【正文】 35 圖 復(fù)位源框圖 系統(tǒng)晶振與時鐘配置 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。對于 VDD 監(jiān)視器和上電復(fù)位， /RST 引腳被 驅(qū)動為低電平，直到器件退出復(fù)位狀態(tài)。在進入復(fù)位狀態(tài)時，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已知狀態(tài) ? 中斷和定時器被禁止 在復(fù) 位期間內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)容不發(fā)生改變，與 復(fù)位前存儲的數(shù)據(jù)保持一致 。盡管在內(nèi)部有弱上拉，但提供一個外部上拉和對 /RST 引腳去耦 可以 防止強噪聲引起復(fù)位，提高了抗干擾能力。 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。當輸入電壓超過 5V 時， 其內(nèi)部 組成特殊的電路使 LM2937 500mA 滿負載時，靜電流減小到 10mA 以內(nèi)。 本課題 的 電源部分 設(shè)計如圖 所 示。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。 V + V to +8 V + V to +8 V 0 177。正電壓控制的天線開關(guān)的原理 圖見圖 。因此，大的發(fā)射功率和高的接收天線增益是一個基本的要求。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)。在實際使用中 測風系統(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)實際通信距離、覆蓋范圍和無線電干擾影響范圍時，無線電傳播損耗是一個關(guān)鍵參數(shù)。 1/4 波長單極天線的長度計算： 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 。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。 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。在此頻帶中，天線的性能變化不大，能滿足給定的要求。天線是個能量轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換效率必然是個主要指標。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)計低成本、性能好的天線是無線產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。 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，當系統(tǒng)成本允許時應(yīng)優(yōu)先采用調(diào)頻或調(diào)相方式。具有軟件糾錯的系統(tǒng)，其通信距離也比無軟件糾錯的系統(tǒng)遠，但會產(chǎn)生一定的延時，在實時性要求很高的系 統(tǒng)中也要考慮這一因素的影響。無線數(shù)傳設(shè)備的主要性能指標有四個： （ 1）發(fā)射機的射頻輸出功率：發(fā)射機的射頻輸出功率 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)射機的輸出功率也是有限的。 28 （ 2）電磁環(huán)境：工作環(huán)境周圍如果存在直流電機、高壓電網(wǎng)、開關(guān)電源、電焊機、高頻電子設(shè)備、電腦等設(shè)備 時， 會對無線通信設(shè)備的信號造成干擾 ，影響設(shè)備的通信距離。 無線通信距離分析及天線設(shè)計 無線電波在介質(zhì)或介質(zhì)分界面的影響下，會有折射、反射、散射、繞射和吸收等 現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)配置數(shù)據(jù)在低功耗模式期間將被保留，但在切斷電源后 不會被保留。七位地址首先被發(fā)送，然后讀 /寫位置低電平， CC1020 這時從地址所指定的寄存器里讀取數(shù)據(jù)，通過 PDO將數(shù)據(jù) 傳 輸?shù)轿⒖刂破?里 。在地址和數(shù)據(jù) 發(fā)送期間， PSEL要保持低電平。每一幀數(shù)據(jù)包括 Address（地址） 7 位， R/W（ 讀 /寫 ） 1 位，Data（數(shù)據(jù)） 8 位。 CC1020 內(nèi)部有 52 個寄存器，其中工作模式配置寄存器占 33 個。 PSEL 有一個內(nèi)部上拉電阻，在低功耗模式時必須斷開，或者設(shè)為高電平，以阻止電流流入上拉電阻 。如果把PDI和 PDO連接在一起 與 微控制器 的 一個雙向 引腳端 相連 ，則可節(jié)省微控制器的一個 I/O端口。這些結(jié)構(gòu)配置數(shù)據(jù)采用十六進制，這些十六進制數(shù)字將輸入到微控制 器，由微控制器來配置 CC1020。在窄帶應(yīng)用中，為了獲得高性能去耦和電源濾波，電容的安放位置和大小起著重要作用。 鎖相環(huán)環(huán)路濾波器：環(huán)路濾波器由 2 個電阻 R2 和 R3 和 3 個電容 C C7 和 C8 組成。內(nèi)部的收 /發(fā)開關(guān)電路可以在收 /發(fā)兩種模式下將輸入 /輸出連接在一起，而且都可以匹配到 50Ω 。 C8051F310 在本系統(tǒng) 中實現(xiàn)了以下功能：控制無線芯片完成數(shù)據(jù)收發(fā)；實現(xiàn)低功耗的電源管理；通過 JTAG 接口進行非侵入式在系統(tǒng)編程調(diào)試。端口 I/O、 21 /RST 和 JTAG 引腳都容許 5V 的輸入信號電壓。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。 下面列出了一些 20 主要特性： ? 高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP51 內(nèi)核（可達 25MIPS） ? 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） ? 帶模擬多路器、真正 10 位 200 ksps 的 25 通道單端 /差分 ADC ? 高精度可編程的 ? 16KB 可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器 ? 1280 字節(jié)片內(nèi) 數(shù)據(jù) RAM（ 1024+256） ? 硬件實現(xiàn)的 SMBus/ I2C、增強型 UART 和增強型 SPI 串行接口 ? 4 個通用的 16 位定時器 ? 具有 5 個捕捉 /比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器 /定時器陣列（ PCA） ? 片內(nèi)上電復(fù)位、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器 ? 片內(nèi)電壓比較器（ 2 個） ? 29 個端口 I/O（容許 5V 輸入） 具有片內(nèi)上電復(fù)位、 VDD 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的 C8051F310 是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。 CC1020 主要性能參數(shù)如表 所示： 17 表 CC1020 參數(shù) 參數(shù) 最小 典型 最大 單位 條件 RF 頻率范圍 402 470 MHz 可 300Hz 步進的編程 804 940 MHz 可 600Hz 步進的編程 溫度范圍 40 85 ℃ 工作電壓 3 V 發(fā)射數(shù)據(jù)速率 KBaud 曼徹斯特碼或 NRZ 碼 輸出功率 20 0 10 dBm 434 MHz 射頻輸出阻抗 35+j59 Ω 434 MHz 所 占帶寬（ GMSK） 7 KHz 434 MHz 接收靈敏度 115 118 dBm 25KHz 信道間隔 鏡像頻率抑制 無 I/Q 及相位校驗 36 dB 有 I/Q 及相位校驗 59 dB 輸入阻抗 58j10 Ω 匹配輸入阻抗 39j14 Ω 接通時間 11 128 Baud 中頻（ IF） KHz 中頻帶寬 KHz 可編程設(shè)置 AFC 150 Hz 時 RSSI 動態(tài)范圍 63 dB 晶振頻率 MHz 18 晶振精度 177。 CC1020 還提供了接收信號強度 RSSI 寄存器以對信道進行監(jiān)測，該寄存器可以通過 SPI 接口訪問。 總的來說， CC1020 由發(fā)送、接收和數(shù)字接口三部分組成。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。 XOSC_Q1 和 XOSC_Q2 引腳端可接一個晶振。 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。 RSSI 還可作為可編程的載波檢測指示器。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。 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。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，更能適合本課題的需求。 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。 一方面 ， 低電壓微功率可以節(jié)省能源，因為測風常常在野外進行 ， 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 標準）對 其 發(fā)射功率都有很嚴格的限制。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，頻率資源相當擁擠。 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 的藍牙收發(fā)電路 。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。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。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。另外當希望給系統(tǒng)中添加新設(shè)備的時候 也 會比較麻煩，當系統(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 。 無線數(shù)傳模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 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。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)存進行數(shù)據(jù)備份，在測量完成后一并傳回主機，以減小誤差。 設(shè) 兩次測量角度 的 間隔時間為 t，兩次測得的坐標分別為 （ x1， y1， z1）（ x2， y2， z2） ,則水平方向上這段時間的風速 v和方向 θ為： ? ? ? ????????????????????????????逆時針選擇為正軸方向為為以其中風的水平方向 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。不論對于何種坐標系以及方位角和俯仰角方向的規(guī)定如何，角度經(jīng)過簡單變換都可以變化為如圖 所示的 α、 β、 γ、 δ 四個角度。向上增加；方位角以北向為 0176。 本 課題中雙經(jīng)緯儀小球測風系統(tǒng)整體布置如圖 所示。整個測量過程程序繁瑣，而且需要多名測量員協(xié)同，同步性和實時性難以保證，造成 較大的誤差和人力損耗，很難保證對特定地區(qū)氣象數(shù)據(jù)采集和分析的 完整性和全面性。相對于現(xiàn)在使用的雙經(jīng)緯儀測風系統(tǒng)而言 ， 通過用電子經(jīng)緯儀代替 傳統(tǒng)的光學(xué) 經(jīng)緯儀以及用無線傳輸代替有線傳輸?shù)确椒ㄓ行У慕档土顺杀?， 而且適應(yīng)性較強，大大提高了野外、區(qū)域氣象數(shù)據(jù)探測的速度和效率。由于散射氣團隨風飄移，沿雷達波束徑向的風速分量的大小將導(dǎo)致回波信號產(chǎn)生一定量的多普勒頻移，測定回波信號的頻移值可以直接計算出某一層大氣沿雷達波束徑向的風速分量值。 顯然，在相同的發(fā)射功率下，二次雷達比一次雷達探測距離更遠，可測更高的高空風。 一次雷達測風法：是利用氣球上懸掛的金屬反射體 反射雷達發(fā)射的脈沖信號，測定氣球角坐標和斜距 。無線電經(jīng)緯儀與測風雷達相比，具有低能耗，設(shè)備重量輕的優(yōu)點。 光學(xué) 經(jīng)緯儀測風只適用于能見度好的少云天氣，夜間必需配掛可見光源，陰雨天氣只能在可見氣球高度 的范圍 內(nèi)測風。 根據(jù)追蹤設(shè)備不同，又可分為：光學(xué) 經(jīng) 緯 儀測風、無線電 經(jīng) 緯儀測風、 雷達測風和GPS 導(dǎo)航測風。 （ 3）氣球的一般性質(zhì) ： ① 膨脹型：球皮由伸縮性較大的橡皮制成，充氣后，球內(nèi)外壓力差很小，可隨大