶振與時(shí)鐘配置 在本系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)收發(fā)板上， C8051F310 選擇的外部晶體振蕩器的諧振頻率為。系統(tǒng)在正常運(yùn)行期間可以使用外部高精確度的時(shí)鐘，在系統(tǒng)休眠或者特殊功能場合 時(shí)， 將